Energía solar

Fuentes energéticas renovables o alternativas. Crisis energética. Evolución histórica y fundamentos. Células e instalaciones solares y fotovoltaicas

  • Enviado por: Fede
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INTRODUCCIÓN

Los pronósticos de distintos análisis especializados indican que el consumo energético en el mundo, en particular la electricidad, continuará incrementándose. El último informe del consejo mundial de Energía estima que el consumo global de electricidad puede llegar a incrementarse aproximadamente un 75 % para el 2020 y triplicarse para el 2050.

Países en desarrollo como Bangladesh, consumen menos de 100 KWh por año y persona, mientras que en países como Canadá y Suecia se llega hasta 15.000 KWh

No existen casi controversias sobre el aumento en la demanda de la energía eléctrica; pero… ¿de dónde provendrá esa electricidad?.

En la actualidad, los combustibles fósiles contribuyen con un 63% de la producción eléctrica, la hidroeléctrica un 19%, la nuclear un 17%, la geotérmica un 0,3% y la solar, eólica y la biomasa, en conjunto, menos del 1%.

Los combustibles fósiles tienen algunas ventajas:

  • Bajo costo

  • Facilidad en su transporte

Pero también tienen una gran desventaja, que es la contaminación ambiental mediante el dióxido de carbono generado al quemar dichos combustibles. Éstos gases contaminantes, contribuyen en el recalentamiento global del planeta, el cual puede tener consecuencias desastrosas para ciertas regiones produciendo sequías e inundaciones.

En la conferencia Internacional de Kyoto (1997) se avanzó fijando límites a la emisión, por debajo de los valores de gases emitidos en1990. ¿Qué podemos hacer frente a éste panorama? Disminuir el consumo de combustibles fósiles, utilizando fuentes de energía que no emitan dióxido de carbono, como pueden ser la nuclear, hidroeléctrica o las fuentes de energía renovables.

Entre las principales ventajas de la opción nuclear podemos mencionar la abundancia y bajo costo del combustible ( URANIO ). Pero tres son las principales objeciones que generalmente se le encuentran:

  • La incorrecta asociación de tecnología nuclear con el armamento nuclear

  • El temor a los posibles accidentes

  • La eliminación de los residuos

El volumen de residuos nucleares es extremadamente limitado, por lo tanto puede ser completamente aislado de la atmósfera.

Como posible alternativa a la emisión de dióxido de carbono, algunas organizaciones ambientalistas insisten invariablemente en el uso de las fuentes de energía renovables. Sin embargo, éstas fuentes proveen únicamente el 2% del consumo de energía para uso comercial en el mundo. La mayoría de ella proviene de instalaciones geotérmicas en USA, Islandia y Nueva Zelanda. Es muy difícil poder llegar siquiera a un 5% para el año 2020.

La energía solar se utiliza con mucho éxito en algunos países para calentar agua para uso doméstico o para la generación de electricidad en pequeñas cantidades para señalizaciones, estaciones de comunicaciones remotas, etc.

Es tentador pensar que el sol y el viento, que son gratis y están en todos los lados , y la biomasa que crece libremente, puedan ser una fuente ilimitada de energía libre de dióxido de carbono.

Lamentablemente, éstas fuentes tienen varias desventajas inherentes que afectan su utilidad y eficiencia económica; tanto loa rayos solares como el viento son intermitentes, y por lo tanto, éstas fuentes no podrán proveer la electricidad masiva que necesitamos en todo momento. Otra desventaja es su dispersión. Si se desean cantidades significativas de energía solar, eólica o biomasa, éstas deben “recogerse” en grandes extensiones de tierra y esto aumenta considerablemente su costo. Se ha calculado que para obtener una cantidad de electricidad equivalente al de una planta de 1.000 Mw(e), se necesitarían:

  • Un área de 60 a 100 Km2 de celdas solares.

  • Un área de 4.000 a 6.000 Km2 de biomasa.

No se cree que, para el próximo siglo, las nuevas fuentes de energía puedan tener una contribución mayor al suministro de energía mundial que lo que lo hacen al presente la nuclear e hidroeléctrica.

La energía solar y eólica han mostrado ser poco competitivas económicamente, se necesita todavía mucho desarrollo para reducir los costos.

Tampoco podemos dejar de mencionar la contaminación que se produce tanto en la fabricación como en la eliminación de celdas solares donde se utilizan productos químicos altamente contaminantes. En el caso de la energía eólica un perjuicio ecológico adicional es la contaminación sonora y la matanza de pájaros que chocan contra las turbinas

Ni hoy, ni a medio plazo existen fuentes de energía en gran escala económicamente competitivas, que no sean la nuclear o hidroeléctrica, que pueden reemplazar la utilización masiva de combustibles fósiles. La mejor solución al tema energético, pasa por una provisión diversificada donde todas las fuentes no contaminantes contribuyan a la generación eléctrica en la proporción que, económicamente y geopolíticamente, resultan más convenientes para cada país.

Aquí muestro unos consejos para ahorrar energía.

Sin costo

  • Limpiar el polvo acumulado en el enfriador de el refrigerador.

  • Mantener tanto el refrigerador como el congelador llenos.

  • Cerrar el grifo mientras te afeitas o te lavas los dientes.

  • Usar agua fría en los lavados y llenar la lavadora de ropa.

  • No precalentar el horno para cocinar.

  • Drenar, ocasionalmente, algo del agua del tanque del calentador de agua para reducir sedimentos.

De bajo costo

  • Aislar el exterior de su calentador de agua para evitar pérdidas por radiación.

  • Usar sellador en puertas y ventanas que tienen pérdidas.

  • Aislar los tomacorrientes usando placas aislantes entre la pared y la tapa plástica.

EL SOL

El sol es una masa de materia gaseosa caliente que irradia a una temperatura efectiva de unos 6.000 ºC.

El sol está a una distancia de unos 150 millones de kilómetros de la Tierra, y la constante solar, esto es, la intensidad media de radiación medida fuera de la atmósfera es aproximadamente en 1.94 cal/min.cm3.

La intensidad de la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra, se reduce por varios factores variables, entre ellos, la absorción de la radiación, en intervalos de longitud de onda específicos por los gases de la atmósfera ( dióxido de carbono, ozono… ), por el vapor de agua, por las partículas d polvo, gotitas de agua y por la reflexión de las nubes.

El total de la energía solar que llega a la Tierra, es enorme. En un día de sol de verano, la energía que llega al tejado de una casa de tipo medio, sería más que suficiente para satisfacer las necesidades de energía de esa casa por todo un día.

En nuestro planeta, el mayor productor de energía que existe es el Sol. La cantidad de energía solar que llega en forma de radiación a nuestro planeta, es equivalente a aproximadamente 35 millones de veces la energía que producen todas las centrales eléctricas de un país como Chile.

La radiación solar, nos provee de energía luminosa y calorífica. También puede transformarse en energía eléctrica. Además, la radiación es fundamental para que las plantas ( a través de la fotosíntesis ), obtengan energía y vivan. Las plantas son la base de la cadena alimenticia de la Tierra, proveyendo de energía a todo el reino animal. El petróleo, el gas y el carbón mineral, son producto de la descomposición de restos de vegetales y animales que vivieron hace millones de años.

Además, la e. Solar genera la evaporación del agua de los mares, la cual precipita en lagos y ríos, que serán aprovechados en la generación de hidroelectricidad. Al calentar más unas zonas que otras, el Sol produce deferencias en el “peso” de las masas de aire, generando los sistemas de viento del planeta: la energía eólica.

En la sociedad actual, utilizamos la energía que nos entrega el Sol de diversas maneras. La radiación directa nos sirve para secar ropa, calentar y cocinar.

La radiación solar se usa también para generar electricidad.

La luz solar puede también transformarse directamente en electricidad, utilizando celdas y paneles fotovoltaicos. Éstas celdas se desarrollaron en los años cincuenta para ser utilizadas por satélites espaciales.

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

ORIGEN

Se cree que el sol tiene unos 5.000 millones de años y que se formó cuando la gravedad atrajo una gran nube de gas y polvo, de la cual también se originaron la Tierra y otros planetas. Es una estrella formada por diversos elementos gaseosos, principalmente hidrógeno, en unas condiciones, que de forma espontánea, e ininterrumpida producen una fisión nuclear. Éste es el origen de la energía solar, que se puede considerar como una fuente inagotable de energía.

El calor es el movimiento de los átomos y de las moléculas: cuanto mayor es la temperatura, mayor es su velocidad y sus colisiones son más violentas. Cuando la temperatura en el centro del Sol recién formado se elevó lo suficiente como para que las colisiones entre los núcleos venciesen a su repulsión eléctrica y los núcleos empezaron a juntarse. Esto libera energía nuclear y mantiene la alta temperatura del centro del Sol; el calor también mantiene la alta presión del gas, manteniendo el Sol hinchado y neutralizando la atracción gravitatoria que no lo concentra más.

La parte de ésta energía que llega a la Tierra, aunque es muy pequeña supera en unas 10.000 veces la potencia de todas las formas de energía que emplea el hombre. Al exterior de la atmósfera, llegan unos 1353 [W/m2].

Sin embargo, toda ésta energía no llega a la superficie de la Tierra, ya que al atravesar la atmósfera, la radiación solar pierde intensidad debido a diversos factores, tanto atmosféricos como geográficos. La energía que recibe la Tierra del Sol, tiene dos componentes: la radiación directa, que no sufre cambios y la radiación dispersa, debida a la dispersión por parte de la atmósfera y del suelo.

La radiación que llega al suelo es de unos 900 [W/m2] valor que, a escala de todo el planeta, equivale a unas 2.000 veces el consumo energético mundial.

La irregular distribución de éste flujo energético hace necesario su medida experimental para obtener datos fiables para el diseño y construcción de los sistemas de captación.

EVOLUCIÓN HISTÓRICA

En todas las civilizaciones, desde las más antiguas, aparecen alusiones al sol como elemento imprescindible para la vida.

Ya en el siglo V a.C., Sócrates recomendaba construir las casas con las fachadas al sur altas, para captar el sol invernal y las fachadas al norte bajas, para evitar los vientos fríos.

En el siglo II a.C., Arquímedes utilizó espejos solares para incendiar la flota romana en el puerto de Siracusa.

En siglos posteriores, se utilizó la energía del Sol, captándola por medio de espejos, para incendiar árboles y fundir metales. Buffon, en el siglo XVIII, utilizó 168 espejos para incendiar un árbol que estaba a 70 metros y fundió plomo y plata a 35 metros de distancia.

También en el siglo XVIII, Lavoisier ideó lo que hoy se podría denominar el primer horno solar en el que se podrían fundir metales.

En el siglo XIX, en el desierto de sal de Chile se desalaba agua para obtener agua potable, utilizando la energía del Sol, y produciéndose 20 m3 de agua dulce al día con 500 m2 de colectores solares.

La primera máquina fue capaz de transformar energía solar en mecánica para una imprenta. Fue diseñada por el francés Pifre en 1882.

A lo largo del pasado siglo la percepción de la problemática de la energía ha sido muy diferente de la que tenemos actualmente. Así, el hecho de disponer de grandes cantidades de energía a bajo precio ha sido una condición necesaria para acceder a un cierto nivel de calidad de vida. El crecimiento económico de los países industrializados se fundamentó en la disponibilidad de una fuente de energía barata y abundante: el petróleo.

A partir de la 2ª guerra mundial, tanto la producción mundial de petróleo como la demanda industrial de energía, se han duplicado cada diez años, las previsiones sobre la evolución del consumo de energía en el mundo, muestran un crecimiento similar en los próximos años. Aunque al final de los años sesenta despuntaron voces críticas de que el crecimiento energético no se podía mantener indefinidamente, no fue hasta la primera crisis del petróleo (1973) cuando la sociedad empezó a concienciarse del problema de la limitación de las reservas de combustibles fósiles de las cuales, sólo hay para 50 años de petróleo y 200 años de carbón.

Otro problema era lo nocivas que eran las energías utilizadas hasta el momento, para el medio ambiente. Las únicas posibilidades de mantener un crecimiento sostenible garantizando un suministro energético a largo plazo y la conservación del medio ambiente, son el incremento de la eficiencia y la búsqueda de energías alternativas al petróleo.

En la actualidad, las emisiones de humos contaminantes siguen aumentando, los árboles se siguen talando sin control y las plantas se extinguen a una gran velocidad. Éstas son algunas de las razones por las que el hombre busca energías alternativas, es decir, energías renovables.

La sociedad de consumo, se ha convertido en un círculo vicioso. Cuando se empieza ya no se puede parar. El consumo es la fórmula para que la sociedad funcione y no desaparezca.

El peligro es que a la naturaleza le es imposible reponerse a la velocidad con la que se le extrae el capital natural. HAY QUE VER LA CALIDAD DE VIDA DE FORMA DIFERENTE A COMO LA VEMOS AHORA.

FUNDAMENTOS

El aprovechamiento de la radiación solar mediante su conversión directa en energía térmica requiere una tecnología relativamente simple, ya que, en suma, se trata de imitar un fenómeno que la Naturaleza realiza constantemente.

En un típico día despejado y en los momentos en que el Sol está alto sobre el horizonte, sobre cada metro cuadrado de suelo horizontal incide casi un kilovatio-hora de energía radiante. Dicha energía se transforma íntegramente en calor, elevando la temperatura de los cuerpos materiales sometidos a su acción.

Para hacerse una idea de lo que significa, en términos cuantitativos dicha energía, señalemos que es similar a la energía radiante que puede emitir, en el mismo periodo de tiempo, un radiador de calefacción por agua caliente de aproximadamente un metro cuadrado de área o la producida por una placa o calentador eléctrico de 1.000 vatios de potencia, un valor corriente entre los aparatos que existen en el mercado.

Más importante incluso que la cantidad absoluta de energía recibida en un área y periodo de tiempo determinados es la intensidad con que dicha energía alcanza la superficie, es decir, la mayor o menor concentración del flujo energético, puesto que dicha intensidad es el factor que más influye en la capacidad de elevar la temperatura del cuerpo que recibe la radiación.

La inclinación con la que los rayos del Sol inciden sobre la superficie que deseamos calentar determinará la intensidad de la energía térmica recibida. Cuanto más oblicuos sean los rayos con respecto a dicha superficie, la energía total que transporte un haz se repartirá sobre un área más extensa y, por tanto, la intensidad de sus efectos será más débil en cada punto de la misma.

Debido a la inclinación del eje de rotación de la Tierra con respecto al plano sobre el cual se traslada alrededor del Sol, los rayos solares inciden con diferente ángulo según la época del año. En invierno, lo hacen con un ángulo más pequeño respecto a la horizontal, lo contrario que en verano, época en la que incluso llegan a alcanzar la vertical en las horas centrales del día y en las zonas cercanas al Ecuador.

Lo anterior es la causa de que, aun con cielo completamente libre de nubes, la energía total que incide a lo largo de un día sea considerablemente mayor en verano que en invierno. Aun así, en un día claro de invierno se recibe suficiente energía para que, aprovechándola de forma adecuada, se puedan satisfacer muchas de las necesidades básicas, incluido el cocinado de alimentos mediante cocinas solares.

Debido a la mayor verticalidad de los rayos solares, si consideramos la energía incidente sobre una cierta superficie horizontal y durante un periodo de tiempo determinado, por ejemplo durante una o dos horas, resultará que ésta será mucho mayor en las horas centrales del día que en las horas inmediatamente posteriores al amanecer o

anteriores a la puesta del Sol.

MECANISMOS PARA SU APROVECHAMIENTO

La energía solar tiene tres campos de aplicación:

  • conversión en energía térmica

  • conversión en energía eléctrica

  • energía solar pasiva

  • 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

  • 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%.

    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.

    Éstos 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. Éstos enormes espejos, llamados heliostatos, 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”.

    Éste mecanismo, tiene ventajas e inconvenientes.

    -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 construídos, 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, hidraúlica 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%.

    Dispositivos de almacenamiento de energía solar:

    Debido a la naturaleza intermitente de la radiación solar como fuente energética durante los períodos de baja demanda debe almacenarse el sobrante de energía solar para cubrir las necesidades cuando la disponibilidad sea insuficiente. Además de los sistemas sencillos de almacenamiento como el agua y la roca, se pueden usar, en particular en las aplicaciones de refrigeración, dispositivos más compactos que se basan en los cambios de fase característicos de las sales eutécticas. Los acumuladores pueden servir para almacenar el excedente de energía eléctrica producida por dispositivos eólicos o fotovoltaicos. Un concepto más global es la entrega del excedente de energía eléctrica a las redes existentes y el uso de éstas como fuentes suplementarias si la disponibilidad solar es insuficiente. Sin embargo, la economía y la fiabilidad de éste proyecto plantea límites a ésta alternativa.

    Actualmente, las células fotovoltaicas se aplican en:

    • Centrales solares de células fotovoltaicas

    • Pequeñas instalaciones (faros, balizas…)

    • Satélites lanzados al espacio

    • Automóviles

    • Viviendas

    EL FUTURO DE LA ENERGÍA FOTOVOLTAICA

    Cada día más personas son conscientes de que utilizadas debidamente, las técnicas energéticas sirven de instrumento para lograr el bienestar, pero que la continuación de las tendencias actuales puede degradar el entorno y propiciar una existencia sórdida. El problema no está en conocer la cantidad de energía que necesitamos, ni en saber cuánto nos costará, ni en saber desde ahora, qué tecnologías tenemos que desarrollar, o cómo haremos para distribuir la energía. El problema está en saber si conocemos el sentido real de para qué sirve todo esto.

    Sociológicamente, se ha impuesto un modelo de vida despilfarrador de energía, pero pensar que la sociedad adoptará de forma espontánea un género de vida energéticamente más conservador y respetuoso con el medio ambiente es sólo una hipótesis. Ahora, en un mundo sometido a profundos cambios tecnológicos y socioeconómicos, ya no resulta fácil detenerse un momento y reflexionar.

    La energía solar es la única fuente renovable que puede proporcionar unas condiciones de vida que convenzan a más de dos mil quinientos millones de personas de todo el mundo. Todas las sociedades antiguas rindieron homenaje al Sol. La cantidad de energía solar que incide anualmente en la Tierra es diez veces superior a las reservas de combustibles fósiles y uranio juntas. El Sol es el origen de casi todas las fuentes de energía renovable.

    No es posible intentar pronosticar cuáles serán las aplicaciones fotovoltaicas que mayores desarrollos experimentarán a partir del año 2002, ya que todas se están consolidando. Tampoco es preciso conocer y analizar la evolución vivida durante los últimos veinte años, para darse cuenta del enorme futuro que le espera a la tecnología fotovoltaica. Desde que la conservación de las fuentes de energía no renovables empezó a tratarse como una necesidad, los desarrollos que se han producido en el aprovechamiento de las energías renovables han sido espectaculares. El actual mercado fotovoltaico crece de forma contundente a un ritmo superior al 17% anual. Se están produciendo grandes y significativos avances para articular el mercado. Pero ahora, la inercia existente favorece a las fuentes energéticas más contaminantes, debido al incorrecto funcionamiento de un sistema de precios que no refleja su auténtico coste real económico, social y medioambiental. No obstante, todo el sector de la energía evoluciona amparado sobre la importancia que hoy por hoy tiene la liberalización económica y la protección del entorno natural.

    La energía fotovoltaica nos brinda la oportunidad de reducir costos administrativos. Por ejemplo, para la implantación de la energía solar no se requieren normas de seguridad especiales, ni restricciones a los escapes de gases, ni reglamentos especiales sobre residuos, ni estaciones de control de la contaminación.

    Como característica principal de su fortaleza y de su futuro, ésta energía muestra una excelente capacidad de trabajo con otras fuentes de energía. Podemos encontrar instalaciones fotovoltaicas trabajando con centrales nucleares, hidroeléctricas, y de todo tipo. La polivalencia que muestra la fotovoltaica es muy grande, hay instalaciones que trabajan con la red eléctrica de distribución, otras a lomos de un camello, otras ensambladas en un satélite artificial, encima de una señal de tráfico, en un reloj de pulsera, en el Polo Sur, etc. La lista es tan grande como variopinta.

    Si solamente el 2% de los edificios europeos dispusiera de sistemas fotovoltaicos se podrían crear alrededor de 100.000 empleos. La tecnología fotovoltaica producirá con el tiempo un efecto multiplicador sobre el empleo, dado que la gran mayoría de los puestos de trabajo se generarán en las áreas de destino de las instalaciones. Además el empleo fotovoltaico resulta especialmente beneficioso porque asegura continuidad en el tiempo no presenta estacionalidad, se distribuye por todo el territorio y precisamente en aquellas áreas que más necesitan el estímulo del desarrollo económico.

    Los gobiernos occidentales están redefiniendo sus papeles en el sector de la energía, y el tirón que supone éste giro obliga a las grandes empresas a seguir muy de cerca los cambios que se están introduciendo. La mayoría de los cambios políticos que se están produciendo se inscriben dentro de una de estas cinco categorías: reducir las subvenciones a los combustibles fósiles; reorientar los gastos en investigación y desarrollo ( I+D )en las nuevas tecnologías; redactar nuevas normativas; rencauzar la ayuda energética a los países den desarrollo; y abrir mercados energéticos antes cerrados a más participantes y a una mayor competencia.

    C) ENERGÍA SOLAR PASIVA

    Sus principios están basados en las características de los materiales empleados en la construcción y en la utilización de los fenómenos naturales de circulación de aire. Por tanto, se establece una interrelación entre energía solar pasiva y arquitectura, ya que éstos sistemas se construyen sobre la estructura del edificio. Una de las grandes ventajas de los sistemas pasivos, frente a los activos, es su gran durabilidad ya que su vida es análoga a la del edificio. Los sistemas de calefacción solar activa incluyen equipos especiales que utilizan la energía del Sol para calentar o enfriar estructuras existentes. Los sistemas pasivos implican diseños de estructuras que utilizan la energía solar para enfriar y calentar. En una casa, un espacio solar sirve de colector en invierno cuando las persianas están abiertas y de refrigerador o nevera en verano cuando están cerradas. Muros gruesos de hormigón permiten oscilaciones de temperatura ya que absorben calor en invierno y aíslan en verano. Los depósitos de agua proporcionan una masa térmica para almacenar calor durante el día y liberarlo durante la noche.

    La repercusión en el medio ambiente de éste aprovechamiento de energía solar es nula, ya que no se produce ningún tipo de impacto sobre la atmósfera, el agua o el suelo, ni tampoco otro tipo de efectos como ruido, alteraciones de ecosistemas, efectos paisajísticos particulares, etc. Su aplicación resulta favorable por el impacto evitado y desde el punto de vista arquitectónico. La incorporación de elementos de la arquitectura solar pasiva debe conducir a producir dos efectos sobre las edificaciones que permitan el acondicionamiento técnico de las mismas durante todas las épocas del año.

    Otra forma de aprovechar ésta energía es:

    • Mediante cristales que aíslan el recinto del exterior, dejando pasar los rayos solares

    • Mediante acumuladores térmicos, que retienen ese calor y lo van disipando poco a poco, por lo que se asegura calor durante más tiempo, por ejemplo durante la noche.

    PROBLEMAS EN SU APROVECHAMIENTO

    De la radiación solar total, solamente dos millonésimas partes llegan a la atmósfera terrestre. Pero de ésta radiación dirigida a nuestro plantea poco más de la mitad incide efectivamente en la superficie de la Tierra. En los niveles superiores de la atmósfera, se elimina la mayor parte de la radiación ultravioleta, mientras que la tercera parte de lar radiación es devuelta al espacio por reflexión, difusión y refracción y además, una parte queda absorbida por el vapor de agua y otros componentes de la atmósfera.

    La energía solar no llega de manera uniforme a la Tierra: la estación del año, la hora del día, la altitud…, son factores que hacen variar la radiación que absorbe la superficie terrestre. El aprovechamiento energético del Sol presenta una serie de ventajas frente a otros tipos de energías, como es su carácter de gratuita e inagotable a escala humana. Sin embargo, la energía solar presenta serios problemas para su explotación. En primer lugar, la radiación solar llega de forma dispersa e inconstante, especialmente al no disponer en la actualidad de un sistema eficaz de almacenamiento de energía. En segundo lugar, para utilizar a gran escala la energía solar no son necesarios sistemas de captación de gran superficie, lo cual influye en su precio.

    La aplicación práctica de la energía solar tiene sus limitaciones técnicas, generalmente relacionados con el rendimiento obtenido, además de que no todos los habitantes de nuestro planeta tienen las mismas oportunidades para su aprovechamiento. El Sol ilumina la Tierra de forma desigual, y con diferente ángulo e intensidad según la región terrestre de que se trate, la estación del año y el ciclo día/noche. Lo ideal es disponer de una zona que se encuentre iluminada durante la mayor parte del año, eso implica que determinados lugares quedan al margen de su aprovechamiento, como en los países nórdicos. Pero en las zonas más próximas al Ecuador, se ven altamente beneficiadas.

    DESARROLLO ACTUAL EN ESPAÑA

    España, al ser uno de los países de la Unión Europea con más posibilidades en el aprovechamiento de la energía solar, se ha desarrollado una alta tecnología propia gracias tanto a proyectos comunitarios como propios españoles. Existe un considerable número de empresas nacionales con tecnología propia, cuyos equipos son tan competitivos como los mejores de otros países.

    Además, España cuenta con muchísimas instalaciones que aprovechan de forma individual ésta energía, ya sea a base de colectores o de células solares. Las zonas más idóneas son: el sur peninsular y las islas.

    Para el futuro, la energía solar por vía térmica y debido a la baja competitividad de sus instalaciones no se prevé un gran desarrollo y ampliación. Es necesario un continuo apoyo para lograr reducir éstos costes. Por vía fotovoltaica las perspectivas son más esperanzadoras, debido al continuo desarrollo de la tecnología que ofrece mejores productos a menores precios. En éste campo se prevé una importante reducción de precio en los paneles solares, de tal manera que sea rentable su aplicación en muchos casos.

    Actualmente, se están instalando muchos paneles solares fotovoltaicos en casas donde o bien no se puede llevar corriente eléctrica o bien es muy caro llevar una toma a esa casa. Éstas casas tienen unas placas solares, que recogen la luz por el día, gastan lo que les sea necesario y lo que sobre, se almacena en una batería para tener luz por la noche. Éstas casas funcionan como cualquier otra casa, pero sus electrodomésticos son todos de bajo consumo, lo cual hace que no gasten más energía de la que tienen. Éstas placas son bastante caras, pero a la larga se rentabilizan, pues no tienen que llevar la línea hasta su casa, no tienen que pagar por tener un contrato con la compañía y no tienen que pagar facturas, pues la electricidad la generan ellos mismos. Además, hay asociaciones que ayudan económicamente a éstas personas para comprar los paneles solares y montar toda la instalación.

    Aquí muestro posibles aplicaciones de la energía solar.

    Calefacción solar como medio de bienestar.

    La calefacción solar tiene interés principalmente por dos razones: en primer lugar, la calefacción para bienestar importa aproximadamente un tercio de las demandas totales de energía para calefacción, y en segundo lugar, las módicas temperaturas empleadas para calefaccionar recintos permiten uso de colectores de plancha plana que funcionan a temperaturas relativamente bajas y con rendimiento razonablemente bueno. El colector de plancha plana orientado en la posición indicada e incluido en la estructura del edificio como parte integrante de ella, es el tipo de colector para ésta aplicación.

    El tamaño del colector y el número de unidades de almacenamiento se determinan por la carga de calefacción del edificio, el análisis del tiempo solar y los costos de combustible. Un simple análisis indica el almacenamiento de calor suficiente que se requiere para satisfacer las demandas caloríficas del edificio durante el periodo nublado más largo previsto, basado en el registro de tatos meteorológicos, si la carga de calefacción ha de provenir totalmente de la energía solar.

    Enfriamiento y refrigeración

    El uso de la energía solar para enfriamiento de recintos o acondicionamiento de aire tiene atractivo porque hay una buena relación entre el suministro de energía y la demanda de enfriamiento del aire.

    El aire que ha de circular en el espacio acondicionado se deshumedece en una cámara de rociado donde se pone en contacto con trietileglicol concentrado y frío.

    La solución de glicol absorbe humedad del aire y vuelve a circular por cambiadores temidos adecuados hasta una cámara de rociado y despojo donde se pone en contacto con el aire calentado por el Sol y se seca para volver a circular hacia el absorbedor de la corriente de aire que circula hacia la casa y se devuelve a la atmósfera en el aire calentado por el Sol, que atraviesa la cámara de despojo. Puede usarse un refrigerante de evaporación para enfriar el aire seco. Éste tipo de unidad sería útil en regiones de humedad relativamente alta.

    Hornos solares

    Los hornos solares son reflectores parabólicos o lentes construídos con precisión para enfocar la radiación solar en superficies pequeñas y de éste modo poder calentar “blancos” a niveles altos de temperatura. El límite de temperatura que puede obtenerse con un horno solar está determinado por el segundo principio de la termodinámica como la temperatura de la superficie del Sol, esto es 6.000 ºC, y la consideración de las propiedades ópticas de un sistema de horno limita la temperatura máxima disponible. Se han usado hornos solares para estudios experimentales hasta 3.500 ºC y se han publicado temperaturas superiores a 4.000 ºC. Las muestras pueden calentarse en atmósferas controladas y en ausencia de campos eléctricos o de otro tipo.

    El reflector parabólico tiene la propiedad de concentrar en un punto focal los rayos que entran en el reflector paralelamente al eje.

    Como el sol comprende un ángulo de 32º, aproximadamente, los haces de rayos no son paralelos y la imagen en el foco del receptor tiene una magnitud finita.

    La utilidad de los hornos solares aumenta con el uso de los heliostatos, o espejo plano móvil, para llevar la radiación solar al reflector parabólico. Esto permite el montaje estacionario de una parábola de ordinario en posición vertical, con lo cual se pueden colocar aparatos para atmósfera controlada y movimiento de muestras, soportes de blancos, y otros, sin necesidad de mover todo el equipo. El poder de reflexión del heliostato varía de 85 a 90%, según su construcción, por lo que resulta para el horno una pérdida de flujo del 5 al 15 %, y la disminución correspondiente a las temperaturas que se alcanzan.

    Se construyen hornos solares de hasta tres metros de diámetro con espejos de una sola pieza de aluminio, cobre o de otros elementos y se han construído hornos más grandes de múltiples reflectores curvos.

    El reflector o blanco usado en los hornos solares puede ser de varias formas. Las sustancias pueden fundirse en sí mismas en cavidades de cuerpo negro, encerrarse en envoltura de vidrio o de otra materia transparente para atmósferas controladas, o introducirse en un recipiente rotatorio “centrífugo”.

    Se usan hornos solares en gran variedad de estudios experimentales, entre ellos, la fusión de materiales refractorios, la realización de reacciones químicas e investigación de las relaciones de fase en sistemas de alto punto de fusión como sílice alúmina.

    Entre otro usos propuestos para los hornos solares figuran los experimentos de pirólisis instantánea en investigación química inorgánica y orgánica y estudios geoquímicos de rocas y minerales.

    PROBLEMAS ENERGÉTICOS EN ESPAÑA

    En éstas últimas semanas y aprovechando la polémica sobre los apagones se alza una voz para dar un capón a las energías renovables sin venir a cuento.

    Hay cinco causas que han determinado ésta crisis:

    • Una demanda creciente de energía en los últimos dos años.

    • Una falta de inversión en nueva generación motivada por la incertidumbre ante el futuro de la industria eléctrica y los altos costes medioambientales que se imponen sobre las compañías.

    • Una elevación de los precios en las energías primarias: se han duplicado los precios del gas y triplicado los del petróleo.

    • Una tasación de los precios de la electricidad al consumidor final, al que por razones políticas se le ofrece la energía a precios que están por debajo de costes.

    • Una liberalización a medio camino en la que se mantiene un estricto control de los precios de venta al por menor, mientras se liberalizan los mercados al por mayor, en un régimen de competencia muy importante que permite la colusión entre operadores.

    Desde hace unas semanas, las compañías generadoras en España han advertido del riesgo de cortes de luz ( apagones ) que padeceremos si no se toman a tiempo las medidas adecuadas.

    La polémica sobre los apagones, causados por el deficiente estado de la red eléctrica española, se ha desatado con toda virulencia. Sin embargo, las compañías eléctricas recortaron la inversión en su red de distribución en 260 millones de dólares. Mientras tanto, las eléctricas encaran divididas la recta final de la negociación con el Gobierno de la nueva regulación del mercado.

    Endesa, la primera empresa del sector, con el 42% del mercado, intenta asegurar sus posiciones tras el fracaso de la fusión con Iberdrola; Iberdrola, en pleno cambio de dirección, espera acontecimientos mientras recompone sus alianzas.

    En cuatro años la demanda ha subido un 25% y aunque sobre el papel hay solicitudes de autorizaciones para la construcción de nuevas centrales, con una potencia total de unos 30.000 megavatios, la realidad es que pocos de esos proyectos se han puesto en marcha, en parte por las incertidumbres que rodean al sector y en parte por las continuas dificultades que ponen las autoridades autonómicas y locales para la ubicación de nuevas centrales.

    La radiografía del sector energético español pone en duda la seguridad del abastecimiento de gas y electricidad en los próximos años. Administraciones, organismos reguladores y empresas coinciden en resaltar la necesidad de invertir para evitar problemas como los que vive California. Mientras el Gobierno español llama a un debate entre todos los agentes, las eléctricas y Gas Natural se enzarzarán en un cruce de acusaciones sobre la respectiva negligencia inversora. Sólo coinciden en pedir subidas de tarifas para evitar un apagón.

    La demanda eléctrica ha crecido un 25% en cuatro años, mientras que la potencia se ha estancado alrededor de los 45.000 megavatios. La demanda se ha ralentizado éste año ( crece por debajo de un 3 % ) y permite un respiro a corto plazo. La punta máxima de consumo no llega todavía a los 35.000 megavatios, pero una sequía puede paralizar instalaciones hidraúlicas con unos 8.000 megavatios y existen centrales obsoletas con más de 1.000 megavatios.

    Por tanto, urge la construcción de nuevas centrales eléctricas que aseguren el suministro. Red Eléctrica de España, el operador del sistema de transporte de electricidad, calcula que hay que instalar plantas con una potencia de 20.000 megavatios antes del 2010 para cubrir el incremento de la demanda y remplazar las centrales que se cierren.

    El gobierno ya ha autorizado proyectos con 5.600 megavatios. Las cuatro eléctricas españolas (ENDESA, IBERDROLA, UNIÓN FENOSA e HIDROCANTÁBRICO), Repsol YPF ,Gas Natural y grupos extranjeros acaparan la mayor parte de esas iniciativas.

    La punta de consumo en nuestro país, se alcanzó el 25 de Enero del 2000, de 19 a 20 h. La potencia que fue necesaria poner en marcha, fue de 33.236 megavatios. Es decir, un excedente de al menos 19.538 megavatios, cifra que supera con mucho los 7.799 megavatios instalados en centrales nucleares.

    La cobertura de ésta demanda se realizó de la siguiente manera: térmica 44%, hidraúlica 22%, nuclear 22%, energías renovables 11% e intercambios internacionales con un 1%.

    Igual que ha ocurrido en California ( nadie quiere tener una central cerca de su casa ), se ha visto como se ha cancelado un proyecto en Tarragona. Por otro lado, en los últimos cinco años, las tarifas eléctricas en España han descendido un 80% en términos reales y ya en éste año, se prevé un déficit de ingresos de 22.000 millones. Al mismo tiempo, nuestro parque de generación va perdiendo margen de reserva de potencia y, si en el 2.003 no se consigue que entren en funcionamiento las centrales de ciclo combinado de gas, puede aparecer un problema real de cobertura de la demanda y seguridad en el suministro, especialmente en Cataluña.

    Greenpeace considera que los apagones con los que vinieron amenazando las compañías eléctricas para el pasado verano, eran una tapadera del sector para abrirse camino de cara a la construcción de nuevas centrales térmicas y para conseguir nuevas prórrogas en los permisos de explotación de las centrales nucleares.

    Es falso que el sistema eléctrico peninsular en España sufra una carencia de potencia eléctrica y por tanto no sea capaz de satisfacer la demanda de electricidad. Al contrario, existe un exceso de potencia eléctrica instalada, incluso considerando un margen de seguridad aceptable. De hecho, la generación de electricidad por medio de la cogeneración y las energías renovables ha ido incrementándose en los últimos años, absorbiendo crecientemente parte de la demanda.

    Además de la negligencia de las compañías eléctricas, la desidia del Gobierno ha permitido que España haya ido disminuyendo progresivamente su eficiencia energética: cada año España gasta más energía por unidad de P.I.B.. El Gobierno no hace nada por racionalizar la demanda de energía: incluso ha llegado a eliminar en los últimos años el limitado capítulo dedicado al ahorro energético y gestión de la demanda en la tarifa eléctrica.

    España necesita un nuevo modelo energético; efectivamente, pero un modelo que no dependa fundamentalmente de las importaciones de petróleo y gas y que no contribuya a la contaminación del medio ambiente.

    FUENTES

    La información de éste trabajo, la he recogido básicamente en los buscadores de Internet Google ( www.google.com ) y alltheweb ( www.alltheweb.com ) poniendo palabras “clave” como “energía solar”, “células solares”, “energía fotovoltaica”, “apagones”….

    Éstas son las páginas en las que he entrado para coger información:

    • http://members.tripod.com/fotografía/textos/solar.htm

    • http://members.es.tripod.de/ecoweb/alternat_solar_introd.htm

    • www.mujeractual.com/ocio/ciencia/energia_solar.html

    • www.laprensahn.com/opinarc.htm

    • www.appa.es

    • www.triplite.com/espanol.html

    • www.greenpeace.es

    • http://members.tripod.com/fotografia/textos/solar.htm

    • http://cipres.cec.uchile.cl/

    • www.electrotecnia.net

    • http://www-istp.gsfc.nasa.gov/stargaze/Msun7eng.htm

    • www.elpais.es/suplementos/futuro

    • http://galeon.com/energiasolar/

    • www.conicyt.cl/explora/energia/e-solar.html

    • www.siemenssolar.com/spanish

    • http://members.es.tripod.de/ecoweb/alternat_solar_introd.htm

    • www.mujeractual.com/ocio/ciencia/energia_solar.html

    Pero no sólo he recogido información de Internet, sino que he buscado también en éstos libros.

    • Tecnología Industrial I. Ed. Mc. Graw Hill. 1996. Pag 86-93

    • Energías renovables y Medio Ambiente. Ed Akal.1997. Pag 178-182

    • Diccionario enciclopédico Plaza.1992. Tomo “E- Espanuido”

    • Diccionario enciclopédico Plaza.1995. Suplemento A-H

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