¿Quiénes somos?
El consorcio del proyecto sinérgico SYG-2024/ECO-818, Telealimentación fotovoltaica por fibra óptica con eficiencia de conversión y velocidad de transmisión de datos récord, está constituido por dos grupos de investigación, uno de la Universidad Politécnica de Madrid, el Grupo de Semiconductores III-V del Instituto de Energía Solar (GS35-IES-UPM), y el otro perteneciente a la Universidad Carlos III de Madrid, Grupo de Displays y Aplicaciones Fotónicas (GDAF-UC3M).
GS35-IES-UPM
El grupo de Semiconductores III-V está registrado en Madrid+d como Grupo de Investigación de la Comunidad de Madrid y está reconocido como grupo de investigación en el catálogo de grupos de la UPM. Tiene una trayectoria temporal de más de 30 años y actualmente cuenta con 15 miembros: 6 profesores permanentes (3 CUs, 2 TUs y 1 CD-I3), 2 técnicos de laboratorio, 1 postdoctoral Marie Curie, 1 profesor no permanente predoctoral y 5 contratados predoctorales. Su actividad cubre toda la cadena de valor de los dispositivos fotovoltaicos de muy alta eficiencia, tanto para aplicaciones terrestres y espaciales (células solares multiunión), convertidores fotovoltaicos de luz láser (dispositivos a desarrollar en este proyecto) y termofotovoltaicos. Las actividades desarrolladas en el grupo incluyen el diseño y modelado del dispositivo, el proceso completo de fabricación (de la oblea a los dispositivos encapsulados), caracterización de material y de dispositivo, determinación de la fiabilidad mediante ensayos de envejecimiento acelerado y análisis de costes.
El GS35-IES-UPM es pionero en el ámbito de este proyecto, la telealimentación fotovoltaica mediante fibra óptica, iniciando esta actividad en 1993. Durante los años siguientes hasta principios de los 2000, se realizaron contribuciones significativas en el modelado, fabricación y caracterización de convertidores fotovoltaicos de GaAs. El resultado más reseñable de esta época fue una eficiencia de conversión del 45% entregando una potencia eléctrica de casi 200 mW a 4 V. Estos convertidores fueron implementados en sistemas de telealimentación fotovoltaica para: aplicaciones en redes de alta tensión (Iberdrola), redes de sensores (en colaboración con la Universidad Pública de Navarra) y pilotaje remoto de actuadores en satélites (Agencia Espacial Europea). También se desarrolló una patente en el ámbito de la biomedicina con extensión a Estados Unidos (“Photovoltaic Energy Supply System with optical fiber for implantable medical devices“, patent number 6, 091, 015). Algunos de estos trabajos se recogieron en la tesis doctoral de Rafael Peña titulada “Convertidores fotovoltaicos para sistemas de telealimentación por fibra óptica” en 2004. Más recientemente, en 2018, la actividad del grupo en esta línea de investigación tuvo un revulsivo importante con la concesión del proyecto TEFLON-CM (“Telealimentación fotovoltaica por fibra óptica para medida y control en entornos extremos“, Ref. Y2018/EMT4892), solicitado junto con el otro grupo de investigación de este consorcio, GDAF-UC3M, en la primera convocatoria de proyectos sinérgicos de la Comunidad de Madrid. Entre los resultados de este proyecto destacaremos la obtención de la segunda mayor eficiencia fotovoltaica del mundo (solo por detrás del 68.9% que obtuvo el Fraunhofer Institute de Friburgo), con un convertidor láser de triple unión de GaAs que presenta una eficiencia η=66.5%±1.7% a 25ºC y que suministra una densidad de potencia de 21 W/cm2 a una tensión de 3.7 V. Además, nuestras simulaciones indican que podemos sobrepasar el 70% de eficiencia suministrando densidades de potencia de decenas de W/cm2 (véase figura inferior derecha) implementando los diseños rupturistas que pretendemos lograr en este proyecto TALENTO-CM.
Otro ámbito de trabajo importante fue el encapsulado de estos convertidores. Como se muestra en la figura inferior, hemos desarrollado un proceso completo para su ensamblado que permite su integración directa en sistemas de telealimentación. Por ejemplo, en el marco del proyecto TEFLON-CM, el GDAF-UC3M construyó un sistema completo que incorporaba uno de estos convertidores encapsulados para alimentar un sensor de oxígeno en entorno industrial que funcionó perfectamente.
El eco de estos trabajos en el campo de la telealimentación ha sido notable. Por ejemplo, hemos publicado el primer review de convertidores fotovoltaicos para telealimentación en la revista Joule que tiene un factor de impacto >41; el profesor Carlos Algora ha sido uno de los dos “co-Chairs” organizadores de la conferencia Optical Power Delivery en el marco del SPIE Photonics West, que se celebró por primera vez en enero de 2025 en San Francisco y que, dada la buena acogida, se ha consolidado con periodicidad anual.
En paralelo a esta actividad, destacaremos que el GS35-IES-UPM tiene un reconocido prestigio internacional ya que ha conseguido varios récords del mundo de eficiencia en células solares y dispositivos termofotovoltaicos. Además, el GS35-IES-UPM ha coordinado el grupo de trabajo que ha desarrollado el estándar IEC 62787 (“Concentrator photovoltaic solar cells and cells-on-carrier assemblies – qualification“) dentro de la International Electrochemical Commission. Miembros de este grupo de investigación han editado el primer Handbook of Concentrator Photovoltaic Technology publicado en 2016 por Wiley.
Más información acerca de las actividades de este grupo de investigación puede encontrarse aquí.
GDAF-UC3M
El grupo de investigación de la Universidad Carlos III de Madrid es un grupo multidisciplinar en fotónica para comunicaciones, nanofotónica e instrumentación electrónica avanzada registrado en Madri+d como Grupo de Investigación de la Comunidad de Madrid y está reconocido como grupo de investigación en el catálogo de grupos de UC3M. Tiene una trayectoria temporal de más de 30 años y actualmente cuenta con 15 miembros: 7 profesores permanentes (3 CUs, 4 TUs), 1 Ramón y Cajal, 3 ayudantes doctores y 6 contratados predoctorales y técnicos de apoyo a la investigación. Se trata de un equipo multidisciplinar de expertos en telecomunicaciones, fotónica e instrumentación que cuenta con gran reconocimiento aportando soluciones a las necesidades y problemas planteados desde el ámbito industrial. Diseñan y desarrollan prototipos para aplicaciones en sistemas de comunicaciones ópticas, domótica y tecnologías asistenciales. Sus líneas de investigación cubren la instrumentación avanzada y sensores de fibra óptica y su integración en redes WDM; así como los dispositivos y enlaces para redes ópticas con el diseño y caracterización de dispositivos de óptica integrada, alimentación a través de fibra óptica, transmisión radio sobre fibra, monitorización y redes ópticas pasivas.
Dentro del proyecto aportará su amplia experiencia en alimentación con luz por fibra óptica (PoF), comunicaciones ópticas radio sobre fibra (RoF) con altas tasas de transmisión y con fibras novedosas tales como fibras multinúcleo y fibras de núcleo hueco, así como sus novedosas técnicas de monitorización para el envío seguro de energía. Uno de los hitos que nos permitió alcanzar una gran repercusión internacional fue el liderar los desarrollos de sistemas PoF en el proyecto europeo BlueSpace donde se demostró por primera vez la co-transmisión de PoF con ARoF en la banda n58 a 25.4 GHz en fibras multinúcleo en colaboración con varios socios internacionales. Asimismo, se desarrolló un prototipo de un sistema PoF con control centralizado y alimentación selectiva de los nodos remotos, activando modos de bajo consumo en periodos de inactividad para reducir el consumo gracias a un canal de comunicaciones bidireccional. Este prototipo formó parte del demostrador final del proyecto que se puede visualizar en YouTube. También se patentó una técnica de monitorización para sistemas PoF, todo ello parte de la tesis doctoral de Juan D. López Cardona titulada “Power over fiber in communication systems and sensing” que obtuvo el premio extraordinario de doctorado. En la misma, también se desarrollaron sistemas en primera ventana para alimentar sensores de presencia y detectores de humo en entornos hostiles, en algunos integrando los convertidores fabricados por el GS35-IES-UPM en el proyecto TEFLON- CM. En la tesis de Fahad Al-Zubaidi titulada “Towards High Bandwidth Communication Systems: From Multi-Gbit/s over SI-POF in Home Scenarios to 5G Cellular Networks over SMF” se propuso usar PoF en redes de sensores IoT y datos 5G, demostrando por primera vez el impacto del ruido del HPL en la calidad de la señal al multiplexar datos y energía en una misma fibra. Y en la tesis de Rubén Altuna titulada “Power over Fiber in Radio Access Networks and Harsh Environments”, valorada muy positivamente por el Prof. R. Ram del RLE-MIT que formó parte del tribunal, se demostró por primera vez a nivel mundial el uso de fibras huecas en el fronthaul óptico con señales 5G-NR y energía, actividad que se gestó en la Conferencia Europea de Comunicaciones Opticas en 2021 a propuesta de Prof. C Vázquez al Prof. P. Petropoulus del Optoelectronics Research Center (ORC)-Southampton. También se han desarrollado novedosas técnicas de monitorización de PoF con una solicitud de patente, se ha diseñado una carga de pago PoF en un picosatélite del que se han recibido datos mostrando su correcto funcionamiento mientras orbita en órbita LEO. Y se han obtenido datos récord de co-transmisión de PoF, ARoF y NRZ de 39.5 Gbps con potencias de 0,7 W en la carga en una fibra multinúcleo de 7 núcleos.
A raíz del impacto de los trabajos desarrollados se han recibido múltiples invitaciones para dar conferencias invitadas y plenarias, más de 15, incluyendo “Power over fiber in support of 5G and IoT” en 5G Seminars OSA, o “Power over Fiber as enabler in 6G optical fronthaul” enThe 6th Optical Wireless and Fiber Power Transmission Conference-OWPT2024. Así como reuniones privadas con empresas y proyectos tales como la coordinación actual del proyecto 6G-Xtreme con una financiación de 3 M€ y una infraestructura singular de 2 M€.
Más información acerca de las actividades de este grupo de investigación puede encontrarse aquí.
