Los ingenieros del MIT y el Laboratorio Nacional de Energía Renovable NREL han diseñado un motor térmico sin partes móviles. Sus nuevas demostraciones muestran que convierte el calor en electricidad con una eficiencia de más del 40 por ciento, un rendimiento mejor que el de las turbinas de vapor tradicionales..
El motor térmico es una celda termofotovoltaica TPV, similar a las celdas fotovoltaicas de un panel solar, que captura pasivamente fotones de alta energía de una fuente de calor al rojo vivo y los convierte en electricidad. El diseño del equipo puede generar electricidad a partir de una fuente de calorfuente de entre 1900 y 2400 grados Celsius, o hasta unos 4300 grados Fahrenheit.
Los investigadores planean incorporar la celda TPV en una batería térmica a escala de red. El sistema absorbería el exceso de energía de fuentes renovables como el sol y almacenaría esa energía en bancos de grafito caliente fuertemente aislados. Cuando se necesita la energía, comocomo en los días nublados, las células TPV convertirían el calor en electricidad y enviarían la energía a una red eléctrica.
Con la nueva celda TPV, el equipo ahora ha demostrado con éxito las partes principales del sistema en experimentos separados a pequeña escala. Están trabajando para integrar las partes para demostrar un sistema completamente operativo. A partir de ahí, esperan escalarel sistema para reemplazar las plantas de energía impulsadas por combustibles fósiles y habilitar una red eléctrica completamente descarbonizada, abastecida completamente por energía renovable.
"Las celdas termofotovoltaicas fueron el último paso clave para demostrar que las baterías térmicas son un concepto viable", dice Asegun Henry, profesor de desarrollo profesional Robert N. Noyce en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. "Este es un paso absolutamente crítico en el caminopara proliferar las energías renovables y llegar a una red totalmente descarbonizada".
Henry y sus colaboradores han publicado hoy sus resultados en la revistaNaturaleza. Los coautores del MIT incluyen a Alina LaPotin, Kevin Schulte, Kyle Buznitsky, Colin Kelsall, Andrew Rohskopf y Evelyn Wang, profesora de ingeniería de Ford y jefa del Departamento de Ingeniería Mecánica, junto con colaboradores del NREL en Golden,Colorado.
Saltando la brecha
Más del 90 por ciento de la electricidad del mundo proviene de fuentes de calor como el carbón, el gas natural, la energía nuclear y la energía solar concentrada. Durante un siglo, las turbinas de vapor han sido el estándar industrial para convertir dichas fuentes de calor en electricidad.
En promedio, las turbinas de vapor convierten de manera confiable alrededor del 35 por ciento de una fuente de calor en electricidad, y alrededor del 60 por ciento representa la eficiencia más alta de cualquier motor térmico hasta la fecha. Pero la maquinaria depende de partes móviles que están limitadas por la temperatura. Fuentes de calor más altasde 2000 grados centígrados, como el sistema de batería térmica propuesto por Henry, sería demasiado caliente para las turbinas.
En los últimos años, los científicos han buscado alternativas de estado sólido: motores térmicos sin partes móviles, que podrían funcionar de manera eficiente a temperaturas más altas.
"Una de las ventajas de los convertidores de energía de estado sólido es que pueden operar a temperaturas más altas con costos de mantenimiento más bajos porque no tienen partes móviles", dice Henry. "Simplemente se sientan allí y generan electricidad de manera confiable".
Las celdas termofotovoltaicas ofrecieron una ruta exploratoria hacia los motores térmicos de estado sólido. Al igual que las celdas solares, las celdas TPV podrían estar hechas de materiales semiconductores con una banda prohibida particular: la brecha entre la banda de valencia de un material y su banda de conducción. Si un fotón conuna energía lo suficientemente alta es absorbida por el material, puede patear un electrón a través de la banda prohibida, donde el electrón puede conducir y, por lo tanto, generar electricidad, haciéndolo sin mover rotores o palas.
Hasta la fecha, la mayoría de las celdas TPV solo han alcanzado eficiencias de alrededor del 20 por ciento, con un récord del 32 por ciento, ya que se han fabricado con materiales de banda prohibida relativamente baja que convierten fotones de baja energía y baja temperatura y, por lo tanto, convierten energíamenos eficiente.
Reflejando la luz
En su nuevo diseño de TPV, Henry y sus colegas buscaron capturar fotones de mayor energía de una fuente de calor de mayor temperatura, convirtiendo así la energía de manera más eficiente. La nueva celda del equipo lo hace con materiales de banda prohibida más alta y uniones múltiples, o materialcapas, en comparación con los diseños de TPV existentes.
La celda se fabrica a partir de tres regiones principales: una aleación de banda prohibida alta, que se asienta sobre una aleación de banda prohibida ligeramente más baja, debajo de la cual hay una capa de oro similar a un espejo. La primera capa captura los fotones de energía más alta de una fuente de calor ylos convierte en electricidad, mientras que los fotones de menor energía que pasan a través de la primera capa son capturados por la segunda y convertidos para agregarse al voltaje generado. Cualquier foton que pase a través de esta segunda capa es luego reflejado por el espejo, de regreso a la fuente de calor., en lugar de ser absorbido como calor desperdiciado.
El equipo probó la eficiencia de la celda colocándola sobre un sensor de flujo de calor, un dispositivo que mide directamente el calor absorbido de la celda. Expusieron la celda a una lámpara de alta temperatura y concentraron la luz en la celda. Luegovarió la intensidad de la bombilla, o temperatura, y observó cómo la eficiencia energética de la celda la cantidad de energía que producía, en comparación con el calor que absorbía cambiaba con la temperatura.En un rango de 1900 a 2400 grados Celsius, la nueva celda TPVmantuvo una eficiencia de alrededor del 40 por ciento.
"Podemos obtener una alta eficiencia en un amplio rango de temperaturas relevantes para las baterías térmicas", dice Henry.
La celda en los experimentos es de aproximadamente un centímetro cuadrado. Para un sistema de batería térmica a escala de cuadrícula, Henry prevé que las celdas TPV tendrían que escalar hasta aproximadamente 10,000 pies cuadrados alrededor de un cuarto de un campo de fútbol, y operaríanen almacenes climatizados para extraer energía de enormes bancos de energía solar almacenada. Señala que existe una infraestructura para fabricar células fotovoltaicas a gran escala, que también podrían adaptarse para fabricar TPV.
"Definitivamente hay un enorme beneficio neto aquí en términos de sostenibilidad", dice Henry. "La tecnología es segura, ambientalmente benigna en su ciclo de vida y puede tener un tremendo impacto en la reducción de las emisiones de dióxido de carbono de la producción de electricidad".
Esta investigación fue financiada, en parte, por el Departamento de Energía de EE. UU.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts. Original escrito por Jennifer Chu. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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