Energía solar

Energías renovables. Tecnología fotovoltaica: ventajas, inconvenientes y aplicaciones. Sistemas de aprovechamiento. Células solares

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TECNOLOGÍA

La energía solar y sus componentes.

Índice

Pág.

1-¿Qué es la Energía Solar? 5

1.2-Una energía garantizada para los próximos 6.000 millones de años.6

2-Tecnología Fotovoltaica. 9

3-Sistemas de aprovechamiento. 10

4-Ventajas e inconvenientes de la energía fotovoltaica. 15

5-Aplicaciones de la energía fotovoltaica. 16

6-Tipos de células solares. 17

7-Bibliografía. 18

1-¿Qué es la Energía Solar?

El Sol es un gigantesco reactor nuclear. En efecto es una enorme esfera gaseosa (con una masa 330.000 veces mayor que la de la Tierra), formado fundamentalmente por Helio, Hidrógeno y Carbono, en el seno de la cual se producen continuas reacciones nucleares de fusión, es decir, reacciones mediante las cuales se unen los núcleos de dos átomos de hidrógeno para formar un núcleo de helio, liberando en dicho proceso una gran cantidad de energía.

De la enorme cantidad de energía que emite constantemente el Sol, una parte llega a la atmósfera terrestre en forma de radiación solar. De ella, un tercio es enviado de nuevo al espacio a consecuencia de los procesos de refracción y reflexión que tienen lugar en la atmósfera de la Tierra. De los dos tercios restantes, una parte es absorbida por las distintas capas atmosféricas que rodean el globo terráqueo. El resto llega efectivamente a la superficie de la Tierra por dos vías: directamente, es decir, incidiendo sobre los objetivos iluminados por el Sol; e indirectamente, como reflejo de la radiación solar que es absorbida por el polvo y el aire. La primera recibe el nombre de radiación directa y a la segunda se le llama radiación difusa.

Por otro lado, la energía emitida por el Sol no llega a la Tierra de manera uniforme. Varía según la hora del día, según la inclinación estacional del globo terráqueo respecto del Sol, según las distintas zonas de la superficie terrestre, etc., debido a los movimientos de la Tierra y a la absorción de la radiación solar por parte de la atmósfera. En definitiva, se ha calculado que la energía por unidad de tiempo que recibe del Sol una superficie situada a nivel del mar es de unos 1.353 vatios por metro cuadrado.

Conviene tener en cuenta, por otro lado, que la energía solar tiene una importancia directa y esencial en la generación de diversas energías renovables. Así, la absorción de la energía solar por parte de las plantas ``el proceso fotosintético'' da lugar a la biomasa.

1.2- Una energía garantizada para los próximos 6.000 millones de años.

El Sol, fuente de vida y origen de las demás formas de energía que el hombre ha utilizado desde los albores de la Historia, puede satisfacer todas nuestras necesidades, si aprendemos cómo aprovechar de forma racional la luz que continuamente derrama sobre el planeta. Ha brillado en el cielo desde hace unos cinco mil millones de años, y se calcula que todavía no ha llegado ni a la mitad de su existencia.

Durante el presente año, el Sol arrojará sobre la Tierra cuatro mil veces más energía que la que vamos a consumir.

España, por su privilegiada situación y climatología, se ve particularmente favorecida respecto al resto de los países de Europa, ya que sobre cada metro cuadrado de su suelo inciden al año unos 1.500 kilovatios-hora de energía, cifra similar a la de muchas regiones de América Central y del Sur.

Esta energía puede aprovecharse directamente, o bien ser convertida en otras formas útiles como, por ejemplo, en electricidad.

No sería racional no intentar aprovechar, por todos los medios técnicamente posibles, esta fuente energética gratuita, limpia e inagotable, que puede liberarnos definitivamente de la dependencia del petróleo o de otras alternativas poco seguras, contaminantes o, simplemente, agotables.

Es preciso, no obstante, señalar que existen algunos problemas que debemos afrontar y superar. Aparte de las dificultades que una política energética solar avanzada conllevaría por sí misma, hay que tener en cuenta que esta energía está sometida a continuas fluctuaciones y a variaciones más o menos bruscas. Así, por ejemplo, la radiación solar es menor en invierno, precisamente cuando más la solemos necesitar.

Es de vital importancia proseguir con el desarrollo de la incipiente tecnología de captación, acumulación y distribución de la energía solar, para conseguir las condiciones que la hagan definitivamente competitiva, a escala planetaria.

Básicamente, recogiendo de forma adecuada la radiación solar, podemos obtener calor y electricidad

El calor se logra mediante los colectores térmicos, y la electricidad, a través de los llamados módulos fotovoltaicos. Ambos procesos nada tienen que ver entre sí, ni en cuanto a su tecnología ni en su aplicación.

Hablemos primero de los sistemas de aprovechamiento térmico. El calor recogido en los colectores puede destinarse a satisfacer numerosas necesidades. Por ejemplo, se puede obtener agua caliente para consumo doméstico o industrial, o bien para dar calefacción a nuestros hogares, hoteles, colegios, fábricas, etc. Incluso podemos climatizar las piscinas y permitir el baño durante gran parte del año.

También, y aunque pueda parecer extraño, otra de las más prometedoras aplicaciones del calor solar será la refrigeración durante las épocas cálida precisamente cuando más soleamiento hay. En efecto, para obtener frío hace falta disponer de una «fuente cálida», la cual puede perfectamente tener su origen en unos colectores solares instalados en el tejado o azotea. En los países árabes ya funcionan acondicionadores de aire que utilizan eficazmente la energía solar.

Las aplicaciones agrícolas son muy amplias. Con invernaderos solares pueden obtenerse mayores y más tempranas cosechas; los secaderos agrícolas consumen mucha menos energía si se combinan con un sistema solar, y, por citar otro ejemplo, pueden funcionar plantas de purificación o desalinización de aguas sin consumir ningún tipo de combustible.

Las «células solares», dispuestas en paneles solares, ya producían electricidad en los primeros satélites espaciales. Actualmente se perfilan como la solución definitiva al problema de la electrificación rural, con clara ventaja sobre otras alternativas, pues, al carecer los paneles de partes móviles, resultan totalmente inalterables al paso del tiempo, no contaminan ni producen ningún ruido en absoluto, no consumen combustible y no necesitan mantenimiento. Además, y aunque con menos rendimiento, funcionan también en días nublados, puesto que captan la luz que se filtra a través de las nubes.

La electricidad que así se obtiene puede usarse de manera directa o bien ser almacenada en acumuladores para usarse en las horas nocturnas. Incluso es posible inyectar la electricidad sobrante a la red general, obteniendo un importante beneficio.

Si se consigue que el precio de las células solares siga disminuyendo, iniciándose su fabricación a gran escala, es muy probable que, para primeros de siglo, una buena parte de la electricidad consumida en los países ricos en sol tenga su origen en la conversión fotovoltaica.

La energía solar puede ser perfectamente complementada con otras energías convencionales, para evitar la necesidad de grandes y costosos

Sistemas de acumulación. Así, una casa bien aislada puede disponer de agua caliente y calefacción solares, con el apoyo de un sistema convencional a gas o eléctrico que únicamente funcionaría en los periodos sin sol. El coste de la «factura de la luz» sería sólo una fracción del que alcanzaría sin la existencia de la instalación solar.

Células fotovoltaicas

En una célula fotovoltaica, la luz excita electrones entre capas de materiales semiconductores de silicio. Esto produce corrientes eléctricas.

Electricidad fotovoltaica

Las células solares hechas con obleas finas de silicio, arseniuro de galio u otro material semiconductor  en estado cristalino, convierten la radiación en electricidad de forma directa. Ahora se dispone de células con eficiencias de conversión superiores al 30%. Por medio de la conexión de muchas de estas células en módulos, el coste de la electricidad fotovoltaica se ha reducido mucho. El uso actual de las células solares se limita a dispositivos de baja potencia, remotos y sin mantenimiento, como boyas y equipamiento de naves espaciales.

'Energía solar'

Plataforma Solar de Almería, con las centrales DCS (colectores cilíndricos-parabólicos) y CRS (tipo torre central), al fondo la CESA-1, también de torre central.

2-Tecnología Fotovoltaica.

Una instalación fotovoltaica aislada está formada por los equipos destinados a producir, regular, acumular y transformar la energía eléctrica. Y que son los siguientes:

Células fotovoltaicas: Es dónde se produce la conversión fotovoltaica, las más empleadas son las realizadas con silicio cristalino. La incidencia de la radiación luminosa sobre la célula crea una diferencia de potencial y una corriente aprovechable.

Placas fotovoltaicas: Son un conjunto de células fotovoltaicas conectadas entre sí. Estas células están encapsuladas para formar un conjunto estanco y resistente.

El Regulador: Tiene por función regular la carga y la descarga de las baterías y eventualmente protegerlas de una sobrecarga excesiva.

Baterías: Son el almacén de la energía eléctrica generada. En este tipo de aplicaciones normalmente se utilizan baterías estacionarias, que no sólo permiten disponer de electricidad durante la noche y en los momentos de baja insolación sino para varios días.

El Ondulador: Transforma la corriente continua (a 12, 24 o 48 v) generada por las placas fotovoltaicas y la acumulada en las baterías a corriente alterna (a 230 v y 50 Hz).

USOS POSIBLES DE LA ENERGÍA SOLAR

Calefacción doméstica.

-Refrigeración

-Calentamiento de agua

-Destilación

-Fotosíntesis

-Generación de energía

-Hornos solares

-Cocinar

-Evaporación

-Acondicionamiento de aire

-Control de heladas

-Secado

3-Sistemas de aprovechamiento.

La energía solar tiene tres campos de aplicación:

-a) Conversión en energía térmica

-b) Conversión en energía eléctrica

A) CONVERSIÓN EN ENERGÍA TÉRMICA

Consiste en la utilización de la energía para obtener calor. Todo cuerpo expuesto al Sol absorbe una parte de los rayos solares que sobre él inciden. Esto da lugar a que el material se caliente y adquiera un cierto calor. Esto se realiza mediante colectores solares, que pueden clasificarse en los siguientes tipos:

Colector solar plano

'Energía solar'

El colector solar plano, está formado por una superficie metálica plana que lleva adherida a ella una serie de tuberías de cobre, estando todo el conjunto revestido de pintura negra absorbente selectiva. Por las tuberías circula el agua a ser calentada por la radiación solar. Para evitar las pérdidas de calor por conducción, el conjunto lleva en su parte posterior una capa de material aislante térmico que puede ser: poliuretano expandido, lana de vidrio, fiberglass,…

El rendimiento de un colector solar se deduce comparando la cantidad de calor que se obtiene del agua y la cantidad de calor que recibe el colector de la radiación solar. Pero el rendimiento cae bruscamente a medida que aumenta la temperatura debido a las pérdidas térmicas. Para disminuir éstas pérdidas, la solución es poner 2 o 3 cubiertas de vidrio en lugar de una. Pero con ésta solución, aparece otro inconveniente, ya que aumentan las pérdidas ópticas, pues todo rayo solar incidente sobre un vidrio pierde parte de intensidad por absorción y refracción en el mismo, perdidas que se acrecientan al haber más capas de vidrio. Hay, por tanto una limitación en el número óptimo de cubiertas de vidrio.

Otra forma de reducir las pérdidas térmicas y obtener simultáneamente una reducción de las pérdidas ópticas, es colocar entre las dos placas de vidrio, placas verticales de vidrio o plástico. De ésta forma se reducen las pérdidas térmicas por convección, y en cuanto a las reflexiones y refracciones producidas en las placas horizontales son atrapadas por las verticales, recuperándose así parte de las pérdidas ópticas.

Otra forma de mejorar el rendimiento es emplear pinturas especiales selectivas y electroplateado de las superficies con cromo negro o níquel negro.

Colector al vacío

La idea de hacer el vacío entre la cubierta de vidrio y la placa receptora, reduce las pérdidas por convección a cero y si a ello se le agrega una superficie de absorción selectiva, también se pueden reducir casi a cero las pérdidas por radiación, pero conseguir un vació entre las placas de un colector plano es muy difícil técnicamente porque hay que tener un soporte rígido del espacio entre las placas y un sellado hermético a veces imposible de practicar.

Colectores concentradores

Su principio es el de concentrar mediante procedimientos ópticos la energía que irradia el sol antes de su transformación en calor. Así, una radiación solar que entra a un colector concentrador a través de una superficie determinada es reflejada, refractada o absorbida por una superficie menor, para luego ser transformada en energía térmica. Esto no ocurre en el colector plano, donde la transformación de la energía solar en térmica se efectúa en la misma superficie que recibe la radiación.

Su ventaja es la reducción de las pérdidas térmicas en el receptor, pues al ser de menor superficie habrá menos área para la radiación del calor, y por lo tanto el líquido que circula por el receptor puede calentarse a mayores temperaturas con un rendimiento razonable y a un costo menor. Las refracciones extras de la radiación solar, hacen aumentar las pérdidas ópticas.

Se utilizan para instalaciones que trabajan a media temperatura. Pueden proporcionar temperaturas de hasta 300 ºC con buenos rendimientos. Las centrales de colectores de concentración se utilizan para generar vapor a alta temperatura con destino a procesos industriales.

Los más difundidos son los colectores de concentración cilíndrico-parabólicos. Todos llevan un sistema para girar y mantenerse orientados al Sol.

Estos colectores se dividen en dos tipos:

-De alta concentración: mediante dispositivos especiales y precisos de enfoque y seguimiento del sol, logran en el receptor una alta densidad de energía.

-De baja y media concentración: no requieren dispositivos especiales de enfoque y tampoco un seguimiento permanente del sol, sino la modificación de su posición algunas veces por año.

Se pueden dividir los sistemas de aprovechamiento de energía solar por vía térmica en tres grupos:

Conversión térmica a baja temperatura (-90º)

Consiste en la captación de la energía solar por medio de unos paneles solares planos constituidos por las siguientes partes: una lámina transparente que deja pasar la radiación solar, colocada sobre una superficie negra que absorbe dicha radiación. Conectado a ésta superficie oscura hay un conducto por donde pasa agua fría, que gracias a la energía del Sol absorbida por la superficie negra, sale caliente del panel. El conjunto, a excepción de la placa transparente, está rodeado de un aislante para evitar la pérdida de calor.

En éste tipo de conversión térmica se necesita un sistema de almacenaje de la energía, en éste caso en forma de agua caliente, para cuando sea de noche o esté nublado.

Conversión térmica a media temperatura (90-200º)

Se utilizan espejos y lupas, concentradores solares, para concentrar la radiación solar sobre una superficie mucho menor que la de los paneles planos. La concentración de la radiación solar sobre superficies reducidas produce una mayor temperatura, y en definitiva mayor energía calorífica. La eficacia de los concentradores solares depende de un sistema de orientación que las mueva para seguir la trayectoria solar. Necesitan tomar directamente la radiación del Sol.

Conversión térmica a altas temperaturas (+200º)

Se utilizan más espejos y de mayor tamaño para concentrar aún más la radiación. Estos enormes espejos, llamados helióstatos, son orientables para seguir la luz del Sol. Su mayor aprovechamiento, se produce mediante una alta torre con una caldera, hacia donde confluyen los rayos solares.

B) CONVERSIÓN EN ENERGÍA ELÉCTRICA

Consiste en la utilización de la energía solar para producir directamente electricidad. Para ésta aplicación se utilizan las células solares o fotovoltaicas. Los sistemas fotovoltaicos permiten la transformación de la luz solar en energía eléctrica, es decir, la conversión de una partícula luminosa con energía (fotón) en una energía electromotriz (voltaica).

Cuando la energía luminosa incide en la célula fotoeléctrica, existe un desprendimiento de electrones de los átomos que comienzan a circular libremente en el material. Si medimos el voltaje existente entre los dos extremos del material, observamos que existe una diferencia de potencial entre 0,5 y 0,6 voltios.

Pero ésta cantidad de energía es insuficiente si no somos capaces de obtener mayores voltajes y corrientes que permitan aplicaciones prácticas. Para ello, se diseñan en cada oblea cientos de diodos, los cuales son capaces de suministrar tensiones de varios voltios. Los paneles solares pueden acoplarse en forma modular, lo que permite que puedan pasar de un sistema doméstico de generación de energía, a otro más potente para industrias o instalaciones de gran consumo.

Para la instalación de un sistema solar fotovoltaico, es necesario realizar un dimensionado o cálculo de las necesidades y confort que uno requiere. Con ello podemos calcular los vatios que se necesitan en cada momento según la radiación del sol en cada lugar.

El elemento principal de un sistema de energía fotovoltaica es la célula fotoeléctrica. Los paneles solares están constituidos por cientos de éstas células, que conexionadas adecuadamente, suministran voltajes suficientes para, por ejemplo, la recarga de una batería. Para su construcción, de la arena común (con alto contenido en silicio) se obtiene inicialmente una barra de silicio sin estructura cristalina (amorfo), una vez separados sus dos componentes básicos, y que acoge gran cantidad de impurezas. Mediante un proceso electrónico, que también permite eliminar las impurezas, la barra de silicio amorfo es transformada en una estructura monocristalina, la cual posee características de aislante eléctrico, al estar formada por una red de uniones atómicas altamente estables. A continuación, con el material ausente totalmente de impurezas (una pequeña impureza lo hace inservible), es cortado en obleas (finas láminas de sólo una décima de milímetro). Las obleas, son entonces fotograbadas en celdillas con polaridades positiva y negativa; la polaridad positiva se consigue a base de introducir o que electrónicamente hablando se denominan huecos, es decir, impurezas que están compuestas por átomos que en su capa de valencia sólo tienen tres electrones (les falta uno para estar estables). Por su parte, en la zona negativa se sigue un proceso similar al de la zona positiva, pero en éste caso las impurezas que se inyectan son átomos que en su capa de valencia tienen cinco electrones, es decir, en la estructura de cristal sobra un electrón (sobra un electrón, por eso se dice que tiene carga negativa). El conjunto de ambos materiales (positivos y negativos) forman un diodo; éste dispositivo tiene la característica de dejar pasar la corriente eléctrica en un sentido pero en el otro no, y aunque los diodos son utilizados para rectificar la corriente eléctrica, en éste caso, permitiendo la entrada de luz en la estructura cristalina, permitiremos que se produzca movimiento de electrones dentro del material, por eso éste diodo es denominado “fotodiodo” o “célula fotoeléctrica”.

4-Ventajas e inconvenientes de la energía solar fotovoltaica.

VENTAJAS:

La energía solar fotovoltaica es una de las fuentes más prometedora de energía renovable en el mundo. Comparada con las fuentes no renovables, las ventajas son claras: es totalmente no contaminante, no tiene partes móviles que analizar y no requiere de mucho mantenimiento.

No requiere de una extensa instalación para operar. Los generadores de energía pueden ser instalados de una forma distribuida en la cual, los edificios ya construidos, pueden generar su propia energía de forma segura y silenciosa.

Aún cuando la energía fotovoltaica es comparada con otras fuentes de energía renovables, tales como la eólica, hidráulica y la solar térmica, hay algunas ventajas obvias. Primero, la energía producida por el viento y el agua, dependen de turbinas para lograr que los generadores produzcan energía. Las turbinas y generadores tienen partes móviles que se pueden dañar, que requieren mantenimiento y que son ruidosas. La energía solar térmica, necesita una turbina para que el generador produzca energía eléctrica.

En resumen, la energía fotovoltaica es generada directamente del sol. Los sistemas fotovoltaicos no tienen partes que se muevan, por lo tanto no requieren mantenimiento y sus celdas duran décadas.

INCONVENIENTES:

Los inconvenientes de éste sistema de generación de energía, no es tanto el origen de esa energía, el Sol, que excede nuestras necesidades, ni tampoco la materia prima de donde se extrae el silicio, consistente en arena común muy abundante en nuestras playas; se trata de la técnica de construcción de las obleas, excesivamente compleja y cara. Un segundo motivo, es el rendimiento obtenido y el espacio de terreno ocupado por los elementos captadores; el rendimiento final se estima en solo un 13%.

5-Aplicaciones de la energía fotovoltaica.

Actualmente, las células fotovoltaicas se aplican en:

-Centrales solares de células fotovoltaicas

-Pequeñas instalaciones (faros, balizas…)

-Satélites lanzados al espacio

-Automóviles

- Viviendas

Instalación solar en una vivienda.

6-Tipos de células solares.

Células monocristalinas:

Son células formadas por un sólo tipo de cristal: silicio puro dopado. El dopado consiste en introducir otros materiales contaminantes en menor cantidad o impurezas en un material madre como es en este caso el silicio.

Son bastante caras y difíciles de conseguir. A pesar de eso, consiguen unos rendimientos muy buenos, los más grandes, superiores al 18%.

Células policristalinas:

Se construyen básica-mente con silicio, mezclado con arsenio y galio, son un agregado de materiales, casi que es como un bizcocho: reúnes los ingredientes, los mezclas, los pones en un molde y luego en el horno a una temperatura determinada. Son más sencillas de conseguir y consiguen unos rendimientos nada despreciables (15%). No duran tanto tiempo pero son perfectas para lugares en los que por las condiciones ambientales, aunque las células sean muy duraderas se rompan igualmente, como la alta montaña, los desiertos etc.

Células amorfas:

Las más baratas, menos duraderas y con rendimientos muy bajos de alrededor de un 6% que tienden a cero con el envejecimiento. Son las utilizadas en calculadoras y aparatos por el estilo ya que la energía que proporcionan es muy baja. Se construyen a base de evaporar encima de un cristal en una cámara de efluvios el material semiconductor o foto-reactivo y colocar un par de electrodos en cada una de las unidades correspondientes.

7-Bibliografía.

-Pagina del rincón del vago:

http://html.rincondelvago.com/energia-solar_8.html

-Página sobre centrales solares: http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd99/ed99-0226-01/capitulo6f.html

-Página de greenpeace:

http://greenpeace.es

-Buscador, se buscaron imágenes y las páginas de arriba:

http://google.es

El principio fundamental de funcionamiento de un colector solar, se basa en el aprovechamiento de la propiedad que posee una superficie revestida de negro o de una sustancia de material selectivo, que absorbe radiación solar en un 90% y la emite en menos de un 10%.

Satélite

Central solar de Almería

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Célula fotoeléctrica