Hoja fotovoltaica multigeneración para producir electricidad, energía térmica y agua

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Investigadores del Imperial College de Londres han desarrollado un nuevo concepto de hoja fotovoltaica (PV-leaf, en inglés) capaz de producir electricidad, energía térmica y agua.

En el estudio “High-efficiency bio-inspired hybrid multi-generation photovoltaic leaf” (Hoja fotovoltaica híbrida multigeneración bioinspirada de alta eficiencia), publicado en nature communications, el equipo de investigación describe el sistema como una hoja fotovoltaica híbrida multigeneración basada en una estructura de transpiración biomimética hecha de fibras de bambú y células de hidrogel apiladas.

La capa de transpiración biomimética (BT), de 1 mm de grosor, mueve el agua de forma pasiva desde un depósito de agua independiente hasta una célula solar de 10 cm × 10 cm colocada encima de la estructura. El agua que fluye sobre la célula es capaz de reducir su temperatura de funcionamiento, aumentando así su eficiencia, y el exceso de calor se utiliza para producir agua y energía térmica. La hoja fotovoltaica sólo está protegida por una capa de vidrio de alta transmitancia de 0,7 mm de grosor.

La estructura utiliza haces de fibras hidrófilas vasculares que distribuyen uniformemente el agua por la hoja fotovoltaica. Se utilizan células de hidrogel para imitar los haces vasculares y las células esponjosas. “En la capa BT, alrededor de 30 ramas de haces de fibras de bambú se incrustan homogéneamente en las células de hidrogel de polímero superabsorbente (SAP) de poliacrilato de potasio (PAAK), distribuyendo el agua por toda el área cubierta por la capa BT”, explican los científicos, que añaden que los bordes de las ramas de fibras se juntan y se empapan de agua.

Los científicos midieron el rendimiento del sistema en condiciones de iluminación estándar y lo compararon con una célula fotovoltaica autónoma de referencia refrigerada por convección natural de aire. Comprobaron que la hoja fotovoltaica alcanzaba una temperatura de 43,2 ºC, mientras que la de la célula de referencia llegaba a 68,8 ºC. “La temperatura del depósito de agua no aislado está próxima a la temperatura ambiente y tiene una ligera influencia en el rendimiento de la refrigeración”, afirmaron.

La hoja fotovoltaica alcanzó una eficiencia de conversión energética del 15,0%, una tensión en circuito abierto de 0,63 V y un factor de llenado de 0,77. La célula de referencia, en cambio, alcanzó una eficiencia del 13,2%, una tensión en circuito abierto de 0,58 V y un factor de llenado de 0,75.

Los académicos también señalaron que el costo de capital de los componentes adicionales requeridos por la hoja fotovoltaica es de aproximadamente 1,1 dólares/m2, lo que representa alrededor del 2% del costo de los paneles solares convencionales. El tiempo de amortización de los componentes adicionales se estima en menos de medio año. “El concepto de hoja fotovoltaica puede ampliarse a colectores de mayor escala, más allá de los cuales incluso las plantas solares de mayor tamaño comercial pueden dividirse en varias áreas pequeñas asignadas a hojas fotovoltaicas separadas e interconectadas”, añadieron refiriéndose a sus posibles aplicaciones en proyectos reales.

“En comparación con estudios anteriores sobre refrigeración por transpiración, la solución de este trabajo no requiere bomba, unidad de control ni materiales porosos caros, y es capaz de enfriar la superficie objetivo a una temperatura significativamente más baja, lo que resulta adecuado para aplicaciones multigeneración, así como aplicaciones de gestión térmica para células fotovoltaicas”, indicó el grupo británico, señalando que el sistema también puede utilizar agua de mar en lugar de agua dulce. “Los resultados de la simulación muestran que la hoja FV tiene un mejor rendimiento de transpiración en climas cálidos y secos”.

Los académicos también afirman que el dispositivo puede ser capaz de generar 1,1 L/h/m2 adicionales de agua dulce bajo una irradiancia solar de 1000 W/m. También creen que el sistema podría utilizar agua de mar en lugar de agua dulce. “Los resultados de la simulación muestran que la hoja FV tiene un mejor rendimiento de transpiración en climas cálidos y secos”, subrayaron.

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