Nuevos proyectos acercan la tecnología termofotovoltaica a la comercialización

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A lo largo de los últimos tres años, el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) se ha asociado con Antora Energy y el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) para participar en dos proyectos separados en tecnología termofotovoltaica (TPV). TPV captura la energía irradiada como luz infrarroja de objetos calientes y convierte esa radiación en electricidad con alta eficiencia utilizando células fotovoltaicas especialmente diseñadas.

La tecnología TPV no es un descubrimiento nuevo. Durante la década de 1990, NREL llevó a cabo una investigación sobre TPV dirigida por los científicos ahora retirados Tim Coutts y Mark Wanlass. La investigación fue financiada por la Marina de los EE. UU. En busca de una fuente de calor alternativa para aplicaciones militares.

Ahora, esta tecnología está regresando. NREL tiene una larga trayectoria en el desarrollo de dispositivos fotovoltaicos de eficiencia récord que dan forma a aplicaciones comerciales. Al colaborar con NREL, los socios trabajan con investigadores que han diseñado tecnologías fotovoltaicas galardonadas y que establecen récords, como células solares y células TPV, incluida la fabricación rápida con procesamiento fotolitográfico y múltiples técnicas de epitaxia en fase de vapor.

TPV tiene la capacidad de convertirse en una solución para dispositivos y sistemas para una variedad de aplicaciones de alto impacto donde la robustez proporcionada por la ausencia de partes móviles es crucial. NREL tiene una posición integral para hacer avanzar la tecnología TPV con un potencial de avance. Para alcanzar este potencial, NREL está ayudando a los socios a llevar sus ideas al mercado y alcanzar puntos de referencia de rendimiento y eficiencia. Tanto el proyecto Antora Energy como el MIT han logrado eficiencias récord de más del 35%, un nivel de rendimiento muy competitivo.

El equipo de NREL no solo tiene la capacidad de demostrar eficiencias récord, sino que también puede modelar, probar, simular e integrar experimentos con hardware de energía real para desarrollar métodos de co-optimización en tiempo real con la red. En la Instalación de Integración de Sistemas de Energía de NREL, la infraestructura de integración de sistemas permite el estudio del desempeño tecnológico dentro de sistemas más grandes. Mediante el uso de modelos y recursos analíticos para estudiar la cadena de suministro, los costos de la electricidad y el futuro despliegue en el mercado de los dispositivos TPV, NREL ayuda a los socios a prever el impacto de los nuevos productos en una variedad de escenarios tecnoeconómicos.

Con financiación de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía (ARPA-E) y a través del Acelerador Shell GameChanger Powered by NREL (GCxN), Antora Energy utilizó las instalaciones de fabricación de NREL para desarrollar células TPV más grandes y mover su tecnología hacia la comercialización y el almacenamiento de energía a escala de red. La tecnología de Antora almacena energía en forma de calor de alta temperatura, utilizando sólidos abundantes en la Tierra que se calientan a> 1000 ° C y se aíslan. Si bien la mayoría de las tecnologías de baterías químicas solo tienen almacenamiento de duración media, las de Antora pueden proporcionar energía durante días. Antora estima que este proyecto ha resultado en un almacenamiento de energía que cuesta menos de 1/20th de otras tecnologías de baterías convencionales.

NREL también está trabajando en otro proyecto de almacenamiento de energía de red de base térmica con un grupo de investigación del MIT dirigido por el profesor Asegun Henry en el Departamento de Ingeniería Mecánica, que tiene como objetivo comercializar eventualmente la tecnología TPV para aplicaciones de almacenamiento de energía. El aspecto TPV de este proyecto, también financiado por ARPA-E, se centra en el uso de arquitecturas de dispositivos novedosas con banda prohibida alta para mejorar la eficiencia de TPV y estudia las vías de reducción de costos para la fabricación. El proyecto del MIT continuará hasta finales de febrero de 2022.

NREL y MIT desarrollaron celdas TPV en tándem de banda prohibida alta para la conversión de calor> 2000 ° C. (Izquierda) Una celda TPV montada en una platina de placa fría que fue diseñada para mantener la celda a 25 ° C a pesar del ambiente extremadamente caluroso. (Derecha) Una placa fría en blanco está a punto de cargarse en un horno a 2000 ° C para una medición de calibración. Fotos de Alina LaPotin, MIT

“Nos encantaría seguir trabajando en estos proyectos”, dijo el investigador principal de NREL, Myles Steiner. “Nunca ha habido una aplicación fotovoltaica relacionada con la energía térmica que se haya comercializado por completo: las celdas son caras, las eficiencias no han sido muy altas y los sistemas pueden ser complejos. Pero estos proyectos han llevado la eficiencia a niveles récord, a mediados de los 30 o más. Si a eso le sumamos esperanzadoras reducciones en los costos, eso podría ser habilitador “.

El equipo de NREL en estos dos proyectos también incluyó a Eric Tervo, Ryan France, Kevin Schulte, Daniel Friedman, Michelle Young y Jeff Carapella, así como al estudiante de doctorado Madhan Arulanandam y su asesor Richard King de la Universidad Estatal de Arizona.

Los investigadores de NREL han comenzado recientemente otros proyectos en el campo de TPV. Eric Tervo está liderando un nuevo proyecto de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio (LDRD) que investiga el rendimiento de las celdas TPV de banda prohibida baja cuando la fuente de calor está situada a solo 100 nm de la celda, una distancia aproximadamente 1000 veces menor que el diámetro de una celda. cabello humano.

“Mantener una gran diferencia de temperatura entre la fuente de calor y la celda a esta escala, y en un área considerable, es muy desafiante”, dijo Tervo, becario postdoctoral Nozik del director de NREL. “Pero la densidad de potencia generada por este tipo de sistema TPV de campo cercano puede ser significativamente mayor que en un sistema TPV más tradicional, y eso puede abrir una amplia variedad de nuevos espacios de aplicación”.

La investigación detrás de la tecnología TPV podría cambiar las energías renovables para el futuro. NREL está creando los materiales y métodos que permitirán que TPV tenga un impacto en aplicaciones que incluyen la recuperación de energía del calor industrial residual, la electrónica portátil, la generación eléctrica silenciosa a partir de la energía nuclear y el almacenamiento en la red. El camino hacia la comercialización de TPV está muy avanzado.

Para obtener más información sobre la investigación de TPV de NREL, comuníquese con Myles Steiner.

—Kassidy Gamble

Artículo cortesía de Laboratorio Nacional de Energías Renovables.

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