paneles solares, energía solar
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| Estos paneles solares ordinarios no generan electricidad por la noche, las iteraciones futuras de la tecnología podrían hacerlo. |
El enfriamiento radiativo podría reducir la necesidad de costosas baterías en algunas aplicaciones
Las noches claras con cielos despejados en cualquier época del año, significan que la luz infrarroja de la superficie de los paneles solares puede irradiarse libremente hacia el espacio.
Ese flujo de energía permite que el dispositivo creado por ingenieros de Stanford, un panel solar ordinario equipado con un generador termoeléctrico, genere una pequeña cantidad de electricidad a partir de la ligera diferencia de temperatura entre el aire ambiente y la superficie de un panel solar que apunta hacia el espacio profundo.
Por la noche, los paneles solares emiten fotones
La nueva tecnología aprovecha un dato sorprendente sobre los paneles solares. Durante el día, hay una luz que entra desde el Sol y golpea la celda solar, pero durante la noche, ocurre algo así como lo contrario. Eso es porque los paneles solares, como todo lo que está más caliente que el cero absoluto, emiten radiación infrarroja.
De hecho, sale luz [del panel solar], y se puede usar para generar electricidad por la noche. Los fotones que salen al cielo nocturno enfrían la celda solar. A medida que esos fotones dejan la superficie hacia el cielo del panel solar, transportan calor con ellos. Eso significa que en una noche despejada, cuando no hay nubes que reflejen la luz infrarroja hacia la Tierra, la superficie de un panel solar estará unos grados más fría que el aire que lo rodea. Ese diferencial de temperatura es lo que aprovecha un dispositivo llamado generador termoeléctrico para capturar parte del calor que fluye del aire más cálido al panel solar más frío y convertirlo en electricidad.
En una noche despejada, el dispositivo que se probó en la azotea de Stanford generó aproximadamente cincuenta milivatios por cada metro cuadrado de panel solar (50 mW/m 2 ). El límite teórico es probablemente de uno o dos vatios por metro cuadrado. Esa no es una gran cantidad, pero hay muchas aplicaciones en las que ese tipo de energía en la noche sería útil.
Por ejemplo, una gran fracción de la población mundial, aproximadamente mil millones de personas, no tiene acceso a una red eléctrica. Las personas que viven en esa situación “pueden confiar en la energía solar durante el día, pero por la noche no hay mucho que puedan hacer”. A diferencia de las baterías que se degradan sustancialmente después de unos pocos miles de ciclos de carga, el tipo de generadores termoeléctricos que se utilizan en estos paneles solares son de estado sólido, "por lo que la vida útil es prácticamente eterna".
Otro buen uso de la tecnología es impulsar la inmensa red de sensores ambientales que utilizan los investigadores para controlar todo, desde las condiciones climáticas hasta las especies invasoras en rincones remotos del mundo. Nuevamente, los paneles solares que generan una pequeña cantidad de electricidad por la noche podrían reducir la necesidad de baterías y los costes de mantenimiento y reemplazo en los que incurren.
La invención aprovecha una fuente de energía que se pasa por alto fácilmente
La Tierra recibe constantemente una enorme cantidad de energía del Sol, por una suma de 173.000 teravatios. Las nubes, las partículas en la atmósfera y las superficies reflectantes, como las montañas cubiertas de nieve, reflejan inmediatamente el 30 por ciento de esa energía hacia el espacio. El resto termina calentando la tierra, los océanos, las nubes, la atmósfera y todo lo demás en el planeta.
Pero esa energía no se queda aquí. Excepto por el calor adicional que los gases de efecto invernadero han estado atrapando una vez que los humanos comenzaron a quemar grandes cantidades de combustibles fósiles desde la revolución Industrial, la Tierra envía tanta energía como la que recibe. Es por eso que el planeta emite una cantidad de energía verdaderamente importante en forma de radiación infrarroja.
Es una especie de luz. La radiación infrarroja que brilla desde la Tierra cálida (o cualquier otra cosa) tiene longitudes de onda que son demasiado largas para que los ojos las vean, pero transporta energía. De hecho, más de la mitad de la cantidad total de energía solar que llega a la Tierra pasa por este proceso y finalmente regresa al espacio.
Lo que han hecho los ingenieros de Stanford es idear una nueva forma de capturar esa energía a medida que abandona el planeta. No son los primeros en usar un generador termoeléctrico para capturar este tipo de energía ( IE cubrió una de las primeras grandes innovaciones en este espacio en 2019). Al integrar esta nueva tecnología con paneles solares que generan electricidad durante el día, los investigadores han dado un importante paso adelante al hacer posible que la gente común capture esta energía por sí misma.
Todo se reduce al enfriamiento radiativo
Los científicos modernos no son los primeros en notar que una superficie que apunta hacia el cielo nocturno sin nubes puede volverse más fría que el aire que la rodea. El fenómeno se llama enfriamiento radiativo, y probablemente lo hayas visto a primera hora de la mañana. Es más evidente en el césped después de que las temperaturas hayan bajado los suficiente pero sin llegar al punto de congelación o de punto de rocío.
Es un fenómeno extraño (aunque sutil) que solo ocurre cuando el cielo está despejado. Eso se debe a que las nubes calientan el suelo al reflejar la luz infrarroja hacia la superficie de la Tierra. No podemos verlo porque está sucediendo en una longitud de onda que los humanos no podemos ver.
Los científicos modernos tampoco son las primeras personas en poner a funcionar el enfriamiento radiativo. El sureste de Irán contiene los restos de docenas de casas de hielo, llamadas Yakhchāls, que los antiguos persas usaban para explotar el fenómeno. Cuando las estructuras estaban en funcionamiento, la gente vertía agua en piscinas poco profundas junto a las casas de hielo. Incluso si la temperatura del aire estuviera entre -1 y 4ºC, el agua se congelaría. Por la mañana, la gente recolectaba el hielo y lo transfería a una estructura similar a una colmena cercana que usaba un conjunto diferente de técnicas de enfriamiento pasivo para mantener el hielo bajo cero durante todo el verano.
El desarrollo de esta tecnología plantea varios retos de ingeniería
Comprender la física detrás de estos paneles solares nocturnos es solo una parte de la batalla. Los ingenieros han estado trabajando durante años para hacerlos lo suficientemente eficientes como para que valga la pena usarlos en el mundo real.
Una celda solar en realidad no es un buen conductor de calor. Ahí es donde está el problema. Los ingenieros se dieron cuenta de que la energía que escapaba por los bordes del panel solar no contribuía mucho a la producción de energía del sistema porque la energía térmica no podía viajar fácilmente a través de la celda solar.
Los ingenieros solucionaron el problema conectando la celda solar directamente a una placa de aluminio, que conduce la energía de manera mucho más eficiente.
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