Universidad de Rochester desarrolla generador solar termoeléctrico 15 veces más eficiente

Investigadores crean un generador solar termoeléctrico 15 veces más eficiente que los dispositivos actuales

En la búsqueda de la independencia energética, los investigadores han estudiado los generadores solares termoeléctricos (STEGs) como una fuente prometedora de generación de electricidad solar. A diferencia de la fotovoltaica utilizada actualmente en la mayoría de paneles solares, los STEGs pueden aprovechar todo tipo de energía térmica además de la luz solar. Estos dispositivos simples tienen lados calientes y fríos con materiales semiconductores en el medio, y la diferencia de temperatura entre los lados genera electricidad a través de un fenómeno físico conocido como efecto Seebeck.

Pero los STEGs actuales tienen importantes limitaciones de eficiencia que les impiden ser adoptados más ampliamente como una forma práctica de producción de energía. En este momento, la mayoría de generadores solares termoeléctricos convierten menos del 1 por ciento de la luz solar en electricidad, comparado con aproximadamente el 20 por ciento de los sistemas residenciales de paneles solares.

Un avance revolucionario en eficiencia

Esa brecha en eficiencia se redujo drásticamente a través de nuevas técnicas desarrolladas por investigadores del Instituto de Óptica de la Universidad de Rochester. En un estudio publicado en Light: Science and Applications, el equipo describió sus métodos únicos de ingeniería espectral y gestión térmica para crear un dispositivo STEG que genera 15 veces más potencia que los dispositivos anteriores.

«Durante décadas, la comunidad de investigación se ha estado enfocando en mejorar los materiales semiconductores utilizados en STEGs y ha hecho modestas ganancias en eficiencia general», dice Chunlei Guo, profesor de óptica y física y científico senior en el Laboratorio para Energías Láser de Rochester. «En este estudio, ni siquiera tocamos los materiales semiconductores, en su lugar, nos enfocamos en los lados caliente y frío del dispositivo. Al combinar mejor absorción de energía solar y captura de calor en el lado caliente con mejor disipación de calor en el lado frío, hicimos una mejora asombrosa en eficiencia».

Tres estrategias innovadoras para máxima eficiencia

Los nuevos STEGs de alta eficiencia fueron diseñados con tres estrategias clave:

1. Tecnología de metal negro en el lado caliente

En el lado caliente del STEG, los investigadores utilizaron una tecnología especial de metal negro desarrollada en el laboratorio de Guo para transformar tungsteno regular y absorber selectivamente luz en las longitudes de onda solares. Usando poderosos pulsos láser de femtosegundo para grabar superficies metálicas con estructuras a nanoescala, mejoraron la absorción de energía del material de la luz solar, mientras también reducían la disipación de calor en otras longitudes de onda.

2. Efecto invernadero con plástico

Segundo, los investigadores «cubrieron el metal negro con una pieza de plástico para hacer un mini invernadero, justo como en una granja», dice Guo. «Puedes minimizar la convección y conducción para atrapar más calor, aumentando la temperatura en el lado caliente».

3. Disipador de calor mejorado en el lado frío

Por último, en el lado frío del STEG, usaron nuevamente pulsos láser de femtosegundo, pero esta vez en aluminio regular, para crear un disipador de calor con estructuras diminutas que mejoraron la disipación de calor tanto por radiación como por convección. Ese proceso duplica el rendimiento de enfriamiento de un disipador de calor de aluminio típico.

Aplicaciones prácticas y potencial futuro

En el estudio, Guo y su equipo de investigación proporcionaron una demostración simple de cómo sus STEGs pueden ser utilizados para alimentar LEDs mucho más efectivamente que los métodos actuales. Guo dice que la tecnología también podría ser utilizada para:

• Alimentar sensores inalámbricos para el Internet de las Cosas
• Impulsar dispositivos portables
• Servir como sistemas de energía renovable fuera de la red en áreas rurales

Precisión con pulsos láser ultrarrápidos

La clave del éxito radica en el uso de pulsos láser de femtosegundo para crear nanoestructuras en las superficies metálicas. Estos pulsos ultrarápidos permiten un grabado de precisión que transforma las propiedades térmicas y ópticas de los metales ordinarios, creando materiales con capacidades extraordinarias de absorción y disipación de energía.

Esta investigación representa un cambio de paradigma en el enfoque hacia los generadores termoeléctricos solares, alejándose de las mejoras incrementales en materiales semiconductores hacia innovaciones revolucionarias en diseño de sistemas. Con un aumento de eficiencia de 15 veces, esta tecnología podría finalmente hacer que los STEGs sean una alternativa viable a los paneles solares tradicionales en ciertas aplicaciones.