La conversión de energía termofotovoltaica (TPV en inglés) es un proceso de conversión directa de calor diferencial a electricidad por medio de fotones. Un sistema termofotovoltaico básico consiste en un emisor térmico y un diodo de energía fotovoltaica.
La temperatura del emisor térmico varía según diferentes sistemas de los casi 900 °C a casi 1300 °C, aunque en principio los aparatos TPV pueden extraer energía de cualquier emisor con una temperatura que supere aquella del aparato fotovoltaico (se crea un motor térmico óptico). El emisor puede ser una pieza de un material sólido o una estructura especialmente manipulada. Una célula fotoeléctrica convencional es, de hecho, un aparato en el que el Sol funciona como emisor. La emisión térmica es la emisión espontánea de fotones debido al cambio de cargas eléctricas en el material. A temperaturas TPV normales, esta radiación está en su mayor parte en el infrarrojo cercano y frecuencia infrarroja. El diodo fotovoltaico puede absorber alguno de estos fotones radiactivos y convertirlo en un portador de carga libre, eso es electricidad.
Los sistemas termofotovoltaicos tienen pocas, si es que tienen alguna, piezas movibles y son por eso muy silenciosos y requieren poco mantenimiento. Estas propiedades hacen que los sistemas termofotovoltaicos sean adecuados para sitios lejanos y aplicaciones generadoras de electricidad portátiles. Sus propiedades de eficacia energética-gasto, sin embargo, suelen ser bastante pobres comparadas con otras tecnologías para generar electricidad. Las investigaciones actuales en el área tienen como objetivo aumentar la eficacia del sistema manteniendo un coste bajo.
En el diseño de un sistema termofotovoltaico, es normal desear igualar las propiedades ópticas de la emisión térmica (longitud de onda, polarización electromagnética, dirección) con las características de conversión más eficientes de las células fotovoltaicas, ya que la emisión térmica bruta es la mayor fuente de ineficacia. Muchos grupos se centran en las células de antimoniuro de galio (GaSb). El germanio (Ge) también es válido. Muchas investigaciones y el desarrollo de los sistemas termofotovoltaicos, por tanto, se ocupan de métodos de control de las propiedades del emisor.
Muchos atribuyen la idea de este sistema al científico Pierre Aigrain (1956).
Las células termofotovoltáicas han sido propuestas a menudo como mecanismo auxiliar de conversión de energía para la regeneración de calor perdido en otros sistemas, como sistemas con turbina de vapor o células solares. Incluso se construyó un prototipo de coche termofotovoltaico. El "Viking 29" fue el primer automóvil termofotovoltaico del mundo, diseñado y construido por el Vehicle Research Institute (VRI) en la Universidad del Oeste de Washington.
La investigación termofotovoltaica es un área muy activa. Entre otros, el esfuerzo de desarrollo de la tecnología de conversión de radioisótopos de la Universidad de Houston se centra en combinar al mismo tiempo la célula termofotovoltaica con un termopar para proporcionar una mejora del 30% al 40% en la eficacia del sistema sobre los actuales generadores termoeléctricos de radioisótopos.
Origen Los termofotovoltaicos son una clase de sistemas energéticos que se usan para convertir la energía térmica en energía eléctrica. Están formados por, al menos, un emisor y un conversor de energía fotovoltaica. Sin embargo, la mayoría de los sistemas termofotovoltaicos también incluyen componentes adicionales como concentradores, filtros y reflectores. El principio básico de operación es similar al de los fotovoltaicos (PV en inglés) tradicionales donde unión P-N se usa para absorber energía óptica, generar y separar electrones/ hueco de electrones, y al hacerlo convertir esa energía en potencia eléctrica. La diferencia es que la energía óptica no es generada directamente por el sol, sino por un material a alta temperatura (calentado el emisor), que causa la emisión de luz. De esta manera, la energía térmica se convierte en energía eléctrica. Se puede calentar el emisor por luz solar o por combustión. En este sentido, los termofotovoltaicos proporcionan una gran versatilidad en combustibles. En el caso de termofotovolaicos solares, se necesitan concentradores extremadamente grandes para operaciones eficientes. Se pueden conseguir grandes mejoras en este concepto básico aprovechando los filtros o emisores selectivos para crear emisiones en un radio de longitud de onda reducido que es optimizado por el conversor fotovoltaico (PV) específico usado en el sistema. De esta manera, los termofotovoltaicos pueden superar una dificultad de los fotovoltaicos tradicionales, haciendo un uso eficiente del espectro solar completo. Para los emisores de cuerpo negro, los fotones con menos energía que la banda prohibida del conversor no pueden ser absorbidos para generar electrones/parejas de agujeros y son reflejados y se pierden o atraviesan la célula. Los fotones con energía superior a la banda prohibida pueden ser absorbidos, pero el exceso de energía, , se vuelve a perder, generando calor no deseado en la célula. En el caso de los termofotovoltaicos, puede haber casos similares, pero el uso de emisores selectivos (la emisividad por encima de una estrecha longitud de onda), o filtros ópticos que pasan solo una gama de longitud de onda y reflecta todas las demás, se puede usar para generar un espectro de emisión atómica gracias al conversor fotovoltaico. De esta manera, estos fotones no se pierden o se usan ineficazmente pues se aumenta de forma drástica la eficacia global del sistema. En el caso de los filtros reflectantes, el emisor debe ser capaz de absorber toda esta gama para usar eficazmente los fotones no convertidos. Para lograr el rendimiento máximo, se deben convertir todos los fotones. Un proceso calificado como reciclaje de fotones se puede utilizar para lograrlo. Aquí los reflectores se colocan detrás del conversor y en cualquier sitio del sistema a donde los fotones no se puedan dirigir eficientemente hasta el colector. Estos fotones se devuelven al concentrador donde se pueden convertir, o al emisor donde se pueden reabsorber para generar calor y fotones adicionales. Un sistema termofotovoltaico ideal utilizaría fotones reciclados y una emisión selectiva para usar todo los fotones y permitir su óptima conversión.
Rendimiento Para comprender el beneficio total de los sistemas termofotovoltaicos, es útil una discusión sobre los principios de eficiencia en los termofotovoltaicos. El límite absoluto para la eficiencia en los termofotovoltaicos (y todos los sistemas que convierten la energía térmica en trabajo) es la eficiencia Carnot, la de un motor térmico ideal. Esta eficiencia se obtiene por:
donde Tcélula es la temperatura del conversor fotovoltaico. Para obtener los mejores valores razonables en un sistema práctico, Tcélula~300K and Temisión~1800, obteniendo un rendimiento máximo del 83%. Este límite establece el límite superior para la eficiencia del sistema. Con el 83% de eficiencia, toda la energía térmica se convierte en radiación por el emisor, que gracias a los fotovoltaicos se convierte luego en energía eléctrica sin pérdidas, como termalización o pérdidas óhmicas. En la máxima eficacia, también asumen que no hay variación de entropía, que solo es posible si el emisor y la célula están a la misma temperatura. Aun así, como un límite superior, es útil. Debido a la complejidad de los sistemas de termofotovoltaicos y las muchas fuentes de ineficiencia, los modelos más precisos para la eficiencia se vuelven muy complejos, pero una discusión sobre las diversas fuentes de ineficiencia que provocan que los sistemas reales estén muy por debajo de este límite merece la pena. Emisores Para el emisor, las desviaciones de la perfecta absorción de plomo y el perfecto comportamiento de cuerpo negro provocan pérdidas de luz. Para el caso de los emisores selectivos, cualquier luz emitida en longitudes de onda que no corresponda a la energía de banda prohibida del fotovoltaico no se puede convertir con eficiencia (por razones ya discutidas arriba) y acaba reduciendo el rendimiento. En particular, las emisiones asociadas a resonancias son difíciles de evitar por la longitud de onda de los infrarrojos lejanos, que son se pueden convertir. Lo ideal: un emisor no emitirá en este radio, y la energía se convertirá solo en longitudes de onda que sean fácilmente convertibles. Filtros Para emisores de cuerpo negro o emisores selectivos imperfectos los filtros son necesarios para reflejar longitudes de onda no ideales de vuelta al emisor. En la práctica, estos filtros son raramente perfectos. Toda luz que se absorbe o dispersa y no se redirige al emisor o el convertidor se pierde. Además, los filtros prácticos a menudo reflejan un pequeño porcentaje de la luz en la longitud de onda deseada o transmite la luz de longitudes de onda no ideal. Ambos pueden provocar ineficiencias. Conversores Incluso para sistemas donde solo la luz de longitudes de onda se pasa al conversor, existen ineficacias relacionadas con recombinaciones no radiactivas y pérdidas óhmicas. Puesto que estas pérdidas pueden depender de la intensidad de la incidencia de la luz en la célula, los sistemas reales deben considerar la intensidad producida por una serie de condiciones (el material del emisor, filtro, temperatura de funcionamiento).
Geometría En un sistema ideal, el emisor estaría rodeado de conversores fotovoltaicos por lo que no se perdería luz. Sin embargo, en realidad, la geometría debe acomodarse a la energía de entrada (inyección de combustible o luz de entrada) usada para calentar el emisor. Además, los altos costos prohíben la colocación de los transformadores en todas partes. Cuando el emisor remite la luz, lo que no llegue al conversor se pierde. Se pueden utilizar espejos para redirigir parte de esta luz hacia el emisor, sin embargo, los espejos pueden tener sus propias pérdidas.
La radiación de un cuerpo negro Para entender algunas de las exigencias prácticas de los componentes de termofotovoltaicos reales, es útil mirar algunos números básicos. Hablaremos de los emisores de cuerpo negro donde se logra la recirculación de fotones gracias a los filtros. Sin embargo, se pueden aplicar conceptos similares a los emisores de emisión selectiva. La ley de Planck establece que un cuerpo negro emitirá luz con un espectro dado por:
donde I' es el flujo de la luz de una determinada longitud de onda, λ, expresadas en unidades de 1/m³/s. Aquí, h es la constant de Planck, k is la constant de Boltzmann, c es la velocidad de la luz, y Temit es la temperatura del emisor. Por tanto, el flujo de la luz con longitud de onda de un determinado radio puede encontrarse por encima del límite. La longitud de onda del pico está determinada por la temperatura, Temit, que se basa en la Ley de Wien:
donde b es la constant del desplazamiento de Wien. Para la mayor parte de los materiales, la temperatura máxima a la que puede operar un emisor es de unos 1800 °C. Esto corresponde a una intensidad que alcanza el máximo en λ a unos 1600 nm o una energía de unos 0,75 eV. En unas temperaturas más razonables de 1200 °C, esto se reduce a unos 0,5 eV. Estas energías dictan el radio de banda prohibida necesario para conversores termofotovoltaicos prácticos (aunque el máximo de la energía espectral es algo mayor). Los materiales fotovoltaicos tradicionales como Si (1,1 eV) y GaAs (1,4 eV) son substancialmente menos prácticas para los sistemas termofotovoltaicos, puesto que la intensidad del espectro de un cuerpo negro es demasiado baja en esas energías para los emisores de temperaturas realistas.
Componentes activos y Selección de materiales Emisores