Un grupo de científicos de la Universidad de Energía Eléctrica del Norte de China ha desarrollado un sistema energético híbrido que combina la energía fotovoltaica concentrada (CVP, por sus iniciales en inglés) y las termoceldas iónicas líquidas (iTEC).
“La aplicación de termoceldas iónicas en la utilización en cascada solar de espectro completo de sistemas fotovoltaicos concentrados ha demostrado ser factible con ventajas significativas de bajo coste, alto rendimiento y funcionamiento flexible”, declaró a pv magazine el autor principal de la investigación, Zhuo Liu, señalando que las iTEC se utilizaron como alternativa a los generadores termoeléctricos (TEG) comúnmente utilizados. “Durante la comparación, está claro que el iTEC, con la doble capacidad de conversión de calor en electricidad y refrigeración fotovoltaica, puede simplificar significativamente la estructura general del sistema híbrido y ahorrar costes al eliminar el costoso TEG, lo que resulta prometedor para la aplicación práctica”.
Los TEG pueden convertir el calor en electricidad a través del “efecto Seebeck”, que se produce cuando una diferencia de temperatura entre dos semiconductores distintos produce una diferencia de tensión entre dos sustancias. Estos dispositivos se utilizan habitualmente en aplicaciones industriales para convertir el exceso de calor en electricidad. Sin embargo, su elevado coste y escaso rendimiento han limitado hasta ahora su adopción a mayor escala.
Los iTEC también pueden convertir calor de baja calidad en electricidad y, según los investigadores, son menos caros que los TEG. Además, tienen un coeficiente Seebeck iónico lo bastante alto como para garantizar una recogida eficaz del calor residual y la refrigeración fotovoltaica en los sistemas CPV. “Aunque las propiedades termoeléctricas de iTEC pueden disminuir debido a la menor diferencia de temperatura al aumentar la transferencia de calor, el rendimiento eléctrico y térmico global del sistema híbrido CPV-iTEC mejoraría debido a la mayor potencia de la fotovoltaica con menor temperatura”, explicaron.
El sistema híbrido CPV-iTEC consta de una lente Fresnel, una célula fotovoltaica y un iTEC con flujo electrolítico. Utiliza el calor residual generado por la unidad fotovoltaica para producir energía adicional mediante el efecto termogalvánico de los iTEC, lo que a su vez aumenta la producción global del sistema. El iTEC se fija a la parte posterior de la célula fotovoltaica mediante grasa térmica de alta conductividad térmica.
“La potencia total del sistema híbrido CPV-iTEC se compone principalmente de la potencia eléctrica de la fotovoltaica y la iTEC, y de la potencia térmica de los electrolitos que fluyen en la iTEC”, subrayan los académicos. “La potencia de salida de iTEC depende de la estructura del canal y de las propiedades de los electrolitos/electrodos”.
El grupo comparó el rendimiento del sistema híbrido con el de un sistema de referencia que utilizaba un generador TEG en lugar de iTECs. Este último utilizaba, para la refrigeración de la célula fotovoltaica, un disipador de calor de agua unido mediante grasa térmica a su parte trasera.
Durante los análisis experimentales y numéricos, los científicos descubrieron que la presencia de iTEC puede disminuir significativamente la temperatura del panel fotovoltaico de 351,30 K a 325,14 K, y ampliar así la relación de concentración disponible de 1~21 a 1~39 en comparación con el CPV-TEG típico, alcanzando una potencia de salida superior de 16,61 W.
“Durante la optimización de electrolitos/electrodos redox avanzados, la eficiencia energética puede alcanzar el 49,63% en 21 relaciones de concentración, lo que supone un 5,06% más que la del CPV-TEG, y mostrar un coste global un 22,65% menor”, declaró Liu. “Puede superar, en cierta medida, los problemas técnicos de alto coste y baja eficiencia de los actuales sistemas híbridos CPV-TEG. Puede aplicarse ampliamente en centrales de suministro de energía como la cogeneración distribuida y las centrales fotovoltaicas de concentración”.
El sistema se presentó en el artículo “A novel concentrated photovoltaic and ionic thermocells hybrid system for full-spectrum solar cascade utilization” (Un novedoso sistema híbrido de termocélulas iónicas y fotovoltaicas concentradas para la utilización de cascada solar de espectro completo), publicado recientemente en Applied Energy.
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