Célula solar modificada produce energía por la noche

Mar 30, 2023

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Publicado el 8 de junio de 202326 de mayo de 2023 por Melisa Yashinski

Los paneles solares son una fuente cada vez más común de energía renovable y proporcionan electricidad a partes del mundo que carecen de acceso a una red eléctrica. Un panel solar se compone de docenas de dispositivos más pequeños que convierten la luz solar en electricidad llamados células fotovoltaicas o células PV para abreviar. Una celda fotovoltaica típica mide aproximadamente 5 pulgadas cuadradas (o 13 centímetros cuadrados) y está hecha de silicio, un material semiconductor asequible. El silicio absorbe la energía de la luz solar, lo que excita a los electrones para que se muevan desde la parte inferior de la celda hasta la parte superior, creando electricidad. Dado que este proceso requiere energía solar, una celda fotovoltaica no produce energía durante la noche, lo que deja a los lugares fuera de la red sin electricidad durante esas horas.

Recientemente, los investigadores se han interesado en aprovechar la energía creada a partir del calor emitido por los objetos a través de un proceso llamado enfriamiento radiativo. La Tierra se calienta durante el día por el sol y luego se enfría por la noche al emitir radiación de onda larga hacia el espacio exterior. Es por eso que un día cálido puede ser seguido por una noche mucho más fresca, especialmente cuando hay cielos despejados.

Las celdas fotovoltaicas típicas están cubiertas con dióxido de silicio, que tiene una fuerte emisión de calor debido al enfriamiento radiativo. Esto significa que la celda fotovoltaica pierde calor hacia su entorno, dejándola varios grados más fría que el aire ambiente durante la noche. Actualmente, las células fotovoltaicas no pueden convertir este cambio de temperatura en electricidad. Los científicos han sugerido diseñar células fotovoltaicas que recolecten esta energía. Sin embargo, esto requeriría un semiconductor con propiedades eléctricas diferentes a las del silicio, lo que significa que sería necesario reemplazar los paneles solares basados ​​en silicio para generar energía durante la noche.

En lugar de diseñar una nueva celda fotovoltaica, los científicos de la Universidad de Stanford modificaron una celda fotovoltaica existente para convertir el calor en energía eléctrica. Incorporaron un dispositivo que convierte los cambios de temperatura en energía eléctrica llamado generador termoeléctrico o TEG. Un TEG es un dispositivo de estado sólido, lo que significa que no tiene partes móviles y está hecho de un material único que reacciona cuando se expone a dos temperaturas diferentes. Los átomos en el material expuesto a una temperatura más alta se excitan y liberan electrones que fluyen hacia el lado del material expuesto a una temperatura más fría. Los científicos planearon conectar un TEG entre la celda fotovoltaica más fría y el aire ambiente más cálido.

Al diseñar esta célula fotovoltaica modificada, los científicos utilizaron cálculos termodinámicos para saber cuándo el TEG generaría la mayor cantidad de electricidad. Determinaron que necesitaban minimizar la cantidad de calor que fluye del aire ambiente, alrededor del TEG y hacia la celda fotovoltaica porque no contribuiría a la generación de electricidad del TEG. Por lo tanto, rodearon el dispositivo en una cámara de plástico aislada con una abertura para acomodar la conexión al aire ambiente.

Los científicos también calcularon que necesitaban maximizar el contacto del lado caliente del TEG con el aire ambiente. Para hacerlo, conectaron este lado del TEG a una parte estándar de la computadora que transfiere energía térmica, llamada disipador de calor, y una base de soporte. El disipador de calor proporcionó un camino para que el aire ambiental llegara al TEG con poca resistencia. También conectaron una lámina de aluminio entre la celda fotovoltaica y el TEG para mejorar la transferencia de calor. Luego aplicaron una grasa de silicona a cada componente para mejorar el flujo de calor.

Para probar su celda fotovoltaica modificada, los científicos la colocaron en un techo con acceso sin obstrucciones al cielo durante cuatro días y noches. Durante ese tiempo, monitorearon continuamente la energía producida por el TEG, la celda fotovoltaica y las temperaturas de la celda fotovoltaica, el disipador de calor y el aire ambiente.

Los científicos observaron que la celda fotovoltaica se calentaba durante el día, con un pico de temperatura al mediodía de aproximadamente 15 °C (59 °F) por encima de la temperatura ambiente. Por la noche, la temperatura de la celda fotovoltaica cayó por debajo de la temperatura del aire ambiente, que fue más pronunciada en noches despejadas, aproximadamente 3 °C (37 °F) más baja. El TEG extrajo energía de las diferencias de temperatura durante el día y la noche.

Los científicos detectaron una pequeña cantidad de energía del TEG durante el día, aproximadamente el 1% de lo que la célula fotovoltaica produjo a partir de la luz solar. Sin embargo, durante la noche midieron una cantidad significativa de energía producida por el TEG, casi el 40 % de la energía producida por la celda fotovoltaica durante el día. También notaron que se producía más energía en las noches despejadas que en las noches nubladas.

Los científicos sugirieron mejorar la generación de energía durante la noche en trabajos futuros mediante la optimización del área de contacto de la célula fotovoltaica y el TEG. También sugieren agregar una capa aislante eléctrica encima de la celda fotovoltaica para aumentar la cantidad de calor emitido durante el enfriamiento radiativo. Llegaron a la conclusión de que la modificación de las células fotovoltaicas existentes podría proporcionar energía a las ubicaciones fuera de la red durante la noche.