Diseños inovativos tridimensionales de un equipo del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) pueden más que doblar la energía solar generada de un área dada.
David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés).
Investigación intensiva alrededor del mundo se ha enfocado en mejorar el rendimiento de las celdas solares fotovoltaicas y reducir su costo. Pero muy poca atención ha sido prestada a las mejores maneras de acomodar esas celdas, que típicamente se colocan planas en un techo u otra superficie, o a veces se unen a estructuras motorizadas que mantienen las celdas apuntando hacia el sol según cruza el cielo.
Ahora, un equipo de investigadores del MIT ha encontrado un acercamiento muy diferente: construir cubos o torres que extienden las celdas solares hacia arriba en configuraciones tridimensionales. Increíblemente, los resultados de las estructuras que han probado muestran una salida de energía que va desde el doble hasta más de 20 veces aquella de paneles planos fijos con la misma área de la base.
Los mayores incrementos de energía fueron vistos en las situaciones donde las mejoras eran más necesitadas: en lugares lejos del ecuador, en los meses de invierno y en días nublados. Los nuevos hallazgos, basados en modelado con computadora y pruebas al aire libre de módulos reales, han sido publicados en el diario Energy and Environmental Science (Ciencia de Energía y Ambiental).
“Pienso que este concepto podría convertirse en una parte importante del futuro de la fotovoltaica”, dice el autor principal de la revista académica, Jeffrey Grossman, el profesor asociado de Desarrollo de Carreras de Ingeniería de Energía en el MIT.
El equipo del MIT inicialmente usó un algoritmo computacional para explorar una enorme variedad de configuraciones posibles, y desarrolló software analítico que puede probar cualquier configuración dada bajo un rango completo de latitudes, temporadas y clima. Entonces, para confirmar las predicciones de su modelo, construyeron y probaron tres diferentes acomodos de celdas solares en el techo de un edificio de laboratorios del MIT por varias semanas.
Mientras que el costo de una cantidad de energía dada generada por dichos modelos tridimensionales excede en los paneles planos ordinarios, el costo es parcialmente balanceado por una salida de energía mucho más alta de un área dada, así como una salida de energía mucho más uniforme en el curso del día, en las temporadas del año, y en presencia de bloqueo de nubes y sombras. Estas mejoras vuelven la salida de energía más predecible y uniforme, lo que podría hacer la integración con la red de energía más fácil que los sistemas convencionales, dicen los autores.
La razón física baja para las mejoras en la salida de energía – y para la salida más uniforme en el tiempo – es que las superficies verticales de las estructuras tridimensionales pueden recolectar mucha más luz del sol por las mañanas, tardes e inviernos, cuando el sol es más cercano al horizonte, dice el coautor Marco Bernardi, un estudiante graduado en el Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería (DMSE) del MIT.
El tiempo es perfecto para dicha inovación, agrega Grossman, por que las celdas solares se han vuelto más económicas que las estructuras que las soportan, el cableado y la instalación. Conforme el costo de las mismas celdas continua declinando más rápidamente que estos otros costos, dicen, las ventajas de los sistemas tridimensionales crecerán de la misma manera.
“Incluso hace 10 años, esta idea no habría sido económicamente justificable por que los módulos costarían demasiado,” dice Grossman. Pero ahora, agrega, “el costo de las celdas de silicio es una fracción del costo total, una tendencia que continuará bajando en el futuro cercano”. Actualmente, hasta 65 por ciento del costo de la energía fotovoltaica (PV) está asociada con la instalación, permisos para uso del suelo y otros componentes además de las celdas mismas.
Aunque el modelado por computadora de Grossman y sus colegas mostró que la mayor ventaja sería obtenida de formas complejas – como un cubo donde cada cara está curveada hacia adentro – estás serían difíciles de construir, dice el coautor Nicola Ferralis, un científico investigador en DMSE. Los algoritmos también pueden ser usados para optimizar y simplificar formas con poca pérdida de energía. Resulta ser que la diferencia de salida de energía entre dichas formas optimizadas y un cubo simple es solo de 10 a 15 por ciento – una diferencia que es eclipsada por la gran mejora de rendimiento de las formas tridimensionales en general, dice. El equipo analizó las simples formas cúbicas y las formas más complejas similares a un acordeón en las pruebas experimentales en su tejado.
Al principio, los investigadores estuvieron afligidos cuando pasaron casi dos semanas sin un día claro y soleado para sus pruebas. Pero entonces, viendo los datos, se dieron cuenta de que habían aprendido importantes lecciones de los días nublados, que mostraron una mejora enorme en la salida de energía sobre los paneles planos convencionales.
Para la torre similar a un acordeón – la estructura más amplia que el equipo probó – la idea era simular una torre que “pudieras enviar plana, y entonces pudiera desdoblarse en el lugar”, dice Grossman. Dicha torre podría ser instalada en un estacionamiento para proveer una estación de recarga de vehículos eléctricos, dijo.
Hasta ahora, el equipo ha modelado módulos individuales tridimensionales. Un próximo paso es estudiar una colección de dichas torres, tomando en cuenta las sombras que una torre podría crearle a las otras a diferentes horas del día. En general, formas tridimensionales podrían tener una gran ventaja en cualquier lugar donde el espacio es limitado, como instalaciones de techos planos o en entornos urbanos, dicen. Dichas formas también podrían ser usadas en aplicaciones de gran escala, como granjas solares, una vez que los efectos entre las torres sean cuidadosamente minimizados.
Algunos otros esfuerzos – incluyendo incluso un proyecto de una feria de ciencia de escuela media el año pasado – han intentando acomodos tridimensionales de celdas solares. Pero, dice Grossman, “nuestro estudio es diferente en naturaleza, ya que es el primer acercamiento al problema con un análisis sistemático y predictivo”.
David Gracias, un profesor asociado de ingeniería química y biomolecular en la Universidad John Hopkins quien no estuvo involucrado en esta investigación, dice que Grossman y su equipo “han demostrado evidencia teórica y una prueba de concepto de que elementos fotovoltaicos tridimensionales podrían proveer beneficios significativos en términos de capturar la luz en diferentes ángulos. El desafío, sin embargo, es el producir masivamente estos elementos de una manera efectiva en cuanto a costos”.
Reimpreso con permiso de MIT News.
Fuente
http://web.mit.edu/ (en inglés)
