La iluminación incandescente podría hacer una reaparición gracias a un nuevo tipo de filtro que «recicla» fotones infrarrojos y mejora la eficiencia, una innovación que también podría permitir a las celdas solares convertir el calor en electricidad de forma más eficiente que la tecnología fotovoltaica convencional. Esta es la conclusión de una investigación realizada por un grupo de científicos de la Universidad Purdue y del MIT liderados por el profesor Bermel.
Foto de Portada: Esta fotografía muestra una nueva tecnología que utiliza un filtro especial para mejorar la eficiencia de la iluminación incandescente y podría proporcionar una energía solar más eficiente. (Imagen MIT / Ognjen Ilic)
«La mayor desventaja de la iluminación incandescente ha sido la falta de eficiencia energética», dijo Peter Bermel, profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Computación de la Universidad Purdue. «La forma de funcionar de la iluminación incandescente se basa en que un filamento se calienta a una cierta temperatura y emite una amplia banda de luz, pero sólo uno de cada 20 fotones aproximadamente es en realidad visible para el ojo humano; los otros 19 fotones solo se desperdician esencialmente en forma de calor «.
Ahora los investigadores han desarrollado una posible solución: un nuevo tipo de filtro para reciclar los fotones desperdiciados que está hecho de nano capas de materiales tales como dióxido de silicio y dióxido de tantalio alternados, cada uno con espesores de menos de 1 / 100 de un cabello humano. Este enfoque podría permitir mejorar la eficiencia de la iluminación incandescente en 10 veces, haciéndola más eficiente que la fluorescente compacta comercial y la iluminación LED, dijo Bermel, quien trabajó con investigadores en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) para desarrollar el filtro.
La eficiencia de la nueva fuente de luz ya se aproxima a la de algunas bombillas fluorescentes y LED, y podría acercarse al 40 por ciento, superando todas las fuentes de iluminación de bajo consumo existentes. La iluminación fluorescente disponible comercialmente tiene un rango de eficiencia de entre el 7 al 13 por ciento y los productos de iluminación LED varían desde un 5 a un 13 por ciento, mientras que las lámparas LED más avanzados en desarrollo actualmente pueden alcanzar un 29 por ciento.
Los hallazgos del equipo se detallan en un artículo publicado el 11 de enero 2016 en la revista Nature Nanotechnology. El artículo fue escrito por el asociado postdoctoral del MIT Ognjen Ilic; Bermel; y también del MIT: Chen Gang, jefe del Departamento de Ingeniería Mecánica y Carl Richard Soderberg Profesor de Ingeniería de Potencia; John D. Joannopoulos, el profesor Francis Wright Davis de Física; investigador principal Ivan Celanovic; y Marin Soljacic, profesor de Física.
El filtro selectivo diseñado y construido por los investigadores permite el paso de fotones visibles, pero no así de los fotones infrarrojos, que son reflectados de nuevo hacia la fuente incandescente y esencialmente reciclados.
«Ese fue el truco, en realidad, porque hacer algo que lo reflecte todo o que lo transmita todo es relativamente fácil, pero crear algo que sólo reflecte el infrarrojo y transmita todo lo visible a la vez es más difícil», dijo Bermel, quien es el autor principal de una reciente solicitud de patente del nuevo concepto de filtro en Estados Unidos.
Cuando el filtro refleja los fotones infrarrojos, estos son finalmente absorbidos por el filamento incandescente, causando que su temperatura se eleve.
«Se pueden enviar esos fotones infrarrojos de nuevo a la fuente emisora tantas veces como sea necesario hasta que se consigue que sean reabsorbidos», dijo Bermel. «Cada fotón tiene una cierta cantidad de energía asociada a ella, por lo que se puede recuperar esa energía en forma de calor. El efecto neto cuando haces eso muchas veces es que se puede mantener una temperatura y brillo más altos usando mucha menos energía eléctrica que la que seria necesaria normalmente.»
Aunque los investigadores han realizado simulaciones tanto numéricas detalladas como experimentos de laboratorio para confirmar los hallazgos, quedan por resolver algunas cuestiones prácticas, tales como el máximo rendimiento, estabilidad térmica y la vida útil del diseño.
«Se necesita más investigación para medir el rendimiento a largo plazo y los costes de producción de estos dispositivos. Afortunadamente, los materiales básicos utilizados en nuestro experimento son a la vez abundantes y no tóxicos», dijo.
El filtro también podría tener aplicaciones en un nuevo tipo de tecnología solar llamado termo- fotovoltaica, lo que podría mejorar la eficiencia de las celdas solares.
En las celdas fotovoltaicas, los electrones en un semiconductor ocupan una región de energía llamada la «banda de valencia» cuando están en la oscuridad , mientras que cuando brilla la luz sobre el material hace que los electrones absorban energía, elevándolos a una región de más alta energía llamada la «banda de conducción. » La región entre ambas bandas se llama el » banda prohibida.»( band gap por su acepción en ingles)
«En termo-fotovoltaica tenemos una fuente de calor radiante, no muy diferente de un filamento incandescente, y entonces se hace brillar esa luz sobre una celda fotovoltaica para generar electricidad», dijo Bermel. «El filtro se puede utilizar para seleccionar sólo los fotones con los niveles de energía correspondientes a la banda prohibida semiconductora del material en la celda solar para la conversión de máxima eficiencia.»
La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación del Ejército de EE.UU., el Departamento de Energía de Estados Unidos, y la Fundación Nacional de Ciencia.
Escrito por: Emil Venere, Purdue University
Fuente: Peter Bermel
Referencia Adicional
ABSTRACT
Tailoring ultra-high temperature radiation: the resurrection of the incandescent source
Ognjen Ilic1*, Peter Bermel2, Gang Chen3, John D. Joannopoulos1, Ivan Celanovic1, Marin Soljačić1
1Research Laboratory of Electronics, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA. 2School of Electrical and Computer Engineering, Birck Nanotechnology Center, Purdue University, West Lafayette, Indiana 47906, USA. 3Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, USA. *Correspondence to: ilico@mit.edu
In solar cells, the mismatch between the Sun’s emission spectrum and the cells’ absorption profile limits the efficiency of such devices1, while in incandescent light bulbs, most of the energy is lost as heat2. One way to avoid the waste of a large fraction of the radiation emitted from hot objects is to tailor the thermal emission spectrum according to the desired application. This strategy has been successfully applied to photonic-crystal emitters at moderate temperatures3–8, but is exceedingly difficult for hot emitters (>1,000 K)9–14. Here, we show that a plain incandescent tungsten filament (3,000 K) surrounded by a cold-side nanophotonic interference system optimized to reflect infrared light and transmit visible light for a wide range of angles could become a light source that reaches luminous efficiencies (∼40%) surpassing existing lighting technologies, and nearing a limit for lighting applications. We experimentally demonstrate a proof-of-principle incandescent emitter with efficiency approaching that of commercial fluorescent or light-emitting diode bulbs, but with exceptional reproduction of colors and scalable power. The ability to tailor the emission spectrum of high-temperature sources may find applications in thermophotovoltaic energy conversion15–18 and lighting.
