Ingenieros de la Universidad de Stanford (California, EEUU) han creado un concentrador óptico, denominado Agile, que ayuda a los sistemas solares a captar más luz incluso en un día nublado y sin necesidad de estar directamente apuntados hacia el Sol.
Los investigadores han diseñado y probado con éxito este ingenioso dispositivo de lentes que puede recoger eficazmente la luz desde todos los ángulos y concentrarla en una posición de salida fija.
Los paneles fotovoltaicos funcionan mejor cuando la luz del sol incide directamente sobre ellos. Para captar la mayor cantidad de energía posible, muchos paneles solares giran activamente hacia el Sol a medida que éste se desplaza por el cielo. Esto los hace más eficientes, pero también más caros y complicados de construir y mantener que si se tratara de un sistema fijo.
En la Universidad de Stanford, la investigadora de ingeniería Nina Vaidya diseñó un ingenioso dispositivo que puede recoger y concentrar eficazmente la luz que incide sobre él, independientemente del ángulo y la frecuencia de esa luz.
Se trata de un sistema completamente pasivo: no necesita energía para rastrear la fuente ni tiene piezas móviles. Sin foco óptico que dependa de posiciones determinadas ni necesidad de sistemas de seguimiento, concentrar la luz resulta mucho más sencillo.
El dispositivo, bautizado como AGILE (Axially Graded Index Lens), es aparentemente sencillo. Tiene el aspecto de una pirámide invertida con la punta cortada. La luz entra en la parte superior, cuadrada y en forma de baldosa, desde cualquier ángulo y se canaliza hacia abajo para crear un punto más brillante en la salida.
Gran eficiencia del sistema
En sus prototipos, los investigadores lograron capturar más del 90% de la luz que incidía en la superficie y crear puntos de salida tres veces más brillantes que la luz entrante.
Instalados en un panel sobre las células solares, estos concentradores podrían hacer más eficientes las matrices solares y capturar no sólo la luz solar directa, sino también la luz difusa que hay dispersa en la atmósfera terrestre.
Colocar una capa de concentradores AGILE sobre los paneles podría reemplazar el actual encapsulado que protege las matrices solares, eliminar la necesidad de seguir el Sol, crear espacio para la refrigeración y los circuitos entre las estrechas pirámides de los dispositivos individuales y, lo que es más importante, reducir la cantidad de superficie de células solares necesaria para producir energía y, por tanto, reducir los costes.
Y los usos no se limitan a las instalaciones solares terrestres: si se aplica a las matrices solares que se envían al espacio, una capa AGILE podría concentrar la luz sin seguimiento solar y proporcionar la protección necesaria contra la radiación.
El mismo principio que una lupa bajo el sol
La premisa básica de AGILE es similar a la de utilizar una lupa para quemar hojas usando la luz del sol. La lente de la lupa concentra los rayos solares en un punto.
Pero con una lupa, el punto focal se mueve como lo hace el sol. Vaidya y Solgaard encontraron la forma de crear una lente que toma los rayos desde todos los ángulos pero que siempre concentra la luz en la misma posición de salida.
Vaidya y Solgaard determinaron que, en teoría, sería posible recoger y concentrar la luz dispersa utilizando un material de ingeniería que aumentara suavemente su índice de refracción, una propiedad que describe la rapidez con la que la luz viaja a través de un material, haciendo que la luz se doble y se curve hacia un punto focal. En la superficie del material, la luz apenas se curva. Cuando llegara al otro lado, estaría casi vertical y enfocada.
Un AGILE ideal tiene, en su parte delantera, el mismo índice de refracción que el aire y va aumentando gradualmente: la luz se curva en una curva perfectamente suave. Pero en una situación práctica, no existirá ese AGILE ideal.
Para los prototipos, los investigadores han colocado en capas diferentes vidrios y polímeros que desvían la luz en distintos grados, creando lo que se conoce como material de índice graduado. Las capas cambian la dirección de la luz por pasos en lugar de una curva suave, lo que, según los investigadores, es una buena aproximación al AGILE ideal. Los lados de los prototipos están espejados, por lo que cualquier luz que vaya en la dirección equivocada es rebotada hacia la salida.
Uno de los mayores retos fue encontrar y crear los materiales adecuados. Las capas de material del prototipo AGILE dejan pasar un amplio espectro de luz, desde el ultravioleta cercano hasta el infrarrojo, y desvían esa luz cada vez más hacia la salida con una amplia gama de índices de refracción, algo que no se ve en la naturaleza ni en la industria óptica actual.
Después de explorar muchos materiales, crear nuevas técnicas de fabricación y probar múltiples prototipos, los investigadores llegaron a los diseños de AGILE que funcionaban bien utilizando polímeros y vidrios disponibles en el mercado.
El AGILE también se ha fabricado mediante impresión 3D en el trabajo anterior de los autores, que crearon lentes poliméricas ligeras y de diseño flexible con una rugosidad superficial a escala nanométrica.
Vaidya espera que los diseños de AGILE puedan utilizarse en la industria solar y en otros ámbitos. AGILE tiene varias aplicaciones potenciales en áreas como el acoplamiento de láseres, las tecnologías de visualización y la iluminación, como la iluminación de estado sólido, que es más eficiente energéticamente que los antiguos métodos de iluminación.
Estudio de referencia: https://news.stanford.edu/2022/06/27/new-optical-device-help-solar-arrays-focus-light-even-clouds/
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