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Ingenieros del MIT y el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) han diseñado un motor térmico sin partes móviles. Sus nuevas demostraciones demuestran que convierte el calor en electricidad con una eficiencia superior al 40%, un rendimiento superior al 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 calor entre 1.900 y 2.400 grados centígrados, o hasta unos 4.300 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 energía, como en un día nublado, las celdas TPV convierten el calor en electricidad y envían la energía a una red eléctrica.
Con la nueva celda TPV, el equipo ahora ha logrado demostrar las partes principales del sistema en experimentos separados a pequeña escala. Trabajan para integrar las partes para demostrar un sistema completamente operativo. A partir de ahí, esperan expandir el sistema para reemplazar las plantas de energía de combustibles fósiles y habilitar una red eléctrica totalmente libre de carbono, alimentada completamente por energías renovables.
«Las células termofotovoltaicas fueron el último paso clave para demostrar que las baterías térmicas son un concepto viable», dice Asegun Henry, profesor Robert N. Noyce de desarrollo profesional en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. «Este es un paso absolutamente crítico en el camino hacia la proliferación de energías renovables y el logro de una red totalmente libre de carbono».
Henry y sus colaboradores publicaron hoy sus resultados en la revista Naturaleza. 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, y colaboradoras de NREL en Golden, Colorado.
salta la brecha
Más del 90% 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 de la industria para convertir estas fuentes de calor en electricidad.
En promedio, las turbinas de vapor convierten de manera confiable alrededor del 35 % de una fuente de calor en electricidad, y alrededor del 60 % representa la mayor eficiencia de cualquier motor térmico hasta la fecha. Pero la maquinaria depende de partes móviles que tienen una temperatura limitada. Las fuentes de calor por encima de los 2.000 grados centígrados, como el sistema de batería térmica propuesto por Henry, serían demasiado calientes para las turbinas.
En los últimos años, los científicos han estado buscando alternativas de estado sólido: motores térmicos sin partes móviles, que potencialmente podrían operar de manera eficiente a temperaturas más altas.
“Una de las ventajas de los convertidores de potencia de estado sólido es que pueden operar a temperaturas más altas con menores costos de mantenimiento porque no tienen partes móviles”, dice Henry. «Simplemente se sientan allí y producen electricidad de manera confiable».
Las células termofotovoltaicas ofrecieron una ruta exploratoria hacia los motores térmicos de estado sólido. Al igual que las células solares, las células 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 el material absorbe un fotón con energía lo suficientemente alta, puede enviar un electrón a través de la brecha de banda, donde el electrón puede conducir y generar electricidad, sin mover los rotores o las palas.
Hasta la fecha, la mayoría de las células TPV solo han logrado eficiencias de alrededor del 20 %, con un récord del 32 %, porque están hechas de materiales de banda prohibida relativamente baja que convierten fotones a bajas temperaturas y baja energía y, por lo tanto, convierten la energía de manera menos eficiente. .
capturar 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 hace esto con materiales de banda prohibida más altos y uniones múltiples, o capas de material, en comparación con los diseños de TPV existentes.
La celda está hecha 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 fotones de mayor energía de una fuente de calor y los 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 agregarlos al voltaje generado. Todos los fotones que pasan a través de esta segunda capa son luego reflejados por el espejo, de regreso a la fuente de calor, en lugar de ser absorbidos como calor residual.
El equipo probó la eficiencia de la celda colocándola en un sensor de flujo de calor, un dispositivo que mide directamente el calor absorbido por la celda. Expusieron la celda a una lámpara de alta temperatura y enfocaron la luz sobre la celda. Luego variaron la intensidad o la temperatura de la bombilla y observaron 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 centígrados, la nueva celda TPV mantuvo una eficiencia de alrededor del 40%.
“Podemos lograr una alta eficiencia en una amplia gama 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 red, Henry prevé que las células TPV tendrían que expandirse a unos 10 000 pies cuadrados (alrededor de una cuarta parte de un campo de fútbol) y operar en almacenes con clima controlado para disparar energía desde enormes bancos de almacenamiento. energía solar. Señala que existe una infraestructura para fabricar células fotovoltaicas a gran escala, que también podría adaptarse para fabricar TPV.
Esta investigación fue financiada, en parte, por el Departamento de Energía de los Estados Unidos.
