Un concentrador óptico hace magia con la energía solar: permite a los paneles capturar más luz incluso en un día nublado sin seguir al sol

La investigadora de ingeniería de la Universidad de Stanford, Nina Vaidya, ha diseñado un dispositivo que puede recolectar y concentrar de manera eficiente la luz que cae sobre él, independientemente del ángulo y la frecuencia de esa luz. El desarrollo se describe en un artículo de la edición de julio de Microsystems & Nanoengineering, escrito por Vaidya y su asesor de doctorado Olav Solgaard , profesor de ingeniería eléctrica en Stanford.

“Es un sistema completamente pasivo: no necesita energía para rastrear la fuente ni tiene partes móviles”, dijo Vaidya, quien ahora es profesora asistente en la Universidad de Southampton, Reino Unido. “Sin un foco óptico que mueva posiciones o la necesidad de sistemas de seguimiento, concentrar la luz se vuelve mucho más simple”.

El dispositivo, que los investigadores llaman AGILE, un acrónimo de Axally Graded Index Lens, es engañosamente sencillo. Parece una pirámide invertida con la punta cortada. La luz ingresa a la parte superior cuadrada, apta para mosaicos, desde cualquier número de ángulos y se canaliza hacia abajo para crear un punto más brillante en la salida.

Captura más del 90%

En sus prototipos, los investigadores pudieron capturar más del 90 % de la luz que incidía en la superficie y crear puntos en la salida que eran tres veces más brillantes que la luz entrante. Instalados en una capa encima de las células solares, podrían hacer que los paneles solares sean más eficientes y capturar no solo la luz solar directa, sino también la luz difusa que ha sido dispersada por la atmósfera, el clima y las estaciones de la Tierra.

Una capa superior de AGILE podría reemplazar la encapsulación existente que protege los paneles solares, eliminar la necesidad de rastrear el sol, crear espacio para el enfriamiento y los circuitos para correr entre las pirámides cada vez más estrechas de los dispositivos individuales y, lo que es más importante, reducir el área celular necesaria para producir energía y, por lo tanto, reducir los costos. Y los usos no se limitan a las instalaciones solares terrestres: si se aplica a los paneles solares que se envían al espacio, una capa AGILE podría concentrar la luz sin seguimiento solar y brindar la protección necesaria contra la radiación.

Imaginando un AGILE perfecto

La premisa básica detrás de AGILE es similar a usar una lupa para quemar manchas en las hojas en un día soleado. La lente de la lupa enfoca los rayos del sol en un punto más pequeño y brillante. Pero con una lupa, el punto focal se mueve como lo hace el sol. Vaidya y Solgaard encontraron una manera de crear una lente que toma rayos desde todos los ángulos pero siempre concentra la luz en la misma posición de salida.

“Queríamos crear algo que absorba la luz y la concentre en la misma posición, incluso cuando la fuente cambia de dirección”, dijo Vaidya. “No queremos tener que seguir moviendo nuestro detector o celda solar o mover el sistema para enfrentar la fuente”.

Vaidya y Solgaard determinaron que, teóricamente, sería posible recolectar y concentrar la luz dispersa utilizando un material de ingeniería que aumentara gradualmente el índice de refracción, una propiedad que describe qué tan rápido viaja la luz a través de un material, lo que hace que la luz se doble y se curve hacia un punto focal. En la superficie del material, la luz apenas se desviaría. Para cuando llegara al otro lado, estaría casi vertical y concentrado.

“Las mejores soluciones son a menudo las ideas más simples. Un AGILE ideal tiene, en la parte frontal, el mismo índice de refracción que el aire y aumenta gradualmente: la luz se desvía en una curva perfectamente suave”, dijo Solgaard. “Pero en una situación práctica, no vas a tener ese AGILE ideal”.

De la teoría a la realidad

Para los prototipos, los investigadores colocaron en capas diferentes vidrios y polímeros que desvían la luz en diferentes grados, creando lo que se conoce como material de índice graduado. Las capas cambian la dirección de la luz en pasos en lugar de una curva suave, lo que los investigadores encontraron como una buena aproximación del AGILE ideal. Los lados de los prototipos están reflejados, por lo que cualquier luz que vaya en la dirección incorrecta rebota hacia la salida.

Uno de los mayores desafíos fue encontrar y crear los materiales correctos, dice Vaidya. Las capas de material en el 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, que no se ve en la naturaleza ni en la industria óptica actual. Estos materiales utilizados también tenían que ser compatibles entre sí (si un vidrio se expandía en respuesta al calor a un ritmo diferente al de otro, todo el dispositivo podría romperse) y lo suficientemente robustos para ser mecanizados en forma y permanecer duraderos.

“Es una de estas aventuras de ingeniería 'moonshot', que va directamente de la teoría a los prototipos reales”, dijo Vaidya. "Hay muchos artículos teóricos y grandes ideas, pero es difícil convertirlos en realidad con diseños reales y materiales reales que superen los límites de lo que antes se consideraba imposible".

Distintas aplicaciones

Después de explorar muchos materiales, crear nuevas técnicas de fabricación y probar múltiples prototipos, los investigadores llegaron a diseños AGILE que funcionaron bien utilizando polímeros y vidrios disponibles comercialmente. AGILE también se fabricó mediante impresión 3D en el trabajo anterior de los autores que creó lentes poliméricos livianos y de diseño flexible con rugosidad superficial a escala nanométrica.

Vaidya espera que los diseños AGILE puedan utilizarse en la industria solar y otras áreas también. AGILE tiene varias aplicaciones potenciales en áreas como el acoplamiento láser, las tecnologías de visualización y la iluminación, como la iluminación de estado sólido, que es más eficiente energéticamente que los métodos de iluminación más antiguos.

“Usar nuestros esfuerzos y conocimientos para crear sistemas de ingeniería significativos ha sido mi fuerza impulsora, incluso cuando algunas pruebas no estaban funcionando”, dijo Vaidya. “Poder utilizar estos nuevos materiales, estas nuevas técnicas de fabricación y este nuevo concepto AGILE para crear mejores concentradores solares ha sido muy gratificante. La energía limpia abundante y asequible es una parte vital para abordar los desafíos urgentes del clima y la sostenibilidad, y necesitamos catalizar soluciones de ingeniería para que eso sea una realidad”.