Termosolar / CSP | Solar Thermal / CSP FuturEnergy | Octubre October 2016 www.futurenergyweb.es 58 directamente en el foco de un concentrador solar y produce electricidad de forma ininterrumpida día y noche. El sistema carece de partes móviles y de fluidos de trasferencia de calor, lo cual le confiere un funcionamiento silencioso y con mínimas necesidades de mantenimiento, ambos aspectos muy importantes para su eventual instalación de forma descentralizada en emplazamientos urbanos. La clave de estos sistemas radica en el empleo de convertidores termofotovoltaicos, en vez de turbinas, para producir electricidad. Estos convertidores se colocan directamente en las paredes del contenedor de acumulación térmica y permiten, por tanto, integrar la acumulación y la generación en un mismo módulo extremadamente compacto, de fácil manejo e instalación. Conversión termofotovoltaica Una célula termofotovoltaica (TPV, de sus siglas en inglés) funciona de forma idéntica a una célula solar: la absorción de fotones en un material semiconductor produce electrones, que se suministran al exterior creando una corriente eléctrica. La diferencia radica en el espectro de absorción, que en una célula TPV está desplazado al infrarrojo para convertir eficientemente la radiación térmica en vez de la radiación solar. Para ello se emplean materiales semiconductores capaces de absorber fotones de baja energía, como por ejemplo el germanio o el antimoniuro de galio, en vez de semiconductores que absorben eficientemente la luz solar, como el silicio o el arseniuro de galio. Por lo general, una célula TPV trabaja con fuentes térmicas que superan los 1.000 ºC y su eficiencia de conversión, a día de hoy, está entorno al 25%2. Además, pueden generar densidades de potencia eléctrica muy elevadas, por encima a los 20 kW/m2, es decir unas 100 veces más que las células solares convencionales, lo cual permite alcanzar costes por unidad de potencia (en €/W) muy competitivos. Sin embargo, la tecnología TPV está aún en una fase de desarrollo muy temprana y existe un amplio margen de mejora: hasta alcanzar eficiencias y densidades de potencia por encima del 40% y los 100 kW/m2, respectivamente. El potencial de mejora en la eficiencia de estos dispositivos radica en que se puede ajustar el espectro de emisión de la fuente térmica a la respuesta espectral de la célula, algo que es imposible en una célula solar. Esto puede llevarse a cabo mediante la utilización de filtros o espejos para devolver a la fuente térmica la parte del espectro no absorbida en la célula, de forma que esta radiación se reabsorba y no represente una pérdida de energía. Sobre el papel, de esta forma sería posible alcanzar eficiencias de conversión incluso superiores al 50%. Silicio fundido como medio de almacenamiento Para almacenar la energía solar, la mayor parte de centrales termosolares instaladas hasta la fecha han optado por la opción de utilizar el calor específico de sales fundidas, que alcanzan temperaturas no and produces uninterrupted electricity both day and night. The system has no moving parts or heat transfer fluids (HTF), meaning that it enjoys silent running and minimal maintenance requirements, both of which are very important aspects for their eventual decentralised installation in urban locations. The key to these systems stems from the use of thermophotovoltaic (TPV) converters instead of turbines to produce electricity. These converters are directly placed on the walls of the thermal accumulation container and as such can integrate both accumulation and generation into the same, extremely compact module, making it easy to handle and install. TPV conversion A TPV cell works in exactly the same way as a solar cell: the absorption of photons into a semiconductor material produces electrons that are supplied outwards creating an electric current. The difference lies in the absorption spectrum that in a TPV cell is moved towards the infrared to efficiently convert thermal radiation instead of solar radiation. For this semiconductor materials are used that can absorb low energy photons, such as the germanium or gallium antimonide, instead of semiconductors that efficiently absorb sunlight such as silicon or gallium arsenide. In general, a TPV cell works with thermal sources that exceed 1,000°C and their conversion efficiency to date is in the region of 25%2. In addition, they can generate very high electrical power densities of more than 20 kW/m2, in other words around 100 times more than conventional solar cells. This means that very competitive per unit power costs (in €/W) can be achieved. However, TPV technology is still in a very early phase of development and there is much room for improvement: power efficiencies and densities of more than 40% and 100 kW/m2, respectively, could be achieved. The improvement potential in the efficiency of these devices stems from the ability to adjust the emission spectrum of the thermal source to the spectral response of the cell, something that is impossible in a solar cell. This could be undertaken by using filters or mirrors to return the part of the spectrum not absorbed in the cell to the thermal source, so that this radiation is reabsorbed with no consequent energy loss. As such, on paper, it would possible to achieve conversion efficiencies of more than 50%. Molten silicon as a storage medium To store solar power, most CSP plants installed to date have opted for the specific heat of molten salts that achieves temperatures of no more than ~ 500°C. In these systems, the quantity of accumulated energy is directly proportional to the temperature achieved by the salt and as such, the achievable energy density for these systems is limited, generally requiring the use of large volumes of salts. An alternative with greater potential in terms of energy density 2 Wernsman, B. et al. “Greater than 20% radiant heat conversion efficiency of a thermophotovoltaic radiator/module system using reflective spectral control” IEEE Transactions on Electron Devices, 2004.
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