Una investigación financiada por el Army en la Universidad de Michigan demuestra un nuevo enfoque para convertir la energía térmica en electricidad, algo que podría proporcionar energía compacta y eficiente a los soldados en los futuros campos de batalla.
Con la incorporación de sensores y herramientas de comunicación mejoradas, proporcionar energía ligera y portátil se ha convertido en un reto cada vez mayor. Una investigación financiada por el Ejército ha demostrado un nuevo enfoque para convertir la energía térmica en electricidad que podría proporcionar energía compacta y eficiente a los soldados en los futuros campos de batalla.
Los objetos calientes irradian luz en forma de fotones a su entorno. Los fotones emitidos pueden ser captados por una célula fotovoltaica y convertidos en energía eléctrica útil. Este método de conversión de energía se denomina termofotovoltaica de campo lejano, o FF-TPV, y lleva muchos años desarrollándose; sin embargo, adolece de una baja densidad de potencia y, por tanto, requiere altas temperaturas de funcionamiento del emisor.
La investigación, llevada a cabo en la Universidad de Michigan y publicada en Nature Communications, demuestra un nuevo enfoque, en el que la separación entre el emisor y la célula fotovoltaica se reduce a la nanoescala, lo que permite una potencia mucho mayor que la que es posible con los FF-TPV para la misma temperatura del emisor.
Este método, que permite capturar la energía que de otro modo quedaría atrapada en el campo cercano del emisor, se denomina termofotovoltaica de campo cercano o NF-TPV y emplea diseños de células fotovoltaicas y emisores hechos a medida, ideales para las condiciones de funcionamiento de campo cercano.
Según el Dr. Edgar Meyhofer, profesor de ingeniería mecánica de la Universidad de Michigan, esta técnica presenta una densidad de potencia casi un orden de magnitud superior a la de los mejores sistemas de termofotovoltaica de campo cercano, a la vez que funciona con una eficiencia seis veces mayor, lo que allana el camino para futuras aplicaciones de termofotovoltaica de campo cercano.
«El Ejército consume grandes cantidades de energía durante los despliegues y las operaciones en el campo de batalla, energía que tiene que ser transportada por el soldado o por un equipo de peso limitado», dijo el Dr. Mike Waits, del Army Research Laboratory del U.S. Army Combat Capabilities Development Command. «Si tienen éxito, en el futuro los TPV podrían servir como fuentes de energía más compactas y de mayor eficiencia para los soldados, ya que estos dispositivos pueden funcionar a temperaturas de operación más bajas que los TPV convencionales».
La eficiencia de un dispositivo TPV se caracteriza por la parte de la transferencia total de energía entre el emisor y la célula fotovoltaica que se usa para excitar los pares electrón-hueco en la célula fotovoltaica. Mientras que el aumento de la temperatura del emisor incrementa el número de fotones por encima de la brecha de banda de la célula, es necesario minimizar el número de fotones por debajo de la brecha de banda que pueden calentar la célula fotovoltaica.
Una investigación financiada por el Ejército ha demostrado un nuevo enfoque para convertir la energía térmica en electricidad que podría proporcionar energía compacta y eficiente a los soldados en el campo de batalla.
«Esto se consiguió fabricando células TPV de película fina con superficies ultraplanas y con un reflector posterior metálico», dijo el Dr. Stephen Forrest, profesor de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Michigan. «Los fotones que se encuentran por encima de la banda prohibida de la célula se absorben eficazmente en el semiconductor de un micrómetro de grosor, mientras que los que se encuentran por debajo de la banda prohibida se reflejan en el emisor de silicio y se reciclan».
El equipo cultivó células fotovoltaicas de arseniuro de indio y galio de capa fina en sustratos semiconductores gruesos, y luego peló la región activa semiconductora muy fina de la célula y la transfirió a un sustrato de silicio.
Todas estas innovaciones en el diseño del dispositivo y el enfoque experimental dieron como resultado un novedoso sistema TPV de campo cercano.
«El equipo ha logrado una potencia récord de ~5 kW/m2, que es un orden de magnitud mayor que los sistemas anteriormente citados en la literatura», dijo el Dr. Pramod Reddy, profesor de ingeniería mecánica de la Universidad de Michigan.
Los investigadores también realizaron cálculos teóricos de última generación para estimar el rendimiento de la célula fotovoltaica a cada temperatura y tamaño de hueco y mostraron una buena concordancia entre los experimentos y las predicciones computacionales.
«Esta demostración actual cumple con las predicciones teóricas de la transferencia de calor por radiación a escala nanométrica, y muestra directamente el potencial de desarrollo de futuros dispositivos TPV de campo cercano para aplicaciones del Ejército en materia de potencia y energía, comunicación y sensores», dijo el Dr. Pani Varanasi, director del programa DEVCOM ARL que financió este trabajo.
Fte. Army-mil
