Universidad
Politécnica de Madrid

13.03.23

Los dispositivos termofotovoltaicos son una alternativa eficiente a los generadores termoeléctricos para convertir el calor en electricidad. Sin embargo, los sistemas actuales sólo son eficientes cuando la fuente térmica tiene temperaturas por encima de los 1200ºC, lo que limita sus posibles aplicaciones. Un investigador del Instituto de Energía Solar (IES-UPM), de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), propone un nuevo dispositivo que consigue superar esa limitación. Gracias a un nuevo diseño, basado en células termofotovoltaicas bifaciales, es posible convertir el calor radiante en electricidad a temperaturas más bajas que los diseños monofaciales convencionales. Esto permitirá desarrollar sistemas de recuperación de calor y de almacenamiento energético más eficientes y compactos que podrían usarse en aplicaciones domésticas.

La conversión termofotovoltaica se empezó a desarrollar a mediados del siglo XX en el marco de los programas de Defensa de los Estados Unidos. La idea era conseguir una alternativa a los dispositivos termoeléctricos que permitiera convertir el calor en electricidad de forma más eficaz. Sin embargo, la ausencia de materiales de calidad suficientemente alta impidió su desarrollo, y fueron los dispositivos termoeléctricos, con eficiencias de conversión inferiores al 10%, los que se acabaron imponiendo. Desde entonces, los convertidores termoeléctricos se han utilizado de forma generalizada en aplicaciones militares y espaciales, incluidas las misiones Apolo que nos llevaron a la Luna, pero su baja eficiencia ha impedido su uso masivo para generación de electricidad a gran escala.

Mientras tanto, la investigación en dispositivos termofotovoltaicos siguió su camino y poco a poco, se lograron resolver sus limitaciones. A principios de los 2000, un equipo de investigación de los Estados Unidos consiguió demostrar por primera vez una eficiencia superior al 20%, y muy recientemente, otros equipos también de los Estados Unidos han logrado demostrar eficiencias de hasta un 40%. Estos resultados han situado a la tecnología termofotovoltaica al nivel de las mejores máquinas térmicas utilizadas en la actualidad para generar electricidad a gran escala. Pero con una gran ventaja: las células termofotovoltaicas no requieren de partes móviles, lo cual permite hacer sistemas más sencillos y compactos. Por este motivo, varios centros de investigación y empresas se han apresurado a desarrollar soluciones que incorporan estos dispositivos. Por ejemplo, las denominadas “baterías termofotovoltaicas” desarrolladas por la UPM y su spin off Thermophoton, que recientemente han sido galardonadas con el premio radar a la innovación europea.

Sin embargo, los dispositivos termofotovoltaicos actuales tienen una limitación importante: que sólo son eficientes a temperaturas muy altas, por encima de los 1200ºC aproximadamente. A temperaturas inferiores su eficiencia no supera el 20%. Esta limitación se debe a cómo están diseñados los dispositivos actuales. Un convertidor termofotovoltaico convencional consta de una célula fotovoltaica y un espejo colocado en su cara posterior. Cuando la célula se expone a radiación incandescente los fotones con energía suficiente se absorben en la célula y producen electricidad. Pero los fotones poco energéticos (denominados “de infrarrojo”) se transmiten a través de la célula, se reflejan en el espejo y se devuelven emisor incandescente, recalentándolo. Este último paso de “recalentamiento” es clave para que la eficiencia sea elevada, ya que, si no, los fotones poco energéticos serían desaprovechados.

El problema es que cuando la temperatura de la incandescencia disminuye, la energía de los fotones también disminuye, y, por lo tanto, el espejo es responsable de reflejar una mayor cantidad de fotones de infrarrojo. Se impone, por tanto, la utilización de espejos muy eficientes, mucho más eficientes de los que existen en la actualidad. Con los espejos actuales es muy difícil alcanzar eficiencias elevadas a temperaturas menores de 1200ºC.

“La célula bifacial termofotovoltaica propuesta y patentada por la UPM resuelve este problema eliminando el uso de espejos” señala Alejandro Datas, el inventor de dicha célula. En su lugar, la célula se introduce en una cavidad incandescente para captar radiación por ambas caras. A diferencia de las células convencionales, los fotones poco energéticos atraviesan la célula y se reabsorben directamente en el emisor. Además, como la célula se ilumina por ambas caras, la potencia generada es el doble de la generada por una célula convencional. “Este último aspecto es clave, ya que permite producir el doble de potencia sin aumentar el coste del dispositivo, es decir, permite reducir el coste de la potencia generada a la mitad”, explica el investigador.

Una de las claves del diseño es que la célula se refrigera por los cantos. Las simulaciones realizadas predicen que de esta forma es posible mantener las células a una temperatura razonablemente baja, por debajo de los 80ºC sin pérdidas significativas de eficiencia.

El estudio, recientemente publicado en la revista ACS Photonics, concluye que las células termofotovoltaicas bifaciales permitirían la conversión eficiente del calor radiante en electricidad a temperaturas más bajas que los diseños monofaciales convencionales. Por lo tanto, podrían usarse para la recuperación de calor residual industrial o en sistemas de almacenamiento de energía térmica. Las denominadas baterías termofotovoltaicas suelen almacenar calor a temperaturas superiores a los 1200ºC para que, entre otras cosas, la conversión termofotovoltaica sea eficiente. “El uso de células termofotovoltaicas bifaciales en estos sistemas permitiría bajar la temperatura de operación, propiciando el desarrollo de sistemas más pequeños que podrían usarse no solo para el almacenamiento de energía a escala de red, sino también en aplicaciones domésticas”, concluye Alejandro Datas.

A. Datas. Bifacial Thermophotovoltaic Energy Conversion. ACS Photonics 2023.
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c01839