Energía eléctrica
En Física se define la energía como la capacidad para producir un trabajo. La energía se halla en cada proceso de la Tierra; el calor, el viento, la vida, el movimiento.
La sociedad moderna industrializada exige diariamente mayores cantidades de energía para satisfacer sus necesidades. Tal es la importancia de la disponibilidad y empleo de la energía, que estos conceptos son usados como baremos de desarrollo de las sociedades.
Actualmente la mayor parte de la energía es obtenida de combustibles fósiles de carácter no renovable (petróleo, carbón y gas). El empleo masivo de tales fuentes energéticas plantea serios problemas medioambientales siendo el cambio climático el más grave de todos ellos. Los combustibles fósiles, al ser quemados para obtener la energía contenida en ellos, producen anhídrido carbónico que al liberarse a la atmósfera acrecientan el efecto invernadero natural lo cual altera la climatología general y acrecienta los fenómenos climatológicos extremos e inusuales. Sin embargo, existe una alternativa al empleo de los combustibles fósiles que además es respetuosa con el medio ambiente: las energías renovables.
Se entiende por energías renovables a las fuentes de energía que de forma periódica se ponen a disposición del hombre y que este es capaz de aprovechar y transformar. Están son inagotables, de libre disposición, se distribuyen en amplias zonas y tienen un extremadamente reducido impacto ambiental. Entre las energías renovables encontramos la energía eólica, biomasa, geotérmica, mini hidráulica y aquella que más abunda y que ofrece mayores posibilidades; la energía solar.
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Energía Solar
La fuente de energía por excelencia en la Tierra es la proveniente del Sol. A excepción de las energías geotérmica y nuclear el resto de las fuentes energéticas empleadas por el ser humano tienen un origen solar. Por ejemplo, los combustibles fósiles son el resultado de la energía de origen solar acumulada en determinados seres vivos que al pasar el tiempo (millones de años) reaccionan químicamente formando petróleo, gas o carbón. En la energía eólica, el viento es el resultado de la diferencia de presión de dos masas de aire calentadas de manera diferente por la energía solar. La energía hidráulica transforma en electricidad la energía potencial contenida en un gran volumen de agua proveniente de los ríos y almacenada en una presa. Es la energía solar la que alimenta el ciclo del agua que sustenta el cauce de los ríos.
No se debe olvidar que toda la vida se sustenta gracias al Sol, ya que las plantas realizan la fotosíntesis por medio de la energía proveniente del Sol y éstas son el sustento del resto de la cadena alimenticia.
El Sol es el centro de nuestro sistema solar. Se trata de una estrella común con un radio aproximado de 700 000 kilómetros y una masa equivalente a 324 000 veces la de la Tierra. La energía que proviene del Sol es el resultado de reacciones nucleares que se producen en su interior. Se calcula que el Sol irradia una energía de 4 E26 Julios (una potencia de 4 E23 Vatios).
la potencia generada por el Sol es unos doscientos billones de veces más grande que la generada por todas las plantas industriales del mundo trabajando a la vez. En un segundo, el Sol irradia mucha más energía que la consumida por la humanidad en toda su existencia. Sólo una pequeña parte de la energía irradiada por el Sol llega a la superficie terrestre. Sin embargo, ésta supone al año unas diez mil veces la demanda energética de toda la población mundial en el mismo periodo, o lo que es lo mismo, en una hora la Tierra recibe más energía de Sol de la que toda la humanidad necesita en todo un año.
La energía solar se divide, de manera genérica en dos tipos:
• Energía solar térmica
• Energía solar fotovoltaica
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Energía Solar Fotovoltaica
Cuando la luz solar que incide sobre la zona adyacente a la juntura tiene el espectro y nivel de energía requerido por el material (Si) el bombardeo de los fotones crea pares de cargas libres (Figura 3), los que se mueven libremente. Algunos de estos pares se recombinan (neutralizan) antes de migrar a la zona de juntura, pero un elevado porcentaje de electrones del lado P y de hoyos del lado N serán impulsados a través de la juntura. La dirección del campo eléctrico E (Figura 2) hace que estas cargas no puedan volver, alterándose el estado de equilibrio. Las cargas libres están listas para sostener una corriente cuando se conecten el lado N y P a una carga eléctrica externa.
Cuando la luz solar que incide sobre la zona adyacente a la juntura tiene el espectro y nivel de energía requerido por el material (Si) el bombardeo de los fotones crea pares de cargas libres (Figura 3), los que se mueven libremente. Algunos de estos pares se recombinan (neutralizan) antes de migrar a la zona de juntura, pero un elevado porcentaje de electrones del lado P y de hoyos del lado N serán impulsados a través de la juntura. La dirección del campo eléctrico E (Figura 2) hace que estas cargas no puedan volver, alterándose el estado de equilibrio. Las cargas libres están listas para sostener una corriente cuando se conecten el lado N y P a una carga eléctrica externa.
La eficiencia de conversión (energía luminosa en eléctrica) está dada, en forma porcentual, por la expresión:
e/n= (Energía eléctrica de salida / Energía luminosa de entrada) x 100
Donde n (nu) es el valor porcentual de la eficiencia.
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Tipos de células fotovoltaicas
El mercado ofrece numerosos tipos de células FVs. Algunas gozan de más difusión que otras debido a que fueron introducidas hace largo tiempo atrás. Todas las células pertenecen a uno de los grupos mencionados a continuación:
• Mono-cristalinas.
• Poli-cristalinas.
• Amorfas.
El orden dado es el mismo cuando se considera el costo o la eficiencia de conversión.
Las células de estructura mono-cristalina fueron las primeras en ser manufacturadas, ya que se podían emplear las mismas técnicas usadas previamente en la fabricación de diodos y transistores.
A este tipo de células, conocidas simplemente como cristalinas, se le asigna la abreviatura (cSi). El proceso de fabricación del cristal de silicio requiere un alto consumo de energía eléctrica, lo que eleva el costo de estas células, las que proporcionan los más altos valores de eficiencia.
La versión poli-cristalina (pSi) se obtiene fundiendo silicio de grado industrial, el que se vierte en moldes rectangulares, de sección cuadrada. Como el costo del material y el procesado se simplifican, las células amorfas alcanzan un valor intermedio entre las cristalinas y las amorfas. La eficiencia ha ido creciendo, llegando a ofrecerse células de pSi con eficiencia de conversión del 15%, un valor reservado pocos años atrás para las células de cSi.
Identificación visual
Las células de cSi se reconocen a simple vista, ya que su superficie es uniforme. Expuestas a la luz actúan como un espejo grisáceo.
Las células policristalinas reflejan la luz en forma no uniforme, pudiéndose observar las imperfecciones en el cristal. Tienen, asimismo, una coloración azulada.
El otro tipo corresponde a las células amorfas. Como su nombre lo indica estas células no poseen una estructura cristalina. Precisamente esa simplificación en la estructura conduce a un abaratamiento drástico de las mismas.
Es un hecho que cuando más se aleja la técnica de fabricación de una célula fotovoltaica de la estructura cristalina pura, más defectos estructurales aparecerán en la sustancia semiconductora, los que aumentan el aprovechamiento de las cargas libres, disminuyendo la eficiencia de conversión.
Para reducir este efecto, el espesor del material activo en estas células es diez (10) veces menor que el de una célula de cSi. Esto, a su vez, contribuye a bajar el costo.
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Pérdidas de energía luminosa
Estas pérdidas ocurren fuera del material semiconductor. Su mención y análisis ayudarán al lector a entender algunos detalles auxiliares contenidos en las hojas de especificaciones.
Consideraremos:
• La reflectancia de la superficie colectora.
• El “sombreado” de los contactos.
La superficie colectora de una célula de cSi actúa como un espejo, reflejando hasta el 30% de la luz incidente. Para disminuir la reflectancia, la superficie de colección recibe una capa antireflectiva de monóxido de silicio (SiO), la que disminuye la reflectancia a un 10%. Una segunda capa baja la reflectancia a un 4%, pero incrementa el costo. La necesidad de una capa antireflectiva se extiende a todo tipo de células, si bien el tratamiento es diferente.
El contacto ubicado sobre la superficie colectora utiliza una rejilla metálica, de trazos finos, la que contribuye a disminuir el área activa de la célula. A este problema se lo conoce como el “sombreado” de los contactos y no debe confundirse con el sombreado externo sobre el área colectora. Esta reducción, en células modernas, varía entre un 3 y un 5% de la superficie activa.
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Tensión, corriente y potencia
El voltaje de juntura depende exclusivamente del material usado (nivel de Fermi para el cristal usado). Para las células de silicio este valor es de alrededor de 0,5 V. Como las cargas son impulsadas por un campo eléctrico fijo, el voltaje de una celda FV es de corriente continua (CC). Por lo tanto, hay un lado positivo (lado P) y otro negativo (lado N), asumiendo que la corriente circula en sentido opuesto al de los electrones.
El valor de la corriente dependerá del valor de la carga, la irradiación solar, la superficie de la celda y el valor de su resistencia interna.
En un instante determinado, la potencia eléctrica proporcionada por la célula FV está dada por el producto de los valores instantáneos del voltaje y la corriente de salida
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Forma geométrica
El método de fabricación determina, en gran parte, la forma geométrica de la célula FV.
Las primeras versiones de cSi eran redondas, pues el cristal puro tenía una sección circular. Versiones más recientes tienen forma cuadrada, o casi-cuadrada, donde las esquinas tienen vértices a 45°.
Las células de pSi son cuadradas porque el molde donde se vierte el semiconductor fundido tiene esta forma.
La forma cuadrada permite un mayor compactado de las mismas dentro del panel fotovoltaico, disminuyendo la superficie que se necesita para colocar un determinado número de células (Figura 4).
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Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica
Las principales aplicaciones, en base a aspectos de rentabilidad económica son:
• Hogares con acceso a la red eléctrica general. En algunos países las compañías eléctricas están obligadas por ley a comprar la electricidad de origen fotovoltaico a tarifas mucho más altas que las de venta. De esta manera la energía captada se vende directamente a la red eléctrica a una tarifa alta, mientras se efectúa un consumo normal de la red a una tarifa baja. Así al ingreso obtenido por la venta de la energía se le resta el gasto por consumo de la misma red, quedando siempre un saldo positivo. Se consigue una amortización de la instalación en pocos años, a partir de los cuales se genera un beneficio económico neto.
• Huertos solares- Centrales dotadas de espacios dedicados a la captación de energía solar por medio de paneles fotovoltaicos. Estos están dispuestos sobre soportes con seguimiento solar que logran que la posición del panel sea siempre la óptima para la captación de la energía solar.
• Electrificación de casas rurales aisladas o con difícil acceso a la red eléctrica general. Apto para consumos moderados por lo que se deberán emplear electrodomésticos y bombillas de alta eficiencia y tener en cuenta criterios de ahorro energético.
• Bombeo de aguas subterráneas para riego- Consiste básicamente en el empleo de paneles fotovoltaicos para alimentar la bomba convencional extractora de aguas subterráneas. Quizá la opción más rentable de esta tecnología ya que se utilizan pocos componentes y el uso puede ser muy prolongado en el tiempo.
• Componentes electrónicos aislados de la red eléctrica general, como son balizas de señalización, repetidores, antenas de radio… |
