Una nueva arruga en una tecnología antigua, la termofotovoltaica de estado sólido TPV, podría proporcionar una alternativa de alta eficiencia para convertir directamente el calor de alta temperatura de energía solar térmica concentrada a electricidad a escala de servicio público.
El nuevo modelo de computadora sugiere que la conversión de TPV a alta temperatura, que captura la radiación infrarroja de superficies muy calientes, podría algún día competir con los sistemas de turbina de ciclo combinado cuando se combina con almacenamiento térmico utilizando metal líquido a temperaturas de alrededor de 1.300 grados Celsius.-los componentes de temperatura y el modelado mejorado del sistema, combinados con el potencial de costos de conversión en un orden de magnitud menor que los de las turbinas, sugieren que TPV podría ofrecer una vía para almacenar y producir energía eléctrica de manera eficiente a partir de fuentes termales solares, sugiere un nuevo estudio.
Las tecnologías subyacentes de almacenamiento a alta temperatura y conversión termo-fotovoltaica también podrían usarse para producir baterías a escala de red que puedan complementar rápidamente otras fuentes de energía almacenando calor para una rápida conversión a electricidad. La investigación, respaldada por ARPA-E, se informó en julio4 en el diario E ciencia nergy y ambiental por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia.
"El objetivo de nuestro estudio era proporcionar una transferencia de calor y una perspectiva termodinámica en un sistema que combina energía solar concentrada CSP con almacenamiento térmico y TPV para mostrar que dicho sistema merece una atención renovada", dijo Asegun Henry,profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff en Georgia Tech. "En el contexto del sistema completo, sugerimos que la eficiencia algún día podría rivalizar con los mejores motores de calor disponibles en el planeta hoy".
TPV funciona según el mismo principio que las células solares de uso generalizado hoy en día, pero convierte los fotones en longitudes de onda infrarrojas en lugar de aquellas en el espectro visible. El infrarrojo es el tipo predominante de calor y luz emitidos por calentadores que brillan al rojo vivo.
La mayoría de las investigaciones reportadas en la literatura sobre energía sugieren que la tasa de conversión de TPV sería inferior al 20 por ciento, no competitiva con otras máquinas de calor. Pero Henry cree que esos cálculos no consideran adecuadamente las longitudes de onda de conversión ni explican las eficiencias posibles cuando la totalidadse considera el sistema de suministro de calor.
"Todo el sistema podría ser bastante eficiente si entendemos por dónde fluye el calor y diseñamos adecuadamente", dijo Henry. "Creemos que hay una vía para hacer que estas células de TPV sean un orden de magnitud más barato que las turbinas para convertir energía térmica enelectricidad."
El calor sería suministrado por un sistema CSP que recolecta la energía térmica del sol usando reflectores. El calor se usaría para fundir el silicio, que podría almacenarse en grandes depósitos aislados hasta que fuera necesario; el calor se liberaría a medida que el silicio se solidifique.Al mover las células de TPV cuando no se necesita energía, el sistema podría encenderse y apagarse rápidamente para complementar la electricidad del viento o de fuentes solares fotovoltaicas directas, dijo Henry.
"Es el sueño de las compañías de servicios públicos tener un recurso que pueda pasar de cero a plena potencia en cuestión de segundos", dijo. "Con el aislamiento y el sombreado adecuados de las celdas, podríamos encenderlas y apagarlas más rápido".que cualquier otra tecnología de conversión "
El desafío crítico para hacer que la energía renovable sea competitiva con los combustibles fósiles a escala de servicios públicos es hacer que la electricidad sea despachable. Las ventajas de costo del almacenamiento térmico sobre el almacenamiento electroquímico también hacen que un TPV con sistema de almacenamiento de energía térmica TES sea atractivo para convertir y almacenar energíapara usar en la red, dijo Hamid Reza Seyf, un asistente de investigación graduado que realizó el modelado del sistema.
"Estamos combinando las grandes ventajas económicas de TES con el potencial de bajo costo y alto rendimiento derivado de las células TPV fabricadas en sustratos reutilizables, con reflectores traseros de alta reflectividad para el reciclaje de fotones", dijo. "Si se produce energía solar yno es necesario, podría usarlo para producir energía térmica que podría almacenarse y descargarse al bloque de energía de TPV cuando sea necesario. Las vidas extremadamente largas, la alta eficiencia de ida y vuelta y el bajo costo del almacenamiento térmico en comparación con las baterías electroquímicas hacen que el TES sea muyatractivo."
Si el bloque de potencia de TPV pudiera ser 60 por ciento eficiente, podría competir con el motor térmico más eficiente y rentable que se haya logrado comercialmente, lo que se logra a través de un ciclo basado en una turbina en tándem. El costo de las turbinas está bien establecido yes poco probable que vea una disminución significativa, por lo tanto, la única forma de reducir su costo es aumentando su eficiencia. Sin embargo, debido a que las turbinas actuales son extremadamente eficientes y operan cerca de su límite termodinámico, hay poco espacio para mejorar la eficiencia.potencial para reducir el costo, pero también tiene mucho más espacio para mejorar la eficiencia, dijo Seyf.
El modelo computacional muestra que un sistema de TPV junto con energía solar concentrada y almacenamiento podría ser hasta un 65 por ciento eficiente. Pero lograrlo requeriría una iniciativa de investigación a largo plazo.
En su modelo, el grupo estudió los efectos de un reflector de superficie posterior BSR a base de plata para devolver la luz no utilizada al emisor. El estudio cuantificó la importancia de la reflectividad BSR para el rendimiento general del sistema.
El grupo de investigación de Henry demostró recientemente bombas, contenedores de almacenamiento y otros componentes que pueden funcionar a temperaturas extremas de 1.300 grados Celsius y superiores. Los investigadores esperan que su nuevo documento aliente a otros a buscar mejoras de TPV, incluida la fabricación de células de TPV en sustratos reutilizables- eso podría conducir al desarrollo de sistemas del mundo real a costos competitivos con los combustibles fósiles.
"Espero que este documento ayude a unir a la comunidad termo-fotovoltaica y fotovoltaica con la comunidad CSP para darse cuenta de que el sistema térmico y fotovoltaico se aprovecha de ambas partes", dijo Henry. "Este es un motor térmico que puede tener realismouna oportunidad para batir el récord actual. Esta es una tecnología completamente diferente, y aún queda mucha investigación por hacer ".
Este proyecto fue apoyado por el DOE ARPA-E, número de concesión DEAR0000339. Cualquier opinión, hallazgo y conclusión o recomendación expresada en este material corresponde al autor es y no necesariamente refleja los puntos de vista del patrocinador.
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Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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