martes, 31 de agosto de 2021

Jugar con el vídrio de paneles solares para mejorar su eficiencia (un trabajo reciente)

 Acabamos de publicar un artículo científico que, a diferencia de la mayoría de los últimos años, tiene una aplicabilidad clara y se puede entender casi sin tecnicismos, así que a continuación lo describo. Está publicado en abierto (aquí)

Grabado del vidrio para conseguir un mejor comportamiento térmico de paneles solares.

La energía solar fotovoltaica se basa en células semiconductoras (casi siempre de silicio) que son capaces de convertir parte de la luz recibida en corriente eléctrica. Otra parte se convierte en calor, lo que degrada su funcionamiento, ya que los semiconductores trabajan pero a temperaturas más altas. El objetivo último del trabajo es mantener esa temperatura lo más baja posible.

En las instalaciones solares las células van montadas en paneles, bastidores que les dan rigidez y protección para poder estar a la intemperie tiempos largos. En esos paneles la cara expuesta al sol se cubre de vidrio. Podríamos texturar esa superficie, grabarle motivos de unas micras de tamaño con la intención de mejorar sus propiedades. Lo que buscamos con ello es: (i) no perder transparencia en el visible, que es lo que se convierte en electricidad y (ii) emitir el máximo infrarrojo para que se refrigere.

Los cuerpos emiten radiación por el simple hecho de estar a una temperatura (la radiación “del cuerpo negro” que Planck dejó explicada y resumida en la ecuación que lleva su nombre). Esa radiación cambia mucho de longitud de onda con la temperatura del emisor, a temperatura ambiente emitimos infrarrojo (lo que detectan las cámaras térmicas de visión nocturna), mientras que a 5500 C se emite visible, exactamente lo que emite el sol. Al enfrentar dos cuerpos se radian entre sí. Como estamos a temperaturas parecidas a las de nuestro entorno no lo notamos, solo cerca de unas brasas o algo así notamos esa radiación (un balance neto a nuestro favor). Es por esto también que las noches rasas la tierra se enfría mucho más que las nubosas, el balance de la superficie de la tierra con el espacio exterior es muy negativo, mientras que contra las nubes es mucho menor.

Si dispusiéramos de una superficie muy emisiva en esas radiaciones infrarrojas se enfriaría como las noches rasas, pero como ha de estar expuesta al sol (¡se trata de una panel solar!) necesitamos por otro lado, que sea muy poco emisiva (muy transparente a cambio) para las longitudes de onda visibles. Todo esto está resumido en la figura siguiente:

En la parte de arriba se representa el balance de potencias del panel, la que recibe del sol, la que envía a la atmósfera, la que escapa de la atmósfera y va al espacio exterior y la que recibe de la atmósfera. Cada una de ellas, como decíamos antes, ocurre a longitudes de onda distintas. Eso se representa en la figura inferior, junto con la emisividad ideal que tendría una superficie para conseguir evacuar el máximo calor. Ahí está representada también la transparencia de la atmósfera a las distintas longitudes de onda. De ahí es importante que hay una ventana (de 9 a 14 micras más o menos) en la que la atmósfera es transparente, y por tanto lo que se radie ahí va contra el espacio exterior, la situación óptima en cuanto al balance.

Se llama “enfriamiento radiativo” a ese proceso mediante el que se consigue perder calorías de forma pasiva, sin más que tener las superficies adecuadas orientadas correctamente. Y eso es lo que se pretende aprovechar para los paneles solares. 

El estudio que hemos hecho es todo basado en cálculos numéricos. La variable que nos interesa finalmente es la potencia neta radiada (la resta de todas las flechas de la figura anterior), que será la que refrigere el panel. Eso se calcula a partir de la ecuación de Planck. En ella interviene una característica del emisor (su emisividad) que cuando se estudia la ecuación siempre vale 1 para todas las longitudes de onda (eso es lo que quiere decir “cuerpo negro”). El vidrio del panel no es negro, hemos de calcular su emisividad para poder proceder al cálculo de la potencia. Pero además, podemos calcular como sería esa emsividad si la superficie en vez de plana, la llenamos de cilindros, semiesferas, conos u otras figuras. Eso es lo que hacemos para las distintas formas. 

En esta figura se ve la emisividad en el infrarrojo, como para el vidrio plano en 9 micras tiene un pico que la aleja bastante del “negro”, pero que los distintos motivos la mejoran mucho:

 

A partir de ahí, calculando muchas estructuras y comparando, llegamos a obtener el mejor diseño, las dimensiones óptimas para cada estructura. También calculamos la potencia neta para cada una de ellas. Eso es lo que se representa en esta figura:

La potencia neta radiada está en color gris. Se ve que para agujeros o pirámides es positiva, contribuye a la refrigeración con unos 50 Watios emitidos por cada metro cuadrado. En cambio para conos u “ojos de polilla” (que es como le llamas a elipsoides) la potencia neta es negativa, se calienta más por la contribución del sol en el infrarrojo de lo que se refrigera por su emisión (eso se ve en la barra naranja, que es mucho mayor para estas formas).

Todo esto tiene algunos refinamientos extra. La temperatura ambiente a la que está el panel también influye, así que se puede ver como cambia el panorama con esa temperatura. Y algunos tecnicismo más que hacen que el trabajo se alargue un poco.

Concluimos pues que texturar el vidrio de los paneles solares es una buena estrategia para que trabajen a menor temperatura. Damos también los mejores texturados para conseguirlo. Falta saber si el coste económico del texturado compensará la mejora de eficiencia (que no será altísima) y como afectará a ese balance la cantidad de días nublados o cosas así. Responder preguntas siempre plantea otras.


Sobre el proceso de publicación:

Como decía al comienzo, el artículo está publicado en abierto. En esta revista se decide si pagas para que quede en acceso abierto o no artículo a artículo, y lo decides después de que haya sido aceptado. El coste son unos 2000€. Nosotros no pensabamos pagar, pero resulta que en la suscripción a la editorial que tiene la universidad se incluyen "costes de pubicación en abierto" de un número de artículos, así que al ambaro de ese acuerdo a quedado abierto. 

En el proceso de revisión solo ha intervenido un revisor que nos hizo unos comentarios razonables sobre cosas que no estaban suficientemente claras y ¡nos pidió que añadieramos citas! a temas muy muy marginales (y que buscados en internet llevaban a trabajos en los que coincidian siempre dos nombres). Respondimos al editor con algunos cambios mejorando el texto y negándonos a incluir esas referencias y le pareción bien.

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