Torres Solares 3-D, ¿el Futuro De La Energía Fotovoltaica?

matrices fotovoltaicas tridimensionales

Jeffrey Grossman y su equipo probaron dos versiones a pequeña escala de matrices fotovoltaicas tridimensionales en una azotea del MIT para medir su producción eléctrica real durante el día. Foto: Allegra Boverman

A medida que continúan los esfuerzos para mejorar la tecnología ecológica y el rendimiento de las células solares fotovoltaicas, un equipo de MIT Los científicos han desarrollado un nuevo diseño que ahorra espacio. Al construir cubos o torres solares que se elevan hacia arriba en configuraciones tridimensionales, el equipo ha demostrado que la potencia de salida varía desde el doble hasta más de 20 veces la de los paneles planos fijos con la misma área de base.

Una intensa investigación en todo el mundo se ha centrado en mejorar el rendimiento de las células solares fotovoltaicas y reducir su coste. Pero se ha prestado muy poca atención a las mejores formas de organizar esas celdas, que generalmente se colocan planas en un tejado u otra superficie, o en ocasiones unidas a estructuras motorizadas que mantienen las celdas apuntando hacia el sol mientras cruza el cielo.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT ha ideado un enfoque muy diferente: construir cubos o torres que extienden las células solares hacia arriba en configuraciones tridimensionales. Sorprendentemente, los resultados de las estructuras que han probado muestran una potencia de salida que oscila entre el doble y más de 20 veces la de los paneles planos fijos con la misma área de base.

Los mayores aumentos de potencia se produjeron en las situaciones en las que más se necesitaban mejoras: en lugares alejados del ecuador, en los meses de invierno y en los días más nublados. Los nuevos hallazgos, basados ​​en modelos informáticos y pruebas al aire libre de módulos reales, se han publicado en la revista Energy and Environmental Science .

“Creo que este concepto podría convertirse en una parte importante del futuro de la energía fotovoltaica”, dice el autor principal del artículo, Jeffrey Grossman, profesor asociado de desarrollo de carrera de Carl Richard Soderberg de ingeniería energética en el MIT.

El equipo del MIT utilizó inicialmente un algoritmo informático para explorar una enorme variedad de configuraciones posibles y desarrolló un software analítico que puede probar cualquier configuración dada en una amplia gama de latitudes, estaciones y clima. Luego, para confirmar las predicciones de su modelo, construyeron y probaron tres arreglos diferentes de células solares en el techo de un edificio de laboratorio del MIT durante varias semanas.

Si bien el costo de una determinada cantidad de energía generada por dichos módulos 3-D excede al de los paneles planos ordinarios, el gasto se compensa parcialmente con una producción de energía mucho mayor para una huella determinada, así como una producción de energía mucho más uniforme a lo largo del curso. de un día, durante las estaciones del año y ante el bloqueo de las nubes o las sombras. Estas mejoras hacen que la producción de energía sea más predecible y uniforme, lo que podría hacer que la integración con la red eléctrica sea más fácil que con los sistemas convencionales, dicen los autores.

La razón física básica para la mejora en la producción de energía, y para la producción más uniforme a lo largo del tiempo, es que las superficies verticales de las estructuras 3-D pueden recolectar mucha más luz solar durante las mañanas, las noches y los inviernos, cuando el sol está más cerca del horizonte. , dice el coautor Marco Bernardi, estudiante de posgrado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE) del MIT.

Ha llegado el momento de tal innovación, añade Grossman, porque las células solares se han vuelto menos costosas que las estructuras de soporte, el cableado y la instalación que las acompañan. A medida que el costo de las propias células continúe disminuyendo más rápidamente que estos otros costos, dicen, las ventajas de los sistemas 3-D crecerán en consecuencia.

“Incluso hace 10 años, esta idea no se habría justificado económicamente porque los módulos cuestan tanto”, dice Grossman. Pero ahora, agrega, “el costo de las celdas de silicio es una fracción del costo total, una tendencia que continuará a la baja en el futuro cercano”. Actualmente, hasta el 65 por ciento del costo de la energía fotovoltaica (PV) está asociado con la instalación, el permiso para el uso de la tierra y otros componentes además de las propias células.

Aunque el modelado por computadora de Grossman y sus colegas mostró que la mayor ventaja provendría de formas complejas, como un cubo donde cada cara tiene hoyuelos hacia adentro, estas serían difíciles de fabricar, dice la coautora Nicola Ferralis, científica investigadora en DMSE. Los algoritmos también se pueden utilizar para optimizar y simplificar formas con poca pérdida de energía. Resulta que la diferencia en la producción de energía entre estas formas optimizadas y un cubo más simple es solo de un 10 a un 15 por ciento, una diferencia que se ve eclipsada por el rendimiento enormemente mejorado de las formas 3-D en general, dice. El equipo analizó formas cúbicas más simples y más complejas en forma de acordeón en sus pruebas experimentales en la azotea.

Al principio, los investigadores se angustiaron cuando pasaron casi dos semanas sin un día despejado y soleado para sus pruebas. Pero luego, al observar los datos, se dieron cuenta de que habían aprendido lecciones importantes de los días nublados, que mostraban una gran mejora en la producción de energía en comparación con los paneles planos convencionales.

Para una torre similar a un acordeón, la estructura más alta que el equipo probó, la idea era simular una torre que “se podía enviar plana y luego desplegar en el sitio”, dice Grossman. Dicha torre podría instalarse en un estacionamiento para proporcionar una estación de carga para vehículos eléctricos, dice.

Hasta ahora, el equipo ha modelado módulos 3D individuales. El siguiente paso es estudiar una colección de tales torres, teniendo en cuenta las sombras que una torre arrojaría sobre otras en diferentes momentos del día. En general, las formas 3-D podrían tener una gran ventaja en cualquier lugar donde el espacio sea limitado, como instalaciones en azoteas planas o en entornos urbanos, dicen. Estas formas también podrían usarse en aplicaciones a mayor escala, como granjas solares, una vez que se minimizan cuidadosamente los efectos de sombra entre torres.

Algunos otros esfuerzos, incluido incluso un proyecto de feria de ciencias de la escuela secundaria el año pasado, han intentado arreglos en 3-D de células solares. Pero, dice Grossman, “nuestro estudio es de naturaleza diferente, ya que es el primero en abordar el problema con un análisis sistemático y predictivo”.

David Gracias, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular en la Universidad Johns Hopkins que no participó en esta investigación, dice que Grossman y su equipo “han demostrado evidencia teórica y de prueba de concepto de que los elementos fotovoltaicos 3-D podrían proporcionar beneficios significativos en términos de capturar la luz en diferentes ángulos. El desafío, sin embargo, es producir estos elementos en masa de manera rentable “.

Imagen: Allegra Boverman

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