Los paneles solares “tridimensionales” ya son una realidad

Hace casi dos años un grupo de investigación del famoso MIT, Instituto Tecnológico de Massachusetts, dirigido por el profesor Jeffrey Grossman publicó unos esperanzadores resultados sobre una nueva forma de paneles solares. En vez de ser paneles de células fotovoltaicas normales que solo capturan luz en un plano, eran estructuras tridimensionales que podían captar mucha más luz. Esta noticia fue recogida en diferentes medios y webs, como por ejemplo Microsiervos. Todo aquello eran “simplemente” simulaciones para poder optimizar la forma de dicha estructura tridimensional, y por tanto se trataba de un estudio meramente teórico. Durante los últimos años han seguido trabajando y en estos últimos meses han llegado a algunos resultados que pueden ser claves para el desarrollo de los futuros paneles fotovoltaicos. Pero antes de descubrirlos, pongámonos en situación.

El origen del estudio

En sus simulaciones, estos investigadores del MIT encabezados por el profesor Jeffrey Grossman han tratado de maximizar la energía recibida por distintas estructuras utilizando métodos de Monte Carlo y unos algoritmos conocidos como algoritmos genéticos, donde se optimiza la evolución de un sistema ante la variación aleatoria de alguna de sus condiciones. Sería algo similar a lo que ocurre en la naturaleza con la selección natural. Una vez hecho esto han construido tres pequeños prototipos que han utilizado para comprobar experimentalmente si sus simulaciones eran correctas.

Los prototipos con los que trabajaron fueron un cubo abierto por su parte superior, un rectángulo con la misma base pero el doble de alto, y una torre con sus paneles ordenados en zigzag, como si fuera un acordeón. Son las figuras 1, 2 y 3 de la imagen superior, respectivamente. Los paneles solares utilizados son comerciales (cualquier persona podría acceder a ellos), están basados en silicio, y tienen un tamaño de 9 cm2 (3 cm de lado). El cubo está abierto por arriba y lo recubren 9 de estos paneles solares. Para el rectángulo, también abierto, se utilizaron 17 placas, y para la torre 32. Todas del mismo tamaño. Para todos ellos se simuló su comportamiento en diferentes situaciones, como su posición en el planeta o el ángulo de incidencia del Sol. Comparando estos resultados con las simulaciones para un único panel solar plano, con un tamaño igual a la base del cubo, ya parecía que la cosa pintaba bien, pero era necesario realizar una comprobación experimental para saber si estaban por el buen camino.

Adelante con el experimento

Nada más sencillo para saber la eficiencia real de estos prototipos que ponerlos en el tejado del MIT y comparar los resultados con los de un panel solar fotovoltaico convencional. En este punto cabe destacar una vez más que la comparativa se realiza frente a un único panel solar con un tamaño idéntico a la base del cubo (o el rectángulo), de modo que está en clara desventaja con respecto a la superficie de absorción de luz de las estructuras 3D. Esto es, las estructuras tridimensionales tienen mucha más área de paneles solares, de modo que es de esperar que, obviamente, su capacidad para generar energía sea mayor. Y efectivamente así era. Para un día despejado de invierno la torre obtuvo 20 veces más energía que el panel solar plano.

Para poder hacer una comparación justa los investigadores recurren al cociente entre el exceso de área de paneles solares y la energía que generan. De esta forma pueden comparar el exceso de área por unidad de energía. Los resultados van desde 1,5 al comparar la torre con el panel plano en un día de invierno, a 4 cuando se compara el cubo con el panel plano en un día de verano. Vale, sí, esto os habrá sonado a chino. Lo que viene a decir es que, en términos de la energía que producen, la torre solamente tiene un 50% más de superficie que el panel plano (a pesar de tener 32 paneles), mientras que el cubo tiene cuatro veces más (a pesar de tener 9 paneles). Luego la torre es un sistema muy bien optimizado mientras que el cubo no lo es tanto.

Llama mucho la atención otro aspecto destacado del experimento y es que los resultados de las estructuras tridimensionales son mejores a medida que son más altos. La razón es bien sencilla. A mayor altura más rayos de sol vas a poder recibir, ya que es incluso posible lograr un buen número de fotones incidentes incluso cuando amanece o anochece. Puesto con números: los prototipos estudiados casi doblaban el número de horas punta de luz, con respecto al panel solar plano; lo que a su vez implicaba una generación de entre 2 y 20 veces más energía. Podéis comprobarlo en la gráfica izquierda de la figura superior donde se ve como la energía producida por los prototipos supera con creces a la del panel plano.

Otra de las grandísimas ventajas de estos prototipos, y que también se observa en la figura superior, es que el clima les afecta muy poco a la hora de generar energía. Gracias a que pueden poseer paneles en las tres direcciones del espacio no están limitadas a recoger únicamente la luz que llega del cielo como en los paneles solares plano (que con nubes o lluvia no es demasiada), sino que son capaces de recibir luz rebotada de todas direcciones. En la gráfica derecha de la figura superior tenemos la generación en un día nublado, donde la curva de color naranja, que representa a la torre, es mucho mayor que la roja, que representa el panel solar plano.

Sin embargo esto no es todo. Los paneles solares planos tienen su funcionamiento óptimo cuando reciben la luz perpendicularmente a su superficie, pero debido a la propia curvatura de la Tierra para conseguir esto más allá del ecuador es necesario inclinarlos un cierto ángulo para compensar la latitud. A medida que nos desplazamos hacia los polos este ángulo va creciendo y no es posible lograr tanta energía como quisiéramos. Este problema es intrínseco de los paneles solares planos, pero que parece solucionarse con los prototipos creados en el MIT.

Simulación de la relación de energía media anual producida por el prototipo cúbico y un panel solar plano para diferentes latitudes.

En sus simulaciones han comprobado como el cociente entre la energía proporcionada por el cubo y la proporcionada por el panel plano aumenta a medida que nos alejamos del ecuador. ¿Esto qué quiere decir? Pues que el cubo, que es el menos optimizado de los prototipos, continúa generando prácticamente la misma energía a pesar de que se encuentre a mayor latitud. Puesto con números: en una ciudad como Oslo, a una latitud 60º Norte, la simulación nos dice que el cubo produce más de el doble de energía que el panel plano en verano y por encima de 15 veces más en invierno. Además, en las 20 ciudades repartidas por el planeta donde hicieron también medidas experimentales, los resultados fueron acordes a las simulaciones, por lo que sus estudios teóricos son correctos y se pueden llevar al mundo real.

En resumen…

En resumidas cuentas podemos decir que estos nuevos prototipos de paneles solares en estructuras tridimensionales han demostrado comportarse de una forma mucho más efectiva que los paneles solares planos convencionales a la hora de generar energía. Si bien es cierto que llevan muchos más placas solares que estos últimos, los prototipos han demostrado compensar este hecho gracias a que generan mucha más energía. Además, el sobrecoste de tener más paneles solares es pequeño gracias a la continua disminución de precios que está sufriendo esta tecnología, y que cada vez se acentúa más; y su generación energética es suficiente para cubrirlo con creces.

Otras características y ventajas que podemos enumerar de estos prototipos del MIT son las siguientes:

  • La torre con placas en zigzag es la estructura mejor optimizada, logrando hasta 20 veces más energía que un panel solar plano en condiciones de nubosidad.
  • Las condiciones climáticas y la latitud a la que se encuentren sobre la Tierra tienen un impacto mínimo sobre su funcionamiento.
  • Son sistemas fijos que no requieren el complejo y caro sistema de movimiento que utilizan las plantas solares para seguir al sol y aumentar su horas de máxima exposición.
  • Podrían añadirse espejos con facilidad para focalizar más luz y lograr así aún mejores resultados.

A pesar de todas estas ventajas, queda mucho camino por recorrer, pues aún estamos lejos de poder implantar estos prototipos de estructuras solares en nuestros edificios. Además, es necesario comprobar experimentalmente que todas las simulaciones que se han realizado se ajustan realmente a la realidad, cosa que llevará bastante tiempo. Aún así, el futuro para esta “nueva” tecnología parece muy prometedor.

Bibliografía

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Sobre el Autor:

Físico de materiales, nacido en El Bierzo y adoptado en tierras asturianas y vascas durante su paso por la Universidad de Oviedo y la Universidad del País Vasco. [...]

12 Comentarios & 6 Trackbacks

  • el Sr. Preogrullo se ha pasado por el MIT, por lo que veo.

    Como proyecto de secundaria de cualquier instituto me parece estupendo, para un centro de investigación es, simplemente, ridículo.

    • ¿También consideras ridículo y que solo vale como proyecto de segundaria el trabajo de Geim y Novoselov sobre la obtención del grafeno? Porque fue mucho más elemental que esto y hasta les dieron un Premio Nobel…

      No se puede desprestigiar de esa forma el trabajo de nadie. La ciencia que hay detrás de hacer cosas así puede no parecerte importante, pero las simulaciones no son para nada triviales. Además, los resultados de pruebas experimentales básicas, como es este caso, son de vital importancia para el desarrollo de futuros paneles solares más eficientes.

      • Es cierto lo que dices y las simulaciones son valiosas a todas luces, pero no es menos cierto que montajes similares (que son bastante toscos) ya se han realizado anteriormente en instalaciones particulares y están productivos.

  • Hay que invertir en energía solar a gran escala, da igual que sean los mismos monopolios energéticos, pero al menos no contaminarán.

    • Cuando alguien dice invertir en energía solar a gran escala argumentando que no contamina, me resulta imposible obviar el hecho de que para fabricar los paneles solares se genera una auténtica barbaridad de residuos.

      Mucho cuidado con esta concepción tan simplista de la energía solar. El día que los procesos de fabricación no generen tantos residuos, entonces ya podremos rendirnos a las bondades de la energía solar, de momento poco se avanza en este tema.

      Si a alguno le interesa que revise datos de fabricación de paneles solares en china, os aseguro que es una auténtica locura mediambiental, es fácil obviar esto cuando vemos un panel produciendo energía, pero merece la penar pensar un poco en cómo hemos llegado a ver un panel solar produciendo…

      • ¿Podrías indicarnos dónde encontrar la documentación?

  • Pues a mí me ha gustado este post.
    Cuando dices que se están reduciendo los costes de esta tecnología. ¿Sabes a qué se debe?

    • Lo que comentan en el artículo es que se reducen, pero no dicen expresamente por qué. Intuyo que se debe a que todas las tecnologías disminuyen su precio a medida que se van extendiendo, y que sus métodos de fabricación se van haciendo más sencillos y baratos

  • Efectivamente un panel en horizontal no tiene la misma eficiencia que uno con un ángulo óptimo de incidencia. En el panel horizontal no incide luz solar durante las primeras horas del día y las últimas de la tarde. Con lo cual, está en clara desventaja respecto a el panel mal llamado “3D”.
    Luego, en la configuración “3D” podemos ver que esos módulos tienen ese ángulo, por lo tanto reciben mas luz, durante mas tiempo.
    Ademas, los fotones reflejados en la configuración “3D”, son recogidos por los que están enfrentados en la parte superior. Eso le confiere ventaja con la radiación difusa.
    La refrigeración juega un papel importantisimo en el rendimiento. A mas calor, peor eficiencia. La configuración “3D” recibe mas viento con lo cual se enfría y produce mas. El panel horizontal casi no recibe viento de superficie. Por lo tanto en las horas de incidencia, se calienta mas de lo debido y produce menos de lo que tendría que producir. Las condiciones de laboratorio TONC no se aplican ni por asomo.
    Por último y “deal breaker”, un panel cuesta menos que 20. La regla número 1 de sostenibilidad dice que la producción energética tiene que ser mayor a la energía necesaria para producir esos paneles. Los paneles que solo reciben radiación difusa no cumplen esto y por lo tanto son inútiles.
    Un solo panel, y digo uno nada mas, (y sin sistema de seguimiento) con la misma superficie que la base del cubo, será mas eficiente que la configuración “3D”. Será mas barata de producir y sencilla de mantener.
    Por cierto, no he hablado del inversor que tiene que gestionar tanto panel inútil… Esto si que cuesta pasta.
    Con todo el respeto a estos estudiantes del MIT, la idea es buena, pero muy mal efectuada.
    Una cosa mas, si verificamos con el Photovoltaic Geographical Information System , el MIT no es el sitio mas adecuado para realizar un estudio fiable al aire libre.
    Un saludo y pido disculpas por la pedancia. Pero a veces es necesario determinar las condiciones de estudio.

    • La gran mayoría de los resultados obtenidos vienen directamente de simulaciones, no de medidas experimentales. Eso sí, en los casos en los que han contrastado la teoría (simulaciones) con la realidad (experimentos) la cosa ha funcionado bien. Desconozco si el MIT no está en el mejor sitio para realizar un estudio así al aire libre, pero si la teoría y la práctica coinciden algo estarán haciendo bien.

      De todas formas, tocas temas sobre los que yo no estoy familiarizado, pero quizá el profesor Jeffrey Grossman y sus estudiantes de doctorado sí, así que te invito a que leas el artículo original y envíes a la revista una nota en la que argumentes por qué están equivocados, o qué han hecho mal.

      • Estaría encantado de leer el artículo original, pero para ello es necesario tener un usuario registrado. De todas formas, en tu artículo no especificas los casos experimentales respecto a los experimentales. Tan solo comentas la jugada. Supongo que será debido a un simple error de traducción y redacción. Ese tipo de cosas pasan, no es mayor problema. Cometo esos errores también con mis estudiantes de vez en cuando. Poniendo esos datos experimentales (realidad) en tu artículo, quedaría mas completo.

        Lamento si te sientes ofendido, tan solo era un puntualización sobre tu artículo.

        • He leído de nuevo el artículo y tengo que matizar mi comentario anterior, realmente hay solo un poco más de simulación que de experimentación. Me explico.

          Se simuló el comportamiento con diferentes climas, configuraciones y posiciones en el planeta de varios modelos, y se construyeron tres de los cuales para hacer la experimentación: el cubo, el rectángulo y la torre. Se trató de verificar que los datos simulados daban cuenta realmente del fenómeno y tras la experimentación así se confirmó. Los resultados experimentales se ajustaban a lo esperado teóricamente.

          La gráfica donde se estudia la generación dependiendo de la posición en el planeta (la latitud) proviene de los resultados teóricos obtenido en sus simulaciones, ya que no es posible irse a todos los lugares a hacer el experimento. Sin embargo sí que lo hicieron en 20 ciudades, y la cosa funcionó. He añadido una frase extra para comentar esto último porque se me había pasado por alto.

          Y tranquilo que no me he ofendido. De hecho comentarios como el tuyo ayudan siempre a mejorar el conocimiento. Las críticas constructivas siempre son positivas. Sin embargo he recibido también algunos comentarios negativos y despectivos, y por eso te respondí un poco cortante

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