Reinterpretar un viejo principio

Investigación y tecnología
Mó d u lo s holográficos
Reinterpretar un viejo principio
El Instituto Holográfico Andaluz se introduce en el campo de los
módulos solares con hologramas
Refracción solar multicolor: la empresa española Instituto Holográfico Andaluz utiliza hologramas para
concentrar luz en las células fotovoltaicas
Una empresa emergente española
quiere revolucionar el mercado solar
con económicos módulos holográficos
de baja concentración. Está construyendo en Cádiz una línea piloto de
20 megavatios, ya que la tecnología
parece haber suscitado un enorme
interés. La idea no es nueva, y hace ya
veinte años que se intentó encontrar
aplicación fotovoltaica a los hologramas. La tecnología no ha irrumpido
todavía con éxito porque la producción en serie resultaba demasiado
compleja y demasiado cara.
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H
ace mucho tiempo que los hologramas ya no son un elemento futurista, sino parte de nuestra vida cotidiana.
Para convencerse de ello no hay más
que echar un vistazo a la propia cartera.
Tanto los billetes como los documentos
de identidad presentan bandas con destellos multicolor que permiten, al fijarse
en ellas, contemplar una imagen aparentemente tridimensional. Mientras que
en estos casos los hologramas tienen la
finalidad de evitar las falsificaciones, en
un módulo fotovoltaico su función es
prácticamente la opuesta: hacen creer a
las células fotovoltaicas que el sol brilla
más de lo que lo hace en realidad.
Siguiendo este principio, la empresa
emergente Instituto Holográfico Andaluz
SL (IHA), ubicada en la ciudad de Cádiz,
al sur de España, ha desarrollado su módulo holográfico. Este concentra luz solar
de una superficie mayor en una célula fo-
tovoltaica de menor tamaño para incrementar notablemente su rendimiento,
y ello sin la costosa necesidad de hacer
que los módulos persigan al sol, como
ocurre en los sistemas de concentración.
«Los hologramas son dispositivos ópticos muy valiosos con los que se puede
manipular la luz de forma sencilla y económica», sostiene Antonio Calo, director
gerente del IHA, «a diferencia de otras opciones que son más complejas, más caras o del todo inviables». En verdad, esta
afirmación no es ningún descubrimiento, pues ya en 1993 había investigadores
del Departamento de Termodinámica
a altas temperaturas de la Universidad
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) de Aquisgrán (Alemania) trabajando con módulos holográficos. En el año 2000 fabricaron, conjuntamente con la empresa Gesellschaft für
Licht- und Bautechnik mbH, una instaOctubre 2012
»
Estructura del módulo holográfico
Sol en verano
Sol en invierno
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Paredes de separación laminadas con película holográfica
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Cél
En el módulo del IHA, las células solares cortadas en tiras se alojan en el fondo y están flanqueadas a derecha
e izquierda por película holográfica, que desvía hacia ellas la luz. El espacio intermedio entre ambas tiras de
película holográfica se rellena con materiales plásticos transparentes con forma pseudo-parabólica.
les ha ido viniendo abajo el fundamento
de su negocio. Actualmente, el silicio de
grado solar cuesta poco más de 25 dólares el kilo.
No obstante, Calo cree que los módulos del IHA pueden incluso aguantar la
presión de los bajos precios de la competencia china. Si todo marcha según
los planes, el Instituto habrá montado
antes de finales de año una línea piloto
en Cádiz con capacidad para producir 20
megavatios de película holográfica. Eso
bastaría como para bajar el precio de fa-
Octubre 2012
Ignacio Evangelista / photon-pictures.com (2)
El precio del silicio lleva la batuta
Detrás de la idea de que dichas construcciones costosas podrían llegar a ser
rentables estaba la voluntad de reducir la
utilización de silicio como materia prima, que en los años pioneros de la fotovoltaica estaba a unos precios prohibitivos. Si en 1993 un kilo de silicio solar
costaba unos 135 dólares estadounidenses, en 2008 el aumento del precio se aceleró hasta llegar a los 400 dólares, debido sobre todo a la enorme demanda de
la industria solar. A todos aquellos que
en aquel momento se lanzaron precipitadamente a desarrollar sistemas de concentración o módulos de capa delgada se
Fuente: Instituto Holográfico Andaluz SL
lación holográfica para sombreado y generación simultánea de electricidad solar
para la entrada del centro de visitantes
de la entonces fábrica de Shell Solar en
Gelsenkirchen (Alemania). Dicha instalación se compone de cuerpos cilíndricos
de vidrio, de 190 centímetros de longitud
y 60 centímetros de ancho, en cuyo interior se han laminado hologramas. En
el centro, a 35 centímetros de distancia
y paralelamente al eje cilíndrico, se integraron las células fotovoltaicas. Además,
esos módulos están dotados de un seguimiento monoaxial para obtener rendimientos óptimos.
La función básica del holograma es
focalizar la luz solar y desviarla en una
concentración más elevada a las células
fotovoltaicas. El mismo cometido pueden desempeñarlo también los espejos
parabólicos o las lentes y, dependiendo
de cuánta luz solar desvíen a un punto
concreto, se les denomina sistemas de
baja o alta concentración. Los módulos
que trabajan con hologramas pertenecen a la primera categoría. Prism Solar
Technologies Inc, una empresa estadounidense que con ayuda de investigadores de la Universidad de Arizona (Tucson,
EEUU) ha desarrollado y lanzado al mercado módulos holográficos, trabaja con
un factor de concentración de 1,3 soles.
En los módulos de vidrio-vidrio, las células fotovoltaicas bifaciales (es decir, las
células que convierten en electricidad la
luz incidente tanto en la cara anterior
como en la posterior) y los hologramas
se encuentran en dos niveles distintos.
Para poder trabajar con un nivel de rendimiento elevado, deben estar montadas
frente a un fondo muy reflectante. La capacidad productiva de Prism Solar no ha
logrado superar a día de hoy los tres megavatios.
Antonio Calo, como gerente del Instituto Holográfico
Andaluz, está convencido del potencial de los
hologramas de baja concentración
bricación de los módulos solares a los 49
céntimos. «Eso es lo revolucionario del
asunto», afirma Calo, «los módulos pueden venderse por 70 céntimos el vatio y
aún así queda un margen de beneficio
aceptable».
En la teoría, hasta aquí es todo muy
fácil. Y para poder llevarla a la práctica,
el IHA echa mano de una patente del año
2008. En ella, los investigadores estadounidenses George Mignon y Chien-Wei
Han describen el concepto de un módulo
holográfico que pretende ser una optimización de aquel producto que Prism Solar viene ofreciendo hasta hoy. Mignon
es un viejo conocido de este mundillo:
era uno de los fundadores de la empresa
estadounidense Terrasun LLC, que tuvo
que poner en marcha precipitadamente
en el año 2001 su concepto de módulo
holográfico porque su empresa matriz,
un fabricante de vidrio, le cerró el grifo
de la financiación. Posteriormente, Mignon trabajó en Prism Solar como director
gerente,y ahora reaparece en el IHA como
generador de ideas y accionista.
Los hologramas que deberían conducir al éxito a la empresa española no tienen, según informa Mignon, «nada que
ver con los hologramas de uso fotovoltaico que conocemos hasta ahora». Se trataría de una «idea completamente nueva y revolucionaria». Esta queda patente
principalmente en la estructura novedosa del holograma. Básicamente, estos
hologramas son grabados con un láser
monocromático como una imagen sobre
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Wilhelm Breuer / photon-pictures.com (2)
Investigación y tecnología
Su antecesor: en 2000 se desarrollaron módulos holográficos con una estructura totalmente distinta para dar sombra y generar electricidad solar sobre la entrada de la
fábrica fotovoltaica de Sharp en Gelsenkirchen
una capa fotosensible, de forma similar
al proceso empleado en la fotografía en
color tradicional, para luego ser revelados y fijados.
«Seguimiento pasivo»
Según cuentan los desarrolladores del
IHA, el secreto reside, por así decirlo, en
superponer diversos hologramas. Para
ello, en un proceso de varios niveles que
tiene lugar en la capa de gelatina, graban
una compleja estructura de rejilla. Esta
debe ser capaz de recoger rayos con una
variación más elevada en los ángulos de
incidencia y a partir de una región espectral más grande, así como de desviarlos
en dirección a las células en mayor manera de lo que lo hacen los hologramas
convencionales. Adicionalmente, la estructura de rejilla se difracta en el proceso de revelado, con lo que se pretende incrementar adicionalmente la tolerancia
frente a amplios ángulos de incidencia.
Como resultado, los hologramas mues-
tran un comportamiento que los investigadores del IHA llaman «seguimiento pasivo». Así sería posible duplicar el factor
de concentración sin necesidad de tener
que orientar mecánicamente los módulos al sol. Desde el IHA sostienen que esto
ya ha sido confirmado por el TÜV para un
prototipo de módulo con una potencia
de 33 vatios.
En cuanto al resto de la estructura del
módulo holográfico, también existen notables diferencias con el producto desa-
silicio y los avances tecnológicos previsibles en la
fabricación del silicio y de las obleas, que podrían
reducir de nuevo considerablemente los costes en el
futuro, los módulos holográficos desaparezcan del
mercado rápidamente una vez se haya gastado el
dinero de los inversores de riesgo. Y todavía está
por ver cómo de serio es el supuesto interés que
tienen diversos grandes fabricantes de módulos por
este producto.
No cabe duda de que la idea en sí es fascinante.
Pero mientras el IHA no demuestre que sus módulos realmente no tienen competencia en cuanto a
bajo precio en fabricación a gran escala y que es
posible producirlos garantizando una larga vida útil,
esta empresa corre el peligro de seguir el mismo
destino desafortunado que la tecnología de capa
delgada. Las empresas que utilizan esta última
se aferraron durante un tiempo a la convicción de
que el silicio como materia prima se mantendría
a la larga como un factor de coste determinante
en la producción de módulos cristalinos, pero con
el tiempo se les han abierto los ojos. Ahora, los
fabricantes están echando el cierre en masa a las
puertas de sus fábricas. Ellos al menos han disfrutado de una época de esplendor; lo cual, con los
conocimientos de que se dispone actualmente, es
difícil que suceda a los holografistas españoles y
americanos del IHA. mbk
Entusiasmo efímero
En principio, el cálculo es relativamente sencillo:
los módulos fotovoltaicos holográficos que desarrolla la empresa Instituto Holográfico Andaluz
SL (IHA) concentrarán el doble de luz solar y permitirán ahorrar entre un 50 y un 60 por ciento
de los costes por célula en comparación con los
módulos cristalinos convencionales. Pero, ¿resulta suficiente como para compensar los elevados
costes de producción que ocasionan la compleja
fabricación de los hologramas y el corte necesario de las células fotovoltaicas? A juzgar por la
información disponible hasta el momento sobre
el proyecto, es poco probable. Es mucho mayor la
probabilidad de que, frente a los bajos precios del
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Ignacio Evangelista / photon-pictures.com
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Al rojo vivo: las capas de gelatina sobre las que graba los hologramas un láser monocromático se revelan en un
proceso que se asemeja al de la fotografía en color convencional
rrollado por Prism Solar. En el caso del
módulo del IHA, las células fotovoltaicas
cortadas en tiras no se encuentran paralelas a los hologramas, sino en el fondo de una cavidad pseudo-parabólica
en cuyas paredes se adhiere la película
holográfica. En vez de emplear la cara y
compleja tecnología de la estructura vidrio-vidrio, los investigadores españoles
utilizan plásticos. La parte posterior del
módulo está compuesta por polietileno,
y los espacios intermedios entre las nervaduras del holograma están rellenos de
una espuma de poliuretano de estructura
alveolar. El módulo sería un 40 por ciento
más ligero que uno convencional, según
afirma Calo. Además, para conseguir la
misma potencia solo se necesitaría la mitad de silicio.
La información publicada hasta el
momento por la empresa española no
basta para valorar al detalle la tecnología de los hologramas. Pero, aunque los
módulos funcionaran tal y como se nos
describe elogiosamente, el mayor obstáculo que hay que salvar para llegar al éxito comercial es el de diseñar un proceso
de producción fiable y económico. «Desde que se realiza con éxito un experimento en el laboratorio hasta lograr una producción que cubra totalmente los gastos
Octubre 2012
hay un larguísimo camino que recorrer»,
explica Ulrich Blank, «al final, todo se reduce a una cuestión de tecnología de fabricación y no resulta un problema en absoluto trivial». Blank es gerente de Holotec GmbH en Aquisgrán y formaba parte
de aquel equipo que desarrolló y montó
los módulos holográficos en Gelsenkirchen. Su empresa también suministró en
su momento máquinas laminadoras para
la fabricación de hologramas a Terrasun
y a Prism Solar. El IHA, por el contrario,
quiere fabricar sus propias máquinas de
producción. Según Blank, el éxito depende de poder garantizar un grosor exacto
para la capa dicromática de gelatina de
la película en la que se graba el holograma. Este se mueve en un rango de entre
0,005 y 0,01 milímetros, casi una décima
parte del grosor de un cabello de niño. En
cuanto el grosor varíe, aunque sea mínimamente, también variarán las propiedades fotoconductoras del holograma.
El calvario de la película
«Ni siquiera resulta fácil conseguir láminas como material de partida para la
película», apunta Blank. Los materiales
que se utilizan convencionalmente en la
fotografía en color no ofrecerían la precisión necesaria. Sería más fácil aplicar
la capa de gelatina sobre un sustrato de
vidrio, pero simplemente con un proceso
«roll-to-roll» no se pueden mantener bajos los costes de producción, por lo que se
necesita una lámina como material de soporte. Otra característica incómoda de la
película de gelatina es que varía su grosor
dependiendo del contenido de humedad.
Por eso, los hologramas para aplicaciones
en que se requiere precisión deben estar
cuidadosamente encapsulados; otro motivo que habla a favor del vidrio. «Según
mi experiencia, es el único material verdaderamente hermético frente al agua»,
afirma Blank. También hay otra afirmación del IHA que le mantiene escéptico:
un factor de concentración de dos soles
resulta, desde su punto de vista, demasiado bajo como para compensar los costes
de fabricación de los hologramas. Dice:
«Si tengo una concentración tan baja,
me pregunto cómo quieren conseguirlo
con un coste tan rematadamente barato». En su opinión, un holograma debe
poder concentrar luz como mínimo con
un factor de cinco soles para poder compensar los costes de fabricación.
En un principio, el IHA quería presentar en septiembre un módulo de 200 vatios en la conferencia y exposición europea sobre energía solar fotovoltaica (EU
PVSEC), en Fráncfort del Meno. Pero al
final se descartó la idea, cuenta Calo, gerente de IHA. El interés por los módulos
holográficos en la feria Intersolar, celebrada en Múnich en junio, ha sido tan grande
que, en vez de eso, han decidido aumentar la producción planificada para los dos
próximos años mediante un proceso de
licitación. Calo no ha querido dar nombres, pero cuenta con que el IHA podrá
producir 50 megavatios antes de finales de
2013, si todo va según lo previsto.
La empresa española ya ha tenido que
experimentar cuán rápidamente cambian
las cosas actualmente en la industria fotovoltaica. Según afirma Calo, Schott Solar
AG les entregó en junio una declaración
de intenciones en la que indicaban su voluntad de comprar una cantidad determinada de película holográfica del IHA. Pero
en julio, esta empresa de Mainz (Alemania) anunció que abandonaba la producción fotovoltaica, por lo que el contrato
quedaba también sin validez. Cuando les
preguntamos desde PHOTON, Schott no
quiso hacer declaraciones sobre el suceso. Calo aún sigue perplejo: «Es de locos
cómo han cambiado radicalmente de opinión en tan solo 40 días».
Cristina Franco de Saravia, Matthias B. Krause
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