Investigadores de la Universidad Rice han descubierto una nueva forma de mejorar un elemento clave de los sistemas termofotovoltaicos (TPV), que convierten el calor en electricidad a través de la luz. Utilizando un enfoque poco convencional inspirado en la física cuántica, el ingeniero de Rice, Gururaj Naik, y su equipo diseñaron un emisor térmico que puede ofrecer altas eficiencias dentro de parámetros de diseño prácticos.
La investigación podría contribuir al desarrollo del almacenamiento eléctrico de energía térmica, que es prometedor como una alternativa asequible a las baterías a escala de red. En términos más generales, las tecnologías TPV eficientes pueden facilitar el crecimiento de la energía renovable, un componente esencial de la transición hacia un mundo neto cero. Otro beneficio importante de los sistemas TPV mejorados es la recuperación del calor residual de los procesos industriales, haciéndolos más sostenibles. Para poner esto en contexto, entre el 20% y el 50% del calor utilizado para convertir materias primas en bienes de consumo se desperdicia, lo que le cuesta a la economía estadounidense más de 200 mil millones de dólares al año.
Los sistemas TPV incluyen dos componentes principales: células fotovoltaicas (PV) que convierten la luz en electricidad y emisores térmicos que convierten el calor en luz. Ambos componentes deben funcionar bien para que el sistema sea eficiente, pero los esfuerzos para mejorarlos se han centrado más en la célula fotovoltaica.
“El uso de enfoques de diseño tradicionales limita el espacio de diseño de los emisores térmicos, y lo que se obtiene es uno de dos escenarios: dispositivos prácticos de baja eficiencia o emisores de alta eficiencia que tienen aplicaciones en el mundo real”, dijo Naik, asociado Profesor de ingeniería eléctrica e informática.
En un nuevo estudio publicado en npj Nanophotonics, Naik y su ex Ph.D. El estudiante Cyril Samuel Prasad, que obtuvo un doctorado en ingeniería eléctrica e informática de Rice y es investigador asociado postdoctoral en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, demostró un nuevo emisor térmico que promete una eficiencia de más del 60 por ciento. Preparándose para postularse.
“Básicamente, mostramos cómo lograr el mejor rendimiento posible para un emisor teniendo en cuenta restricciones de diseño prácticas y realistas”, dijo Prasad, primer autor del estudio.
El emisor consta de una lámina de metal de tungsteno, una fina capa de material espaciador y una red de nanocilindros de silicio. Cuando se calienta, la radiación térmica se acumula en las capas centrales, lo que puede considerarse como un baño de fotones. Los pequeños resonadores situados en la parte superior “se comunican” entre sí de tal manera que pueden “extraer fotones a fotones” del baño, controlando el brillo y el ancho de banda de la luz enviada a la célula fotovoltaica.
“En lugar de centrarnos en el rendimiento de los sistemas de un solo resonador, tomamos en cuenta la forma en que interactúan estos resonadores, lo que abre nuevas posibilidades”, explicó Naik. “Esto nos dio control sobre cómo se almacenan y liberan los fotones”.
Esta emisión selectiva, lograda a través de conocimientos de la física cuántica, maximiza la conversión de energía y permite una eficiencia mayor que la posible anteriormente, operando al límite de las propiedades del material. Para mejorar la eficiencia del 60% recientemente alcanzada, será necesario desarrollar o descubrir nuevos materiales con mejores propiedades.
Estas ventajas pueden hacer del TPV una alternativa competitiva a otras tecnologías de conversión y almacenamiento de energía, como las baterías de iones de litio, especialmente en situaciones en las que se necesita almacenamiento de energía a largo plazo. Naik señaló que esta innovación tiene implicaciones importantes para las industrias que generan grandes cantidades de calor residual, como las plantas de energía nuclear y las instalaciones de fabricación.
“Creo que lo que hemos mostrado aquí, con una célula fotovoltaica de baja banda prohibida muy eficiente, tiene un potencial muy prometedor”, afirmó Naik. “Según mi experiencia trabajando con la NASA y comenzando una startup en el espacio de las energías renovables, creo que las tecnologías de conversión de energía tienen una gran demanda hoy en día”.
La tecnología del equipo también podría usarse en aplicaciones espaciales, como alimentar vehículos exploradores en Marte.
“Si nuestro enfoque puede conducir a un aumento del 2% al 5% en la eficiencia de dichos sistemas, representará un impulso significativo para las misiones que requieren una generación de energía eficiente en entornos extremos”, dijo Naik.
Esta investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias (1935446) y la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU.
