“…la generación solar plantea ciertas dificultades, la más evidente es la fluctuación de generación de energía durante el transcurso del día…la literatura propone afrontar el problema desde otra perspectiva, crear paneles fotovoltaicos que generen electricidad durante la noche…”

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Diciembre 2020

RESUMEN

Con la penetración de energías renovables y el compromiso de la sociedad hacia un futuro consiente de energías limpias, en la literatura se plantea la implementación de celdas termoradiativas para solucionar los problemas inherentes de la producción de energía solar a través de celdas fotovoltaicas. En el presente documento se resume el funcionamiento de dichas celdas, su posible aplicación a paneles fotovoltaicos y sus limitaciones actuales.

I. Introducción

Actualmente, más de 150 ciudades en Estados Unidos se han comprometido a migrar sus sistemas de generación eléctrica a fuentes completamente renovable para el año 2050.

Para cumplir con dicho objetivo, se plantea que una parte de esta energía provenga plantas solares fotovoltaicas. Sin embargo, la generación solar plantea ciertas dificultades. La más evidente, siendo la fluctuación de generación de energía durante el transcurso del día, como se presenta en el perfil típico de generación fotovoltaica de la Figura 1. Que el pico de generación ocurra durante el mediodía, al haber la mayor irradiación solar en dichas horas, y que durante la noche no se genere electricidad proyecta problemas tanto como para la alimentación de la carga durante todo el día, como para el sistema de distribución encargado de hacerlo.

Múltiples soluciones se han planteado distribuir la energía generada por fuentes solares durante el día. Como por ejemplo, grande sistemas de baterías, o centrales hidroeléctricas de almacenamiento de agua reversibles. Sin embargo, dicha tecnología sigue siendo relativamente costosa, y difícil de implementar a gran escala.

Ante ello, la literatura propone afrontar el problema desde otra perspectiva, crear paneles fotovoltaicos que generen electricidad durante la noche.

Dichos paneles utilizan celdas termo fotovoltaicas o termoradiativas, que en principio pueden ser acopladas o incorporadas en la tecnología de los paneles solares fotovoltaicos convencionales.

II. Celdas Termoradiativas.

Las celdas Termoradiativas (TR, por sus siglas en ingles), tienen un principio de acción similar al de las celdas solares fotovoltaicas convencionales, al ambas estar compuestas por un semiconductor de unión p-n.

Para operar, dicha celda se posiciona sobre una fuente de calor constante, en oposición a un disipador de calor, en este caso el ambiente externo durante la noche. El diferencial térmico en la celda causa la emisión de fotones en luz infrarroja hacia la atmosfera lo cual energiza la unión p-n lo suficiente como para generar el movimiento de electrones y agujeros de la capa de valencia a la capa de conducción.

La conexión de una carga a la celda permite aprovechar el flujo de electrones y agujeros no recombinados, y así generar una alimentación eléctrica.

Dicha recombinación de electrones y huecos sucede gracias a la baja energía requerida en materiales semiconductores de última tecnología de baja banda prohibida (cercana a los 1 electronvoltios [eV] a 300 grados kelvin [K]).

Como se observa en la Figura 2c la corriente y voltaje generados son de sentido opuesto a la generada por una celda solar, al el proceso de radiación térmica ser reciproco en la unión p-n. Por lo cual son coloquialmente llamadas, “celdas solares invertidas”.

III. Esquemas propuestos de paneles.

En la literatura, distintos modelos son propuestos para la aplicación de estas celdas, sin embargo, el modelo más estudiado se asemeja al descripto por T. Liao
et al, en 20153. La Figura 3 muestra el esquema planteado en su diseño.

La representación de la figura plantea la implementación de ambas tecnologías, termoradiativa (TR) y solar fotovoltaica (PV) mediante el acople a través un filtro óptico entre ambas celdas. Dicho filtro permite la reutilización de fotones generados por la celda TR, pero que no cuentan con la suficiente energía para ser transmitidos hacia la siguiente capa de valencia; y además facilita el acople térmico con el disipador de calor en la superficie de la celda PV, necesario para generar el diferencial requerido para su operación.

IV. Integridad y limitaciones

En una posible implementación real, T. Deppe y J. Munday, en 2019, proponen el estudio teórico de la implementación de dicha tecnología con datos recolectados de locaciones reales y con la implementación de materiales semiconductores de última generación como base para la generación eléctrica en la unión p-n del panel.

Como referencia, una celda PV común genera cerca de 200 [W/m2] en la hora pico de irradiancia solar durante el mediodía. Así por su parte, el estudio plasma que para condiciones y materiales ideales una celda TR podría producir cerca de 50 [W/m2] posicionada sobre una superficie con una temperatura constante cercana a los 26 [°C]. A su vez, propone que para metamateriales conocidos en la actualidad tales como polímeros porosos transparentes y foto conductores de última tecnología, la ingeniería de diseño de ciertas celdas TR podría alcanzar una generación eléctrica cercana a los 8.4 [W/m2] sobre la superficie terrestre a la misma temperatura que para el caso anterior, y posicionada de cara a un cielo nocturno con condiciones ambientales comunes, a una temperatura cercana a los 0 [°C].

A pesar de ser una generación relativamente baja en comparación a su contraparte solar, esta producción eléctrica sucede durante la noche, permitiendo una alimentación eléctrica durante el transcurso de todo el día, y pudiendo alcanzar hasta 60 [W/m2] durante horas del día.

Por otra parte, también proponen que dicha eficiencia puede mejorar al aumentar la temperatura de la fuente de calor a la cual está dispuesta la celda TR, tal y como se plantea en la Figura 4. Lo cual motiva su uso en otras aplicaciones como recuperadores de calor desperdiciado en fuentes de calor primerias.

Conclusión

Con el continuo impulso global hacia energías renovables, la implementación de nuevas tecnologías es una necesidad inherente para afrontar los problemas actuales de las fuentes renovables conocidas. La energía solar sin duda se concibe como una de las energías líderes en la transición hacia dicha meta, por tanto, la implementación de tecnologías como celdas termoradiativas puede proyectarse a ser una tecnología complementaria a los ya comunes paneles solares para ayudar a distribuir la generación de potencia a lo largo de todo el día. Dicha tecnología aún está lejos de ser elaborada a gran escala, pero la literatura plantea que su producción eléctrica puede ser lo suficientemente interesante como para impulsar un mayor desarrollo de su implementación. Más aun para sistemas donde puede recuperarse la energía calórica desperdiciada como en fuentes de calor industriales.

Referencias

[1] R. Singh, R. Banerjee, “Estimation of rooftop solar photovoltaic potential of a city” Solar Energy, pp 589-602, mayo 2015.

[2] T Deppe, J. Munday, “Nighttime Photovoltaic Cells: Electrical Power Generation by Optically Coupling with Deep Space” ACS Photonics, 1, 1-9, noviembre 2020.

[3] T. Liao et al, “Thermoradiative- Photovoltaic Cells” IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 66, No. 3, marzo 2019.