Termofotovoltaico

Proceso de conversión directa de calor a electricidad a través de fotones.

La conversión de energía termofotovoltaica ( TPV ) es un proceso de conversión directa de calor a electricidad a través de fotones . Un sistema termofotovoltaico básico consta de un emisor térmico y una celda de diodo fotovoltaico .

La temperatura del emisor térmico varía entre diferentes sistemas desde aproximadamente 900 ° C hasta aproximadamente 1300 ° C, aunque en principio los dispositivos TPV pueden extraer energía de cualquier emisor con temperatura elevada por encima de la del dispositivo fotovoltaico (formando un motor térmico óptico ). El emisor puede ser una pieza de material sólido o una estructura especialmente diseñada. La emisión térmica es la emisión espontánea de fotones debido al movimiento térmico de las cargas en el material. Para estas temperaturas de TPV, esta radiación se produce principalmente en las frecuencias del infrarrojo cercano y del infrarrojo . Los diodos fotovoltaicos absorben algunos de estos fotones radiados y los convierten en electricidad.

Los sistemas termofotovoltaicos tienen pocas o ninguna parte móvil y, por lo tanto, son silenciosos y requieren poco mantenimiento. Estas propiedades hacen que los sistemas termofotovoltaicos sean adecuados para aplicaciones de generación de electricidad portátiles y en sitios remotos. Sin embargo, sus propiedades de eficiencia y costo suelen ser deficientes en comparación con otras tecnologías de generación de electricidad. La investigación actual en el área tiene como objetivo aumentar la eficiencia del sistema mientras se mantiene el costo del sistema bajo.

Los sistemas TPV generalmente intentan igualar las propiedades ópticas de la emisión térmica ( longitud de onda , polarización , dirección) con las características de absorción más eficientes de la celda fotovoltaica, ya que la emisión térmica no convertida es una fuente importante de ineficiencia. La mayoría de los grupos se centran en las células de antimonuro de galio (GaSb). El germanio (Ge) también es adecuado. ^[1] Gran parte de la investigación y el desarrollo se refieren a métodos para controlar las propiedades del emisor.

Las células TPV se han propuesto como dispositivos auxiliares de conversión de energía para capturar el calor perdido de otro modo en otros sistemas de generación de energía, como los sistemas de turbinas de vapor o las células solares.

Se construyó un prototipo de automóvil híbrido TPV, el automóvil propulsado por "Viking 29" ^[2] (TPV), diseñado y construido por el Instituto de Investigación de Vehículos (VRI) de la Universidad de Western Washington .

La investigación de TPV es un área activa. Entre otros, el esfuerzo de desarrollo de la tecnología de conversión de energía de radioisótopos TPV de la Universidad de Houston está intentando combinar una celda termofotovoltaica con termopares para proporcionar una mejora de 3 a 4 veces en la eficiencia del sistema en comparación con los generadores termoeléctricos de radioisótopos actuales .

También se pueden fabricar paneles utilizando células termoradiativas. En 2020, el profesor Jeremy Munday diseñó paneles que permitirían recolectar electricidad del cielo nocturno. Los paneles podrían generar hasta 50 vatios de potencia por metro cuadrado, que es una cuarta parte de lo que los paneles convencionales pueden generar durante el día. ^{[3] [4]}

Historia

Henry Kolm construyó un sistema TPV elemental en el MIT en 1956. Sin embargo, Pierre Aigrain es ampliamente citado como el inventor por el contenido de las conferencias que dio en el MIT entre 1960 y 1961 que, a diferencia del sistema de Kolm, condujeron a la investigación y el desarrollo. ^[5]

Antecedentes

Los termofotovoltaicos (TPV) son una clase de sistemas de generación de energía que convierten la energía térmica en energía eléctrica. Consisten, como mínimo, en un emisor y un convertidor de energía fotovoltaica. La mayoría de los sistemas TPV incluyen componentes adicionales como concentradores, filtros y reflectores.

El principio básico es similar al de la energía fotovoltaica (PV) tradicional, donde se utiliza una unión pn para absorber energía óptica , generar y separar pares de electrones / huecos y, al hacerlo, convertir esa energía en electricidad. La diferencia es que la energía óptica no es generada directamente por el Sol, sino por un material a alta temperatura (denominado emisor), que hace que emita luz. De esta forma, la energía térmica se convierte en energía eléctrica.

El emisor se puede calentar con luz solar u otras técnicas. En este sentido, los TPV brindan una gran versatilidad en combustibles potenciales. En el caso de los TPV solares, se necesitan grandes concentradores para proporcionar temperaturas razonables para un funcionamiento eficiente.

Las mejoras pueden aprovechar los filtros o emisores selectivos para crear emisiones en un rango de longitud de onda optimizado para un convertidor fotovoltaico (PV) específico. De esta manera, los TPV pueden superar un desafío fundamental para los fotovoltaicos tradicionales, haciendo un uso eficiente de todo el espectro solar. Para los emisores de cuerpo negro , los fotones con energía menor que la banda prohibida del convertidor no pueden ser absorbidos y se reflejan y se pierden o pasan a través de la celda. Los fotones con energía por encima de la banda prohibida se pueden absorber, pero el exceso de energía,${\displaystyle \Delta G=E_{photon}-E_{g}}$, se pierde nuevamente, generando un calentamiento no deseado en la celda. En el caso de los TPV, pueden existir problemas similares, pero el uso de emisores selectivos (emisividad en un rango de longitud de onda específico) o filtros ópticos que solo pasan un rango estrecho de longitudes de onda y reflejan todas las demás, se pueden utilizar para generar espectros de emisión. que el dispositivo fotovoltaico puede convertir de forma óptima.

Para maximizar la eficiencia, todos los fotones deben convertirse. Para abordar esto, se puede utilizar un proceso a menudo denominado reciclaje de fotones. Los reflectores se colocan detrás del convertidor y en cualquier otro lugar del sistema donde los fotones no se dirijan de manera eficiente al colector. Estos fotones se dirigen de regreso al concentrador donde se pueden convertir, o al emisor, donde se pueden reabsorber para generar calor y fotones adicionales. Un sistema TPV óptimo utilizaría el reciclaje de fotones y la emisión selectiva para convertir todos los fotones en electricidad.

Eficiencia

El límite superior de eficiencia en los TPV (y todos los sistemas que convierten la energía térmica en trabajo) es la eficiencia de Carnot , la de un motor térmico ideal. Esta eficiencia viene dada por:

${\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{cell}}{T_{emit}}}}$

donde la _célula T es la temperatura del convertidor fotovoltaico. Para obtener los mejores valores razonables en un sistema práctico, las _células T ~ 300K y T _emiten ~ 1800, dando una eficiencia máxima de ~ 83%. Este límite establece el límite superior para la eficiencia del sistema. Con una eficiencia del 83%, el emisor convierte toda la energía térmica en radiación, que luego la fotovoltaica convierte en energía eléctrica sin pérdidas, como la termalización o el calentamiento Joule . La máxima eficiencia supone que no hay cambios de entropía, lo cual solo es posible si el emisor y la celda están a la misma temperatura. Los modelos más precisos son bastante complicados.

Emisores

Las desviaciones de la absorción perfecta y el comportamiento perfecto del cuerpo negro conducen a pérdidas de luz. Para los emisores selectivos, cualquier luz emitida en longitudes de onda que no coincidan con la energía de banda prohibida del fotovoltaico puede no convertirse de manera eficiente (por las razones discutidas anteriormente) y conduce a una eficiencia reducida. En particular, las emisiones asociadas con las resonancias de fonones son difíciles de evitar para las longitudes de onda en el infrarrojo profundo, que prácticamente no se pueden convertir. Los emisores ideales no producen infrarrojos.

Filtros

Para emisores de cuerpo negro o emisores selectivos imperfectos, los filtros reflejan longitudes de onda no ideales de regreso al emisor. Estos filtros son imperfectos. Cualquier luz que sea absorbida o dispersada y no redirigida al emisor o al convertidor se pierde, generalmente en forma de calor. Por el contrario, los filtros prácticos a menudo reflejan un pequeño porcentaje de luz en los rangos de longitud de onda deseados. Ambos son ineficiencias.

Convertidores

Incluso para los sistemas en los que solo se pasa luz de longitudes de onda óptimas al convertidor, existen ineficiencias asociadas con la recombinación no radiativa y las pérdidas óhmicas . Dado que estas pérdidas pueden depender de la intensidad de la luz incidente en la celda, los sistemas reales deben considerar la intensidad producida por un conjunto dado de condiciones (material emisor, filtro, temperatura de funcionamiento ).

Geometría

En un sistema ideal, el emisor estaría rodeado de convertidores para que no se pierda luz. Sin embargo, de manera realista, las geometrías deben acomodar la energía de entrada (inyección de combustible o luz de entrada) utilizada para calentar el emisor. Además, los costos prohíben la colocación de convertidores en todas partes. Cuando el emisor reemite luz, todo lo que no viaja a los convertidores se pierde. Se pueden usar espejos para redirigir parte de esta luz de regreso al emisor; sin embargo, los espejos pueden tener sus propias pérdidas.

Radiación del cuerpo negro

Para los emisores de cuerpo negro donde la recirculación de fotones se logra a través de filtros, la ley de Planck establece que un cuerpo negro emite luz con un espectro dado por:

${\displaystyle I'(\lambda ,T)={\frac {2hc^{2}}{\lambda ^{5}}}{\frac {1}{e^{\frac {hc}{\lambda kT}}-1}}}$

donde I 'es el flujo de luz de una longitud de onda específica, λ, expresada en unidades de 1 / m ³ / s. h es la constante de Planck , k es la constante de Boltzmann , c es la velocidad de la luz y T _emit es la temperatura del emisor. Por lo tanto, el flujo de luz con longitudes de onda en un rango específico se puede encontrar integrando sobre el rango. La longitud de onda máxima está determinada por la temperatura, T _emitida según la ley de desplazamiento de Wien :

${\displaystyle \lambda _{\mathrm {max} }={\frac {b}{T}}}$

donde b es la constante de desplazamiento de Wien. Para la mayoría de los materiales, la temperatura máxima a la que un emisor puede operar de manera estable es de aproximadamente 1800 ° C. Esto corresponde a una intensidad que alcanza un máximo de λ ~ 1600 nm o una energía de ~ 0,75 eV. Para temperaturas de funcionamiento más razonables de 1200 ° C, esto se reduce a ~ 0,5 eV. Estas energías dictan el rango de bandas prohibidas que se necesitan para los convertidores TPV prácticos (aunque la potencia espectral máxima es ligeramente mayor). Los materiales fotovoltaicos tradicionales como Si (1,1 eV) y GaAs (1,4 eV) son sustancialmente menos prácticos para los sistemas TPV, ya que la intensidad del espectro del cuerpo negro es extremadamente baja a estas energías para emisores a temperaturas realistas.

Selección de materiales y componentes activos

Emisores

La eficiencia, la resistencia a la temperatura y el costo son los tres factores principales para elegir un radiador TPV. La eficiencia está determinada por la energía absorbida en relación con la radiación entrante total. El funcionamiento a alta temperatura es un factor crucial porque la eficiencia aumenta con la temperatura de funcionamiento. A medida que aumenta la temperatura del emisor, la radiación del cuerpo negro cambia a longitudes de onda más cortas, lo que permite una absorción más eficiente por parte de las células fotovoltaicas. El costo es otro problema importante de comercialización.

Carburo de silicio policristalino

El carburo de silicio policristalino (SiC) es el emisor más utilizado para los TPV de quemador. SiC es térmicamente estable a ~ 1700 ° C. Sin embargo, el SiC irradia gran parte de su energía en el régimen de longitud de onda larga, mucho más bajo en energía que incluso la fotovoltaica con banda prohibida más estrecha. Esta radiación no se convierte en energía eléctrica. Sin embargo, se pueden usar filtros selectivos no absorbentes en frente de la PV, ^[6] o espejos depositados en la parte posterior de la PV ^[7] para reflejar las longitudes de onda largas hacia el emisor, reciclando así la energía no convertida. Además, el SiC policristalino es económico de fabricar.

Tungsteno

Los metales refractarios se pueden utilizar como emisores selectivos para los TPV de los quemadores. El tungsteno es la opción más común. Tiene una emisividad más alta en el rango de infrarrojos visible y cercano de 0,45 a 0,47 y una emisividad baja de 0,1 a 0,2 en la región de infrarrojos. ^[8] El emisor suele tener la forma de un cilindro con un fondo sellado, que puede considerarse una cavidad. El emisor está unido a la parte posterior de un absorbente térmico como el SiC y mantiene la misma temperatura. La emisión se produce en el rango visible e infrarrojo cercano, que la fotovoltaica puede convertir fácilmente en energía eléctrica.

Óxidos de tierras raras

Los óxidos de tierras raras como el óxido de iterbio (Yb ₂ O ₃ ) y el óxido de erbio (Er ₂ O ₃ ) son los emisores selectivos más utilizados para los TPV. Estos óxidos emiten una banda estrecha de longitudes de onda en la región del infrarrojo cercano, lo que permite adaptar los espectros de emisión para adaptarse mejor a las características de absorbancia de una celda fotovoltaica en particular. El pico del espectro de emisión se produce a 1,29 eV para Yb ₂ O ₃ y 0,827 eV para Er ₂ O ₃ . Como resultado, Yb ₂ O ₃ se puede utilizar como emisor selectivo para celdas de Si PV y Er ₂ O ₃, para GaSb o InGaAs. Sin embargo, el ligero desajuste entre los picos de emisión y la banda prohibida del absorbedor da como resultado una pérdida significativa de eficiencia. La emisión selectiva solo se vuelve significativa a 1100 ° C y aumenta con la temperatura, según la Ley de Planck. A temperaturas de funcionamiento por debajo de 1700 ° C, la emisión selectiva de óxidos de tierras raras es bastante baja, lo que resulta en una disminución adicional de la eficiencia. Actualmente, se ha logrado una eficiencia del 13% con Yb ₂ O ₃ y celdas fotovoltaicas de silicio. En general, los emisores selectivos han tenido un éxito limitado. Más a menudo se utilizan filtros con emisores de cuerpo negro para pasar longitudes de onda que coinciden con la banda prohibida del PV y reflejar longitudes de onda no coincidentes de vuelta al emisor.

Cristales fotónicos

Los cristales fotónicos son una clase de materiales periódicos que permiten el control preciso de las propiedades de las ondas electromagnéticas. Estos materiales dan lugar a la banda prohibida fotónica.(PBG). En el rango espectral del PBG, las ondas electromagnéticas no se pueden propagar. La ingeniería de estos materiales permite cierta capacidad para adaptar sus propiedades de emisión y absorción, lo que permite un diseño más eficaz de emisores selectivos. Los emisores selectivos con picos de mayor energía que el pico del cuerpo negro (para temperaturas TPV prácticas) permiten convertidores de banda prohibida más amplia. Estos convertidores son tradicionalmente más baratos de fabricar y menos sensibles a la temperatura. Los investigadores de Sandia Labs demostraron un emisor de TPV de alta eficiencia (el 34% de la luz emitida por el emisor selectivo de PBG se puede convertir en electricidad) utilizando cristales fotónicos de tungsteno. ^[9] Sin embargo, la fabricación de estos dispositivos es difícil y no es comercialmente viable.

Células fotovoltaicas

Silicio

Los primeros trabajos en TPV se centraron en el uso de Si PV. La disponibilidad comercial, el costo extremadamente bajo, la escalabilidad y la facilidad de fabricación del silicio hacen de este material un candidato atractivo. Sin embargo, la banda prohibida relativamente amplia de Si (1,1 eV) no es ideal para usar con un emisor de cuerpo negro a temperaturas de funcionamiento más bajas. Los cálculos que utilizan la ley de Planck, que describe el espectro del cuerpo negro en función de la temperatura, indican que los Si PV solo serían factibles a temperaturas mucho más altas que 2000 K. No se ha demostrado ningún emisor que pueda operar a estas temperaturas. Estas dificultades de ingeniería llevaron a la búsqueda de semiconductores fotovoltaicos de menor banda prohibida.

El uso de radiadores selectivos con Si fotovoltaicos sigue siendo una posibilidad. Los radiadores selectivos eliminarían los fotones de alta y baja energía, reduciendo el calor generado. Idealmente, los radiadores selectivos no emitirían radiación más allá del borde de la banda del convertidor fotovoltaico, aumentando significativamente la eficiencia de conversión. No se han realizado TPV eficientes utilizando Si PV.

Germanio

Las primeras investigaciones sobre semiconductores de banda prohibida baja se centraron en el germanio (Ge). Ge tiene una banda prohibida de 0,66 eV, lo que permite la conversión de una fracción mucho mayor de la radiación entrante. Sin embargo, se observó un rendimiento deficiente debido a la masa de electrones efectiva extremadamente alta de Ge. En comparación con los semiconductores III-V , la alta masa efectiva de electrones de Ge conduce a una alta densidad de estados en la banda de conducción y, por lo tanto, a una alta concentración de portador intrínseco. Como resultado, los diodos Ge tienen una corriente "oscura" que decae rápidamente y, por lo tanto, un voltaje de circuito abierto bajo. Además, la pasivación superficial del germanio ha demostrado ser extremadamente difícil.

Antimonuro de galio

La celda fotovoltaica de antimonuro de galio (GaSb), inventada en 1989, ^[10] es la base de la mayoría de las celdas fotovoltaicas en los sistemas TPV modernos. GaSb es un semiconductor III-V con estructura cristalina de mezcla de zinc . La celda GaSb es un desarrollo clave debido a su estrecha banda prohibida de 0,72 eV. Esto permite que GaSb responda a la luz en longitudes de onda más largas que las células solares de silicio, lo que permite densidades de energía más altas junto con fuentes de emisión artificiales. Se demostró una celda solar con una eficiencia del 35% utilizando un PV bicapa con GaAs y GaSb, ^[10] estableciendo el récord de eficiencia de la celda solar .

Fabricar una celda fotovoltaica de GaSb es bastante simple. Las obleas de GaSb de tipo n dopadas con Te de Czochralski están disponibles comercialmente. La difusión de Zn a base de vapor se lleva a cabo a temperaturas elevadas ~ 450 ° C para permitir el dopaje tipo p. Los contactos eléctricos delanteros y traseros se modelan utilizando técnicas tradicionales de fotolitografía y se deposita un revestimiento antirreflectante. Las eficiencias actuales se estiman en ~ 20% utilizando un espectro de cuerpo negro de 1000 ° C. ^[11] El límite radiativo para la eficiencia de la celda GaSb en esta configuración es del 52%, por lo que aún se pueden realizar grandes mejoras.

Antimonuro de arseniuro de galio indio

El antimonuro de arseniuro de galio indio (InGaAsSb) es un semiconductor compuesto III-V . (In _x Ga _{1 − x} As _y Sb _{1 − y} ) La adición de GaAs permite un intervalo de banda más estrecho (0,5 a 0,6 eV) y, por lo tanto, una mejor absorción de longitudes de onda largas. Específicamente, la banda prohibida se diseñó a 0,55 eV. Con esta banda prohibida, el compuesto logró una eficiencia cuántica interna ponderada por fotones del 79% con un factor de relleno del 65% para un cuerpo negro a 1100 ° C. ^[12] Esto fue para un dispositivo cultivado en un sustrato de GaSb por epitaxia organometálica en fase de vapor (OMVPE). Los dispositivos se han cultivado mediante epitaxia de haz molecular (MBE) yepitaxia en fase líquida (LPE). Las eficiencias cuánticas internas (IQE) de estos dispositivos se acercan al 90%, mientras que los dispositivos desarrollados con las otras dos técnicas superan el 95%. ^[13] El mayor problema con las células InGaAsSb es la separación de fases. Las inconsistencias de composición en todo el dispositivo degradan su rendimiento. Cuando se puede evitar la separación de fases, el IQE y el factor de relleno de InGaAsSb se acercan a los límites teóricos en los rangos de longitud de onda cerca de la energía de banda prohibida. Sin embargo, la relación V _oc / E _g está lejos del ideal. ^[13] Los métodos actuales para fabricar fotovoltaicas de InGaAsSb son costosos y no son comercialmente viables.

Arseniuro de galio indio

El arseniuro de indio y galio (InGaAs) es un semiconductor compuesto III-V. Se puede aplicar de dos formas para su uso en TPV. Cuando se empareja en celosía con un sustrato de InP, InGaAs tiene una banda prohibida de 0,74 eV, no mejor que GaSb. Los dispositivos de esta configuración se han producido con un factor de llenado del 69% y una eficiencia del 15%. ^[14] Sin embargo, para absorber fotones de mayor longitud de onda, la banda prohibida puede diseñarse cambiando la relación de In a Ga. La gama de bandas prohibidas para este sistema es de aproximadamente 0,4 a 1,4 eV. Sin embargo, estas diferentes estructuras causan tensión con el sustrato de InP. Esto se puede controlar con capas graduadas de InGaAs con diferentes composiciones. Esto se hizo para desarrollar un dispositivo con una eficiencia cuántica del 68% y un factor de llenado del 68%, desarrollado por MBE. ^[12]Este dispositivo tenía una banda prohibida de 0,55 eV, conseguida en el compuesto In _0,68 Ga _0,33 As. n tiene la ventaja de ser un material bien desarrollado. Se puede hacer que InGaAs se adapte perfectamente al enrejado con Ge, lo que da como resultado densidades de defectos bajas. Ge como sustrato es una ventaja significativa sobre sustratos más caros o más difíciles de producir.

Antimonuro de arseniuro de fosfuro de indio

La aleación cuaternaria InPAsSb ha sido cultivada tanto por OMVPE como por LPE. Cuando se empareja en celosía con InAs, tiene una banda prohibida en el rango de 0.3–0.55 eV. Los beneficios de un sistema TPV con una banda prohibida tan baja no se han estudiado en profundidad. Por lo tanto, las celdas que incorporan InPAsSb no se han optimizado y aún no tienen un rendimiento competitivo. La respuesta espectral más larga de una célula InPAsSb estudiada fue de 4,3 μm con una respuesta máxima de 3 μm. ^[13] Si bien este es un material prometedor, aún no se ha desarrollado. Para este y otros materiales de banda prohibida baja, es difícil lograr un IQE alto para longitudes de onda largas debido a un aumento en la recombinación Auger .

Pozos cuánticos de seleniuro de plomo y estaño / seleniuro de plomo y estroncio

Se han propuesto materiales de pozo cuántico PbSnSe / PbSrSe, que pueden cultivarse mediante MBE en sustratos de silicio, para la fabricación de dispositivos TPV de bajo costo. ^[15] Estos materiales semiconductores IV-VI pueden tener bandas prohibidas entre 0,3 y 0,6 eV. Su estructura de banda simétrica y la falta de degeneración de la banda de valencia dan como resultado tasas de recombinación de Auger bajas, típicamente más de un orden de magnitud menor que las de los materiales semiconductores de banda prohibida III-V comparables.

Aplicaciones

Los TPV prometen sistemas de energía eficientes y económicamente viables para aplicaciones militares y comerciales. En comparación con las fuentes de energía tradicionales no renovables, los TPV de quemador tienen pocas emisiones de NO x y son prácticamente silenciosos. Los TPV solares son una fuente de energía renovable libre de emisiones. Los TPV pueden ser más eficientes que los sistemas fotovoltaicos debido al reciclaje de fotones no absorbidos. Sin embargo, los TPV son más complejos y las pérdidas en cada paso de conversión de energía pueden reducir la eficiencia. Deben realizarse más desarrollos en el absorbedor / emisor y la celda fotovoltaica. Cuando los TPV se utilizan con una fuente de quemador, proporcionan energía a pedido. Como resultado, no se necesita almacenamiento de energía. Además, debido a la proximidad de la fotovoltaica a la fuente radiativa, los TPV pueden generar densidades de corriente 300 veces superiores a las de las fotovoltaicas convencionales.

Poder portátil para el hombre

La dinámica del campo de batalla requiere energía portátil. Los generadores diesel convencionales son demasiado pesados ​​para su uso en el campo. La escalabilidad permite que los TPV sean más pequeños y livianos que los generadores convencionales. Además, los TPV tienen pocas emisiones y son silenciosos. La operación de combustibles múltiples es otro beneficio potencial.

Las primeras investigaciones sobre los TPV en la década de 1970 fracasaron debido a las limitaciones de la PV. Sin embargo, con la realización de la fotocélula GaSb, un esfuerzo renovado en la década de 1990 mejoró los resultados. A principios de 2001, JX Crystals entregó al Ejército un cargador de batería basado en TPV que producía una potencia de 230 W con propano . Este prototipo utilizaba un emisor de SiC que funcionaba a 1250 ° C y fotocélulas de GaSb y tenía aproximadamente 0,5 m de altura. ^[dieciséis]La fuente de energía tenía una eficiencia del 2,5%, calculada por la relación entre la energía generada y la energía térmica del combustible quemado. Esto es demasiado bajo para un uso práctico en el campo de batalla. Para aumentar la eficiencia, se deben realizar emisores de banda estrecha y se debe elevar la temperatura del quemador. Deben implementarse otros pasos de gestión térmica, como el enfriamiento por agua o la ebullición del refrigerante. Aunque se demostraron muchos prototipos exitosos de prueba de concepto, ninguna fuente de energía TPV portátil ha llegado a las pruebas de tropas o la implementación en el campo de batalla.

Nave espacial

Para los viajes espaciales, los sistemas de generación de energía deben proporcionar energía constante y confiable sin grandes cantidades de combustible. Como resultado, los combustibles solares y radioisotópicos (densidad de potencia extremadamente alta y larga vida útil) son fuentes ideales de energía. Se han propuesto TPV para cada uno. En el caso de la energía solar, las naves espaciales orbitales pueden ser mejores ubicaciones para los concentradores grandes y potencialmente engorrosos necesarios para los TPV prácticos. Sin embargo, debido a las consideraciones de peso y las ineficiencias asociadas con el diseño algo más complicado de los TPV, es casi seguro que los fotovoltaicos convencionales sean más efectivos para estas aplicaciones.

Probablemente más interesante sea la perspectiva de utilizar TPV para la conversión de energía radioisotópica. La salida de isótopos es energía térmica. En el pasado, la termoelectricidad (conversión térmica directa a eléctrica sin partes móviles) se ha utilizado debido a que la eficiencia del TPV es inferior al ~ 10% de los convertidores termoeléctricos. ^[17] También se han considerado los motores Stirling , pero se enfrentan a problemas de fiabilidad, que son inaceptables para las misiones espaciales, a pesar de las eficiencias de conversión mejoradas (> 20%). ^[18]Sin embargo, con los avances recientes en PV con banda prohibida pequeña, los TPV se están convirtiendo en candidatos más prometedores. Se demostró un convertidor de radioisótopos TPV con una eficiencia del 20% que utiliza un emisor de tungsteno calentado a 1350 K, con filtros en tándem y un convertidor fotovoltaico InGaAs de banda prohibida de 0,6 eV (enfriado a temperatura ambiente). Aproximadamente el 30% de la energía perdida se debió a la cavidad óptica y los filtros. El resto se debió a la eficiencia del convertidor fotovoltaico. ^[18]

El funcionamiento a baja temperatura del convertidor es fundamental para la eficiencia del TPV. Calentar los convertidores fotovoltaicos aumenta su corriente oscura, lo que reduce la eficiencia. El convertidor se calienta por la radiación del emisor. En los sistemas terrestres, es razonable disipar este calor sin utilizar energía adicional con un disipador de calor . Sin embargo, el espacio es un sistema aislado, donde los disipadores de calor no son prácticos. Por lo tanto, es fundamental desarrollar soluciones innovadoras para eliminar de manera eficiente ese calor o celdas TPV optimizadas que puedan funcionar de manera eficiente con convertidores de temperatura más alta. Ambos representan desafíos sustanciales. A pesar de esto, los TPV ofrecen una promesa sustancial para su uso en futuras aplicaciones espaciales. ^[17]

Aplicaciones comerciales

Generadores fuera de la red

Muchas casas están ubicadas en regiones remotas que no están conectadas a la red eléctrica. Cuando estén disponibles, las extensiones de la línea eléctrica pueden resultar poco prácticas. Los TPV pueden proporcionar un suministro continuo de energía en hogares fuera de la red. Los fotovoltaicos tradicionales, por otro lado, no proporcionarían suficiente energía durante los meses de invierno y la noche, mientras que los TPV pueden utilizar combustibles alternativos para aumentar la producción solo solar.

La mayor ventaja de los generadores TPV es la cogeneración de calor y energía. En climas fríos, puede funcionar como calentador o estufa y como generador de energía. JX Crystals desarrolló un prototipo de estufa y generador TPV. Quema gas natural y utiliza un emisor de fuente de SiC que funciona a 1250 ° C y una fotocélula de GaSb para generar 25.000 BTU / h (7,3 kW de calor) que generan simultáneamente 100 W (1,4% de eficiencia). Sin embargo, los costos deben reducirse significativamente para que sea comercialmente viable.

Cuando un horno se usa como calentador y generador, se llama calor y energía combinados (CHP). Se han teorizado muchos escenarios de cogeneración de TPV, pero se consideró que un generador que usa refrigerante hirviendo es el más rentable. ^[19] La cogeneración propuesta utilizaría un emisor de infrarrojos de SiC que funcione a 1425 ° C y fotocélulas de GaSb enfriadas con refrigerante hirviendo. El TPV CHP produciría 85.000 BTU / h (25kW de calor) y generaría 1,5 kW. La eficiencia estimada sería del 12,3% (?) (1,5kW / 25kW = 0,06 = 6%) y la inversión sería de 0,08 € / kWh siempre que la vida útil del horno de cogeneración sea de 20 años. El coste estimado de otros CHP que no son TPV es 0,12 € / kWh para CHP con motor de gas y 0,16 € / kWh para CHP con pila de combustible. Este horno propuesto no se ha comercializado porque se pensó que el mercado no era lo suficientemente grande.

Vehículos recreativos

Se han propuesto TPV para su uso en vehículos recreativos. Con la llegada de los vehículos híbridos y otros vehículos eléctricos, los generadores de energía con salidas eléctricas se han vuelto más interesantes. En particular, la versatilidad de los TPV para la elección de combustible y la capacidad de usar múltiples fuentes de combustible los hace interesantes, ya que está surgiendo una variedad más amplia de combustibles con una mejor sostenibilidad. El funcionamiento silencioso de los TPV permite la generación de electricidad cuando y donde no está permitido el uso de generadores convencionales ruidosos (es decir, durante las "horas de silencio" en los campamentos de los parques nacionales) y no molesta a los demás. Sin embargo, las temperaturas de emisor requeridas para eficiencias prácticas hacen que los TPV en esta escala sean poco probables. ^[20]

Referencias

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Enlaces externos

• VI Congreso Internacional de Generación Termofotovoltaica de Electricidad
• Descripción general de la NRA de la tecnología de conversión de energía de radioisótopos de la NASA
• Los nuevos materiales termofotovoltaicos podrían reemplazar los alternadores en los automóviles y ahorrar combustible