Las energías renovables siguen avanzando tecnológicamente, con propuestas como el proyecto europeo para captar energía solar en el espacio y enviarla a la Tierra, pero los objetivos de descarbonización de los próximos años son tan ambiciosos que los avances tienen que acelerarse aún más. Entre el año 2030 y 2050, los compromisos alcanzados por España y el resto de países participantes en COP27, la última Cumbre del Clima, nos obligan a dejar atrás el carbón, el petróleo y el gas y volcarnos con las fuentes de energía renovables.
En la actualidad, en el entorno europeo la electricidad que se produce gracias a las energías renovables es aproximadamente del 20%, porcentaje que se reduce aún más si se tiene en cuenta la energía en todos los ámbitos, como la calefacción o el transporte. Y para una transición rápida y efectiva, nos encontramos con un obstáculo cada vez más acuciante: la escasa eficiencia de los sistemas actuales.
Para ponerle remedio, un equipo de investigadores de la Universidad de Alcalá de Henares (UAH) ha desarrollado una ingeniosa solución que permite aumentar la producción de los paneles solares gracias a un sistema de refrigeración. Y es que, aunque parezca contraintuitivo, el sobrecalentamiento de las placas reduce drásticamente su eficiencia de captación de energía.
Cómo funciona
La energía solar fotovoltáica, la renovable más barata, más segura y la que menos contamina (teniendo en cuenta todo su ciclo de vida) tiene todavía que resolver el problema de la eficiencia: los paneles de silicio actuales, los que se instalan habitualmente tanto en los tejados de las casas como en las grandes granjas solares, sólo convierten en energía entre un 20 y un 25% de la radiación solar recibida, unas cifras que descienden todavía más cuando el panel se calienta en exceso.
"Ese porcentaje de eficiencia se puede reducir hasta un 15% o más en entornos como el de nuestro país, con poca nubosidad y alta radiación solar durante muchos días al año", explica a EL ESPAÑOL-Omicrono Ignacio Valiente Blanco, uno de los autores de la investigación publicada en Journal of Solar Energy Engineering. "También afecta a zonas áridas o semiáridas donde el potencial de esta energía es incluso mayor. En estas áreas los paneles se pueden calentar hasta los 70 grados, reduciendo su eficiencia todavía más". Ese exceso en la temperatura no sólo reduce la eficiencia, sino que también produce problemas adicionales relacionados con los ciclos térmicos y degrada más rápidamente los paneles, reduciendo su vida útil.
La trasera de una placa solar con el sistema de refrigeración para aumentar su eficiencia
El desafío al que se enfrentó el equipo del Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones de la Escuela Politécnica de la UAH consistía en buscar un sistema que permitiera refrigerar los paneles sin que su consumo eléctrico limitara la cantidad extra de energía producida. Encontraron la respuesta en una solución sostenible, que utiliza el subsuelo como medio de evacuación del calor. Tras construir un prototipo y tenerlo en funcionamiento más de un año, están convencidos de que han dado con una solución viable tanto técnica como económicamente.
"Lo que hemos estado probando es un panel comercial estándar al que le hemos añadido un intercambiador de calor en la parte trasera". Consiste básicamente en una serie de tubos en forma de U, que se pegan utilizando un pegamento epoxi industrial. "Por estos tubos se hace circular un fluido que extrae el calor. Puede ser agua o, en el caso en el que estamos probando en Alcalá de Henares, donde las temperaturas en invierno pueden bajar de los 0 grados, agua glicolada (que se suele usar como refrigerante y anticongelante industrial). Cuando el panel se calienta, al hacer circular este líquido logramos extraer el calor y reducir su temperatura".
Instalación del sistema en la parte trasera de un panel solar
Ese calor extra hay que evacuarlo a algún lado y la idea de Valiente y su equipo pasa por realizar una perforación en el suelo, a una profundidad aproximada de 15 metros, y con un pequeño diámetro de 0,1 metros. Algo similar a los pozos de sondeo que se suelen hacer para saber si hay agua bajo la superficie de un terreno. "Ahí introducimos un segundo intercambiador de calor, porque el subsuelo tiene una característica muy importante: a una distancia relativamente baja, en torno a los 5 metros, la temperatura es estable, en torno a los 15 grados durante todo el año. Ahí tenemos un foco frío con alta capacidad térmica perfecto para poder absorber el calor sobrante de los paneles solares".
Con una pequeña bomba encargada de hacer circular el líquido, la refrigeración funciona de manera constante. Además, como es un circuito cerrado y el agua tiene mucha capacidad para extraer calor, el consumo de la bomba es muy pequeño y el consumo de agua tampoco es significativo.
Imágenes del panel solar con una cámara normal y una cámara térmica
El incremento máximo de la eficiencia se sitúa en torno al 14% y se obtiene durante los meses de verano. "El resto del año, teniendo en cuenta la producción extra que se puede generar, varía en torno al 5 y el 10% dependiendo de las zonas geográficas y la climatología. Puede parecer un número pequeño, pero supone un incremento de la eficiencia más importante que el que se ha conseguido con las células de silicio en los últimos 20 años".
No es la primera vez que se afronta el problema de cómo afecta el calor a la eficiencia de las placas, pero de momento no se ha adoptado ninguna solución a gran escala, principalmente por los costes asociados. "Se han propuesto muchas otras técnicas de refrigeración de los paneles solares", sostiene Valiente, "pero la mayoría de ellas no tienen este foco frío disponible y lo tienen que hacer contra el ambiente. Por eso, tienen que utilizar otros medios de refrigeración que consumen mucha más energía, suelen ser más voluminosos y tienen costes más elevados".
Todo tipo de instalaciones
En un principio, el prototipo desarrollado por los investigadores estaba pensado exclusivamente para su uso en grandes granjas solares, donde la energía se produce en masa y un elemento capaz de aumentar la eficiencia implica una mejora sustancial en la generación de energía. Sin embargo, tras las pruebas realizadas, Valiente y su equipo están estudiando cómo adaptarlo para su uso en instalaciones más pequeñas, ya sea en hogares unifamiliares o en viviendas en altura.
“A nivel técnico es perfectamente posible", confirma el ingeniero. De hecho, el sistema instalado en Alcalá es de pequeño tamaño, similar al que se puede instalar en una casa aislada para reducir la factura de la luz o para dedicarla al autoconsumo. "A nivel práctico, todavía estamos evaluando la viabilidad económica dependiendo de cada uno de los escenarios".
Diagrama del sistema de refrigeración de placas solares
Y es que, en algunos casos, no es posible perforar el suelo hasta los 15 metros, como en un edificio ya construido en el centro de una gran ciudad. Sin embargo, en una vivienda de nueva construcción, cuando se ejecuta el proyecto, "este tipo de perforaciones se realizan en toda la zona para hacer los pilotes estructurales, por ejemplo. Sería perfectamente viable en esos casos y también en chalés y viviendas unifamiliares”.
En cuanto al coste, los cálculos del equipo de la UAH son bastante precisos a la hora de establecer cuánto tiempo sería necesario para amortizar esta tecnología. "Hemos estimado que el período para recuperar la inversión inicial se sitúa en torno a los 10 años, teniendo en cuenta el precio promedio de la energía de los últimos 12 años. Si tenemos en cuenta el precio actual de la energía, ese período de amortización se reduce drásticamente”.
Placa solar con el sistema de refrigeración instalado
De momento, los investigadores ya están entablando conversaciones preliminares con varias empresas que han mostrado interés en el sistema para su futura comercialización. Mientras tanto, Valiente y su equipo necesitan seguir haciendo pruebas, ya que sigue siendo un proyecto de investigación, pero las perspectivas son muy halagüeñas dada la necesidad de mejorar la eficiencia de las placas solares.
Los investigadores también miran hacia el futuro, que parece dirigirse hacia los sistemas fotovoltáicos de concentración. Y es que, aparte del silicio, hay otros materiales que pueden alcanzar eficiencias mucho mayores, cercanas al 50%. Sin embargo, son materiales costosos y para su utilización lo que se hace es fabricar células más pequeñas y utilizar espejos y lentes de concentración de luz sobre ellas.
Al concentrar la luz con esta especie de lupa gigante se consigue mayor potencia, pero también un aumento considerable de la temperatura, por lo que son necesarios sistemas de refrigeración como el que está desarrollando Valiente y su equipo para que funcionen correctamente. "Es una tecnología desarrollada hace tiempo pero no consigue arrancar debido a problemas como este. Por eso estamos evaluando la posibilidad de adaptar nuestro sistema a este tipo de instalaciones solares fotovoltaicas", concluye.