Una vez extendido el uso de la energía solar por gran parte del mundo, incluida España, llega la carrera por incrementar la eficiencia y durabilidad de estos sistemas de energía renovable. A un ritmo frenético surgen nuevos diseños de placas solares capaces de ofrecer un ahorro mayor en la factura de la luz, incluso modelos donde la refrigeración inspirada en la naturaleza facilita la generación de un 10% más de electricidad y hasta permitiría convertir agua salada en dulce.

No hay mejor sistema capaz de convertir la luz solar en energía que la fotosíntesis. Las plantas llevan toda la vida aprovechando recursos como el agua y el sol para sobrevivir y la humanidad puede seguir aprendiendo de ellas para diseñar tecnologías más eficientes y sostenibles. Un equipo del Imperial College de Londres ha creado estas placas solares inspiradas en las plantas.

Este nuevo invento utiliza materiales de bajo coste y aspira a dar forma a la próxima generación de placas solares para que no dependan de bombas, ventiladores o unidades de control para tener una duración de vida más larga y eficiente. Además, los investigadores quieren darle un doble uso al diseño: están realizando pruebas para transformar el agua del mar en agua dulce en la propia placa fotovoltaica.

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"Nuestro objetivo es cogenerar electricidad, calor y agua limpia a partir del mismo colector solar 'híbrido' sin bomba", explica el Dr. Gan Huang. Su idea reinventa el sistema de refrigeración de los paneles solares de la misma forma que las hojas naturales de los árboles, siendo posible darle un segundo uso para crear agua dulce donde más escasea.

Composición

No todo el sol que alcanza a los paneles solares sobre el tejado de una casa se convierte en energía renovable. La eficiencia de estos sistemas suele ser inferior al 25%, pues el resto se acaba disipando en forma de calor, condiciones que aceleran además su envejecimiento prematuro. Para mantener las placas a una temperatura óptima se acaba recurriendo a flujos de agua o aire que requieren de ventiladores o bombas de presión, lo que se traduce en más gasto energético que no se destina al hogar.

Esto es lo que persiguen erradicar con las nuevas hojas fotovoltaicas los investigadores del Imperial College de Londres. El experimento ha demostrado que el nuevo sistema puede generar por encima de un 10% más de electricidad en comparación con los paneles solares convencionales, los cuales pierden hasta el 70% de la energía solar entrante.

Ilustración de Hoja solar Imperial College London / Dr. Gan Huang. Omicrono

Este aumento de la eficiencia se consigue con un nuevo diseño de placas solares cuyo sistema de transpiración se basa en la red de venas de las hojas. Tras la celda solar se adjunta una capa de transpiración biomimética (BT), donde se elimina el calor generado por la celda solar. Las fibras de bambú natural se usan aquí para imitar los haces vasculares o venas que transportan el agua de la raíz de la planta hasta las hojas.

También en esta capa, unas células de hidrogel se utilizan para imitar a las células de esponja que permiten que el agua transportada en las venas se evapore con el calor generado en la planta y en la placa solar. Por lo tanto, bajo la superficie de la celda, en la capa BT, el agua se distribuye por toda la superficie a través de unas 30 ramas de haces de fibra de bambú que se incrustan homogéneamente en las células de hidrogel de polímero superabsorbente (SAP) de poliacrilato de potasio (PAAK).

Representación de las hojas naturales y fotovoltaicas Imperial College London / Dr. Gan Huang. Omicrono

Impulsada por la capilaridad y la ósmosis que generan las células de hidrogel, el agua líquida fluye continuamente desde un tanque de agua a las celdas de hidrogel SAP para complementar el agua perdida por evaporación. "Es de destacar que la tasa de transpiración aumentó significativamente a medida que aumentaba la temperatura de funcionamiento de la hoja fotovoltaica", indican en el artículo científico.

Resultados en laboratorio

Se construyó un prototipo de hoja fotovoltaica para poner a prueba el diseño, con un área efectiva de 10 × 10 cm cuadrados y protegida por una capa de vidrio de alta transmitancia de 0,7 mm de espesor. El rendimiento de transpiración de la hoja fotovoltaica se probó en un simulador solar con una irradiancia de G  = 1000 W/m 2 (medida con un piranómetro), sin viento, y después se comparó con el de una célula fotovoltaica independiente del mismo material.

Durante estas pruebas, la celda fotovoltaica independiente alcanzó una temperatura de 68,8 °C, mientras que la hoja fotovoltaica con el nuevo sistema de enfriamiento por transpiración biomimética solo alcanzó una temperatura de 43,2 °C. "Se espera que la temperatura de la hoja fotovoltaica se reduzca aún más debido a la convección y al efecto de la velocidad del viento en un entorno exterior", añaden los investigadores.

Creando agua dulce

Puesto que este nuevo sistema de enfriamiento requiere del uso de agua, aunque no de energía, el equipo del Imperial College de Londres realizó otro experimento con el agua más abundante que hay en el planeta: el agua salada. Esto se debe a que el gasto de agua dulce o potable en determinados territorios con sequía puede mermar la utilidad del invento.

Las pruebas realizadas demostraron que tanto el agua dulce como la salina facilitaban la transpiración de la placa solar con la misma eficacia. No obstante, con el agua de mar se requiere un pretratamiento mediante el uso de alúmina activada para aliviar la corrosión a largo plazo.

Recreación del funcionamiento de la hoja fotovoltaica Imperial College London / Dr. Gan Huang. Omicrono

Durante el experimento, que duró 8 horas, no se observó una cristalización de sal obvia en la superficie exterior de la malla. Incluso la capa de BT puede rechazar los iones de sal, devolviéndolos al tanque con la solución salina "durante la noche" por difusión. De esta forma, se limpia mientras la placa no está funcionando para volver a estar lista al día siguiente.

Haciendo más énfasis en la escasez de agua dulce que sufre el mundo a pesar de estar cubierto por océanos, los investigadores aprovechan la compatibilidad de su invento con el agua salada y la evaporación que se produce en su interior para darle una segunda utilidad. El estudio refleja la posibilidad de usar este invento como futura desaladora impulsada por energía solar para transformar el agua salada en dulce, y por consiguiente, en potable.

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La transpiración en las células de hidrogel genera vapor limpio, que se puede convertir en agua dulce y energía térmica a través de la condensación. Si se adjunta una cámara de recolección de vapor debajo de la capa BT, esas gotas se pueden acumular y almacenar para luchar contra la sequía. 

Los investigadores usaron un pequeño ventilador para extraer el vapor de la cámara. No obstante, este nuevo enfoque no ha sido probado, al centrarse el estudio en el rendimiento eléctrico, térmico y de generación de vapor de la hoja fotovoltaica. "Se necesita un condensador de agua adicional, para condensar aún más el vapor, producir agua dulce y liberar energía térmica", explican.

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