Concepto de PV-leaf
El panel solar definitivo: produce electricidad y agua potable inspirándose en las hojas de las plantas
Científicos del Imperial College de Londres han presentado unas células fotovoltaicas que rinden mejor que las tradicionales y además generan agua.
8 septiembre, 2023 02:24Los avances en la miniaturización de los paneles solares tienen como consecuencia directa que se puedan integrar en prácticamente cualquier superficie en la que incida la luz. Y qué mejor elemento que las hojas de las plantas para inspirarse. Estas estructuras biológicas fruto de millones de años de evolución son auténticas máquinas químicas de recolección de energía solar y están sirviendo a los científicos del Imperial College de Londres para crear energía eléctrica, térmica y agua.
"La mayor parte de energía solar que incide (más del 70%) en los paneles fotovoltaicos comerciales se disipa en forma de calor, lo que aumenta su temperatura de funcionamiento y provoca un deterioro significativo del rendimiento eléctrico", según explican los científicos del Imperial College en el paper publicado en la revista Nature. "La eficiencia de utilización de los paneles fotovoltaicos comerciales suele ser inferior al 25%".
En el estudio, demuestran la aplicación un "concepto híbrido de hoja fotovoltaica multigeneración". Emplea una estructura de transpiración biomimética hecha de materiales ecológicos, de bajo coste y ampliamente disponibles "para una gestión térmica pasiva efectiva y multigeneración".
Concepto de una hoja PV-leaf
La hoja de una planta tradicional está formada por diferentes estructuras que le permiten mover el agua desde las raíces hasta las hojas mediante un proceso llamado transpiración, indican en una nota de prensa. Los científicos se han inspirado en esas mismas hojas para imitar el funcionamiento de la transpiración, permitiendo que el agua se mueva, se distribuya y se evapore sin necesidad de recurrir a sistemas accesorios.
Una hoja fotovoltaica
La nueva tecnología de hojas fotovoltaicas —llamadas PV-leaf— ha sido objeto de una serie de experimentos que han demostrado que son capaces de generar más de un 10% más de electricidad en comparación con los sistemas tradicionales. Éstos últimos pueden llegar a sobrepasar los 65 grados centígrados en un día cálido y soleado, lo que conduce a una "reducción significativa" en la eficiencia energética.
Por lo tanto, actualmente se está perdiendo un potencial significativo para generar electricidad adicional a partir de los más de 700 GW que se encuentran instalados actualmente en todo el mundo "debido a la falta de gestión térmica". Además, según explican los propios científicos, esta pérdida empeorará a medida que la capacidad fotovoltaica mundial continúa su crecimiento hacia los 22 TW que tiene previsto alcanzar para el año 2050.
"Los enfoques de gestión térmica de alta eficiencia y bajo coste para los paneles fotovoltaicos son de gran importancia en este contexto", explican. "Ya que permitirían una generación de energía significativamente mayor de decenas de GW a partir de las actuales instalaciones en todo el mundo, y con el potencial de mitigar la pérdida de cientos de GW en futuros despliegues".
Diferencia de funcionamiento de hoja biológica (izq) y PV-leaf (der)
Actualmente existen varios métodos para reducir la temperatura que se alcanza en las instalaciones solares. Algunos con elementos disipadores activos que normalmente necesitan intercambiadores de calor con sistemas hidráulicos que introducen complejidad y sobrecoste al conjunto. Los métodos pasivos, por su parte, no consiguen extraer grandes cantidades de calor de las células, por lo que tampoco se consideran alternativas viables.
El objetivo del estudio es "cogenerar electricidad, calor y agua limpia a partir del mismo colector solar 'híbrido' sin bomba, mientras realizamos una gestión térmica para mejorar el rendimiento eléctrico". Para ello, se han fijado en el funcionamiento interno y bioquímico de la transpiración presente en las hojas de las plantas. "Los árboles son extremadamente eficaces para mover el agua desde el suelo hasta una altura de decenas de metros para la transpiración, con el fin de mantener sus hojas siempre frescas y proteger sus funciones más importantes como la fotosíntesis".
El incremento del 10% de la producción de electricidad que ha conseguido el Imperial College viene gracias a este sistema de refrigeración que reduce la temperatura en 26 grados respecto a una célula fotovoltaica estándar. Al mantener las células a una temperatura menor, se consiguen mejores rendimientos y se traduce finalmente en la inyección de más potencia a la red.
Producción de agua
El funcionamiento de la hoja fotovoltaica se compone esencialmente de dos fases. La primera es una estructura de transpiración biomimética con un diseño específico y la integración de materiales como fibras de bambú e hidrogel. Con ello se consigue que el agua fluya desde un depósito de agua independiente hasta la célula solar sin la necesidad de bombas.
La segunda fase comienza cuando se cubre la célula con agua y se evapora dentro del colector con el objeto de capturar vapor de agua limpio y calor simultáneamente. De esta forma, se consigue electricidad en la propia célula fotovoltaica, vapor de agua que luego se puede condensar para beber y energía térmica.
El nuevo diseño de hojas fotovoltaicas desarrollado también "podría producir más de 40.000 millones de metros cúbicos de agua dulce al año" si todas las instalaciones de aquí al 2050 emplean la tecnología del Imperial College de Londres. Este esquema "elimina la necesidad de bombas, ventiladores, unidades de control y materiales porosos caros".
"La implementación de este innovador diseño en forma de hoja podría ayudar a acelerar la transición energética global, al tiempo que aborda dos desafíos globales apremiantes: la necesidad de más energía y de agua dulce", ha declarado Christos Markides, jefe del Laboratorio de Procesos de Energías Limpias de la institución.
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