dan electricidad en verano pero también calefacción en invierno

La calefacción es la gran aliada en el hogar en los meses de invierno, también en España donde las temperaturas bajan considerablemente en muchas regiones. Pero una vez llega el verano, las casas requieren de otro tipo de climatización, los aires acondicionados se vuelven los reyes consumiendo grandes cantidades de electricidad.

¿Y si hubiera un dispositivo capaz de responder a estas dos necesidades tan extremas según la época del año? Ingenieros de Harvard han desarrollado un sistema capaz de captar energía solar y convertirla tanto en calor o electricidad, según sea necesario.

A medida que va cambiando la temperatura el sistema va alternando entre ambos usos, para ofrecer calor en invierno o electricidad en verano. El equipo destaca que los componentes son sencillos, económicos y escalables, con posibles aplicaciones en edificios, invernaderos e incluso vehículos.

Calor o electricidad

Ante la llegada de los rayos solares, los paneles fotovoltaicos producen electricidad tanto si se necesita como si no, por lo que dependen de sistemas de almacenamiento. Por su parte, los colectores solares térmicos generan con esa luz calor, incluso en los días de verano en los que no se requiere que suba más la temperatura del edificio.

Este equipo de investigación se ha propuesto combinar ambas utilidades para salvar el inconveniente. En un nuevo artículo de PNAS, un equipo del laboratorio de Joanna Aizenberg en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard (SEAS) describe esta solución. Su enfoque convierte un simple cambio de fase -la condensación y evaporación del agua- en un interruptor óptico.

El invento se basa en la lente de Fresnel, una lente plana con finas estrías que concentra la luz sin necesidad de usar una lente curva tradicional. Sobre la lente hay una cavidad sellada que contiene una cantidad fija de agua. Debajo se encuentra una pequeña célula fotovoltaica (FV); más abajo, el espacio interior actúa como un sumidero alternativo que absorbe la luz en forma de calor.

Cuando el agua dentro de la cavidad se calienta por encima del punto de rocío, permanece en estado gaseoso. El punto de rocío es la temperatura a la que, durante un proceso de enfriamiento, empieza a condensarse el vapor de agua contenido en el aire y se produce rocío, neblina y otro tipo de nube

En ese estado, existe una gran diferencia en el índice de refracción entre el vapor y el material de la lente, lo que permite que las aristas de Fresnel enfoquen la luz sobre la célula fotovoltaica, generando electricidad.

Mientras que en invierno, cuando la cavidad se enfría por debajo del punto de rocío, el agua se condensa en una fina capa que reduce esa diferencia, disminuyendo la capacidad de enfoque de la lente. Esto supone que una mayor cantidad de luz no llega a la célula fotovoltaica y entra en el espacio interior, donde se absorbe en forma de calor.

A pesar de estos buenos resultados, el diseño de este colector dual presenta un inconveniente. Debido a presenta una inclinación y orientación fijas, concentra la luz de manera eficiente solo durante ciertas horas y estaciones.

Cuando el sol no incide correctamente y la luz no se enfoca con nitidez en la célula solar, el dispositivo pasa automáticamente al modo solar térmico, canalizando más luz hacia el interior en forma de calor. El equipo está desarrollando estrategias para ampliar el número de horas en que ambos modos están disponibles.

Convirtiendo el 90% de la luz

En definitiva, con este diseño se consigue que el dispositivo cambie de funcionalidad sin depender de sensores o circuitos eléctricos más complejos. Para probar su eficiencia se ha puesto a prueba tanto dentro del laboratorio como en el exterior.

En una demostración, el aire del recinto tenía un punto de rocío cercano a los 15 grados Celsius (59 grados Fahrenheit), por lo que la condensación que activa el cambio de función se produjo cuando la lente descendió por debajo de esa temperatura.

Teniendo en cuenta las temperaturas estacionales promedio en Boston, por ejemplo, los investigadores calculan que la producción de electricidad predominaría entre mayo y octubre, mientras que el dispositivo produciría principalmente calor de noviembre a abril.

En pruebas de laboratorio, el equipo simuló condiciones exteriores y observó el cambio esperado. Por encima de los 15 °C, la luz se concentró principalmente en la célula fotovoltaica; por debajo de esa temperatura, gran parte de ella la evitó y entró en el espacio interior. A medida que la temperatura exterior aumentó de 10 °C a 35 °C, la temperatura interior descendió de unos 25 °C a unos 22 °C, mientras que la intensidad relativa de la luz en la célula fotovoltaica aumentó aproximadamente un 50 %.

En modo calefacción, el sistema convierte aproximadamente el 90 % de la luz solar incidente en calor para el interior. Según la estimación aproximada que ha realizado el equipo, esto representa aproximadamente cinco veces el rendimiento de calefacción solar de un panel fotovoltaico combinado con calefacción por resistencia eléctrica.