Añadir toques más coloridos a los paisajes urbanos, con tecnología solar de nueva generación escondida en nuevos componentes de construcción, es el planteamiento del proyecto europeo PEDAL (Plasmonic Enhancement and Directionality of Emission for Advanced Luminescent Solar Devices). El proyecto ha logrado multiplicar por 12 la eficiencia energética de nuevos dispositivos solares, y ha dado pasos concretos al ofrecer innovaciones que podrían permitir que estos dispositivos no sean solamente más eficientes energéticamente, sino que también sean agradables a la vista.
En la Unión Europea, los edificios son responsables del 36% de las emisiones de gases de efecto invernadero. El desarrollo de tecnología fotovoltaica más eficiente será clave para reducir este impacto.
PEDAL concentra tanto la radiación solar directa como la difusa en un componente de construcción estático, lo que no solo ofrece avances en la eficiencia de los dispositivos solares, sino también el desarrollo de componentes únicos integrados en la construcción.
El único miembro del proyecto es el Trinity College de Dublín, que ha contado con una financiación de 1.447.410 euros del programa de investigación e innovación de la Comisión Europea Horizonte 2020 para su desarrollo durante cuatro años.
Concentradores solares y reductores luminiscentes
El proyecto PEDAL se centró en dos tipos de dispositivos: concentradores solares luminiscentes y reductores luminiscentes. Ambos recogen la radiación solar con la ayuda de finas capas de material que pueden utilizarse para crear fachadas o elementos de acristalamiento para edificios.
Los científicos del Trinity College de Dublín investigaron cómo las interacciones plasmónicas entre nanopartículas y materiales luminiscentes (puntos cuánticos o tintes) podrían aumentar la eficiencia energética en estos dispositivos.
En las películas delgadas de desplazamiento descendente luminiscentes mejoradas plasmónicamente (PLDS), los fotones de alta energía que no son utilizados de manera eficiente por la tecnología existente se desplazan hacia abajo para la producción de energía más baja. Esto significa que se pueden convertir en electricidad de manera más eficiente, utilizando varias tecnologías de células solares. Las PLDS están acopladas directamente a las células solares unidas detrás de las películas.
Por otro lado, en los concentradores solares luminiscentes mejorados plasmónicamente (PLSC) se incrementa la concentración de radiación solar difusa, que no es captada eficientemente por la tecnología existente. Los fotones se concentran en el borde del dispositivo PLSC, donde se convierten en electricidad.
Se multiplica por 12 la eficiencia energética
Según el servicio de información para la comunidad de investigación y desarrollo de la Comisión Europea (Cordis), los responsables del proyecto explican que el módulo concentrador desarrollado ha sido capaz de capturar la radiación solar difusa para producir eficiencias 12 veces mayores que las alcanzadas por las células solares sin el dispositivo desarrollado.
El equipo de PEDAL desarrolló una metodología integral para crear los dispositivos y fomentar las interacciones plasmónicas entre las nanopartículas metálicas y el material luminiscente. Además, crearon un modelo matemático para optimizar estas interacciones. Ambos dispositivos se pueden implementar como componentes de construcción de colores transparentes o no transparentes.
La posibilidad de combinar estos desarrollos con todos los dispositivos de celdas solares existentes implica un alto potencial para la comercialización y el despliegue de estas tecnologías, aunque llegar a ello requerirá establecer un proceso para la fabricación a gran escala. Esto incluirá la síntesis de nanopartículas metálicas a nivel comercial utilizando la metodología desarrollada por PEDAL.
Proyecto IDEAS para la integración de renovables en edificios
Tras la finalización del proyecto PEDAL en septiembre de 2021, los investigadores continúan desarrollando esta tecnología. No obstante, en la actualidad el Trinity College de Dublín coordina el proyecto IDEAS, sobre la integración de tecnologías de energías renovables en edificios, basado en los resultados de PEDAL.
El proyecto IDEAS (Novel building Integration Designs for increased Efficiencies in Advanced Climatically Tunable Renewable Energy Systems) reúne a 15 socios de diferentes países europeos, con la participación española de la Asociación de Acondicionamiento Tarrasense. Está financiado por Horizonte 2020 con cerca de 4 millones de euros y tiene su fecha de finalización prevista en abril de 2023.
Se trata de un proyecto a gran escala de la UE que explota la tecnología PLDS para un componente integrado en edificios que actualmente se está demostrando en Ferrara (Italia) y Mayo (Irlanda).
En concreto, se fabricará una capa de desplazamiento descendente luminiscente (LDS) de película delgada para mejorar la generación de electricidad que se coloca como una capa superior (o apertura) en el sistema general. También se incluirá la mejora de la emisión plasmónica dentro de la capa LDS, así como el acoplamiento a un concentrador secundario en un diseño CPC.
El proyecto se basa en la experiencia del coordinador, el Trinity College de Dublín, en la aplicación de concentrador luminiscente de mejora plasmónica y en capas LDS. Las capas LDS permitirán una mayor emisión dentro de la banda prohibida de la celda y reducirán los mecanismos de pérdida, lo que conducirá a un aumento de la radiación solar que ingresa a un concentrador parabólico compuesto (CPC) que se puede concentrar en las celdas fotovoltaicas.
Se diseñará un CPC que integrará diferentes capas LDS como una apertura para diferentes tipos de células solares. También se investigarán los conceptos de truncamiento de CPC, donde el LDS se ubica en la apertura de un CPC asimétrico. Los diseños de IDEAS recogerán la radiación solar directa y difusa, convirtiéndose así en un componente de construcción.
Tecnologías innovadoras para recolectar la energía del sol
El proyecto IDEAS trabaja en el desarrollo de tecnologías que mejoran la sostenibilidad de los edificios. Utiliza tecnologías innovadoras especialmente desarrolladas para recolectar la energía del sol y, a través de un sistema de distribución inteligente, usarla de manera hipereficiente.
Además de trabajar en diseños biomiméticos para contención y descarga de calor de materiales de cambio de fase, y en la optimización de la tecnología de bomba de calor con PV/PCM, el proyecto IDEAS trabaja en la integración y gestión de la demanda y en la integración de la energía solar fotovoltaica con un revestimiento que atrapa la energía térmica en las fachadas de los edificios. De este modo, no solo se usa el techo del edificio para producir energía renovable, sino también la fachada.
Las diferentes líneas del proyecto abarcan nuevos colectores de luz y concentradores geométricos para maximizar la cantidad de energía que se puede recolectar del sol. Por su parte, los materiales orgánicos de cambio de fase (PCM) proporcionarán calor cuando el edificio esté frío y aire fresco cuando el edificio esté demasiado caliente. Una bomba de calor especialmente desarrollada hará el mejor uso de la energía solar recolectada, y todos los componentes de energía serán controlados por un sistema de datos inteligente.
Como resultado de IDEAS, costará menos generar electricidad, calefacción y refrigeración en edificios multifamiliares. También favorecerá a los edificios públicos y comerciales, beneficiando a las comunidades en una variedad de condiciones climáticas.