Un nuevo dispositivo que mejora la conversión del calor en electricidad

Investigadores del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y del Centro de Energía y Ciencias Térmicas de Lyon han creado un nuevo dispositivo que permite un aumento “considerable” tanto de la densidad de potencia eléctrica como de la eficiencia de conversión del calor en electricidad.

Con este dispositivo el flujo de electrones se sustituye por la emisión de fotones y electrones a través de un espacio nanométrico vacío. De esta forma se interrumpe la propagación de un tipo de partículas denominadas “fonones”, que son los principales causantes de las pérdidas térmicas en los dispositivos termoeléctricos actuales. Este nuevo mecanismo de conversión se ha bautizado como “thermionic-enhanced near-field thermophotovoltaics”.

“Para convertir el calor en electricidad, los dispositivos actuales utilizan el flujo de electrones a través de un sólido, que se mueven impulsados por un gradiente térmico y acaban creando un voltaje que puede aprovecharse para producir electricidad. A esto se le denomina efecto termoeléctrico y es el fundamento de muchos generadores que hoy se utilizan para producir electricidad a partir del calor residual o en misiones espaciales”, explica Alejandro Datas, investigador del Instituto de Energía Solar de la UPM y autor del estudio recientemente publicado en la revista Nano Energy.

“Actualmente, la mayor limitación de la termoelectricidad es que el flujo de electrones compite con el flujo de fonones, que son cuasipartículas vibratorias que se transmiten a través de la red cristalina del material. Los fonones transportan gran parte del calor y suponen la mayor parte de las pérdidas térmicas del dispositivo. Estas pérdidas explican que la eficiencia de conversión termoeléctrica raramente supere el 10%”, añade.

Transferir el calor a escalas nanométricas

El dispositivo propuesto propone una solución que combina los efectos termiónico y fotovoltaico. “Consiste en poner una célula solar extremadamente cerca de la superficie del material caliente, a tan sólo unos cientos de nanómetros de distancia. Del mismo modo que una célula solar produce electricidad con la luz del sol, esta célula generará electricidad a partir de la radiación electromagnética que se encuentra en la superficie del material. Pero, como al estar tan cerca es muy difícil colocar un cable para sacar la electricidad, sustituimos los cables por la emisión termiónica de electrones de la propia superficie”, señala Datas.

De este modo, el dispositivo permite convertir en electricidad no sólo las ondas electromagnéticas (o fotones), sino que también los electrones emitidos por dicha superficie. El empleo simultaneo de fotones y electrones supone un nuevo paradigma tecnológico en el campo de la conversión directa del calor en electricidad. “El uso simultáneo de fotones y electrones como transportadores de calor en los procesos de conversión termoeléctrica supone nuevos desafíos científicos y tecnológicos que tendrán que estudiarse más a fondo en futuras investigaciones”, subraya Datas.

Este nuevo dispositivo emerge de una colaboración entre dos proyectos europeos: el proyecto Amedeus, financiado por la Unión Europea que está coordinado por el Instituto de Energía Solar de la UPM y centrado en la realización experimental de estos dispositivos híbridos a distancias macroscópicas y el proyecto francés Demo NFR TPV, que persigue el objetivo de desarrollar un dispositivo para la conversión termofotovoltáica en el campo cercano. “El siguiente desafío consistiría en coordinar los logros de estos dos proyectos para buscar un convertidor híbrido en el campo cercano”, puntualizan los investigadores.