El concentrador óptico de los ingenieros de Stanford podría ayudar a los sistemas solares a captar más luz incluso en un día nublado sin necesidad de seguir el sol.
Los investigadores imaginaron, diseñaron y probaron un ingenioso dispositivo de lentes que puede recoger eficazmente la luz desde todos los ángulos y concentrarla en una posición de salida fija.
Los paneles fotovoltaicos funcionan mejor cuando la luz del sol incide directamente sobre ellos. Para captar la mayor cantidad de energía posible, muchos paneles solares giran activamente hacia el sol a medida que éste se desplaza por el cielo. Esto los hace más eficientes, pero también más caros y complicados de construir y mantener que un sistema fijo.
Estos sistemas activos podrían no ser necesarios en el futuro.
En la Universidad de Stanford, la investigadora de ingeniería Nina Vaidya diseñó un ingenioso dispositivo que puede recoger y concentrar eficazmente la luz que incide sobre él, independientemente del ángulo y la frecuencia de esa luz.
Se trata de un sistema completamente pasivo: no necesita energía para rastrear la fuente ni tiene piezas móviles. Sin foco óptico que mueva posiciones ni necesidad de sistemas de seguimiento, concentrar la luz resulta mucho más sencillo.
Parece una pirámide invertida con la punta cortada. La luz entra en la parte superior, cuadrada y en forma de baldosa, desde cualquier ángulo y se canaliza hacia abajo para crear un punto más brillante en la salida.
En sus prototipos, los investigadores lograron capturar más del 90% de la luz que incidía en la superficie y crear puntos en la salida tres veces más brillantes que la luz entrante.
Instalados en una capa sobre las células solares, podrían hacer más eficientes las matrices solares y capturar no sólo la luz solar directa, sino también la luz difusa que ha sido dispersada por la atmósfera terrestre, el clima y las estaciones.
Una capa superior de AGILE podría reemplazar el actual encapsulado que protege las matrices solares, eliminar la necesidad de seguir el sol, crear espacio para la refrigeración y los circuitos entre las estrechas pirámides de los dispositivos individuales y, lo que es más importante, reducir la cantidad de superficie de células solares necesaria para producir energía y, por tanto, reducir los costes.
Y los usos no se limitan a las instalaciones solares terrestres: si se aplica a las matrices solares que se envían al espacio, una capa AGILE podría concentrar la luz sin seguimiento solar y proporcionar la protección necesaria contra la radiación.
Las mejores soluciones suelen ser las ideas más sencillas.
La premisa básica de AGILE es similar a la de utilizar 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 la forma de crear una lente que toma los rayos desde todos los ángulos pero que siempre concentra la luz en la misma posición de salida.
Vaidya y Solgaard determinaron que, en teoría, sería posible recoger y concentrar la luz dispersa utilizando un material de ingeniería que aumentara suavemente su índice de refracción, una propiedad que describe la rapidez con la que la luz viaja a través de un material, haciendo que la luz se doble y se curve hacia un punto focal. En la superficie del material, la luz apenas se curva. Cuando llegara al otro lado, estaría casi vertical y enfocada.
Un AGILE ideal tiene, en su parte delantera, el mismo índice de refracción que el aire y va aumentando gradualmente: la luz se curva en una curva perfectamente suave. Pero en una situación práctica, no vas a tener ese AGILE ideal.
Para los prototipos, los investigadores han colocado en capas diferentes vidrios y polímeros que desvían la luz en distintos grados, creando lo que se conoce como material de índice graduado. Las capas cambian la dirección de la luz por pasos en lugar de una curva suave, lo que, según los investigadores, es una buena aproximación al AGILE ideal. Los lados de los prototipos están espejados, por lo que cualquier luz que vaya en la dirección equivocada es rebotada hacia la salida.
Uno de los mayores retos fue encontrar y crear los materiales adecuados. Las capas de material del 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, algo que no se ve en la naturaleza ni en la industria óptica actual.
Los materiales utilizados también tenían que ser compatibles entre sí, si un cristal se expandiera en respuesta al calor a un ritmo diferente que otro, todo el dispositivo podría resquebrajarse, y lo suficientemente robustos como para poder ser mecanizados en su forma y seguir siendo duraderos.
Después de explorar muchos materiales, crear nuevas técnicas de fabricación y probar múltiples prototipos, los investigadores llegaron a los diseños de AGILE que funcionaban bien utilizando polímeros y vidrios disponibles en el mercado. El AGILE también se ha fabricado mediante impresión 3D en el trabajo anterior de los autores, que crearon lentes poliméricas ligeras y de diseño flexible con una rugosidad superficial a escala nanométrica. Vaidya espera que los diseños de AGILE puedan utilizarse en la industria solar y en otros ámbitos. AGILE tiene varias aplicaciones potenciales en áreas como el acoplamiento de láseres, las tecnologías de visualización y la iluminación, como la iluminación de estado sólido, que es más eficiente energéticamente que los antiguos métodos de iluminación.
