2º E.S.O. A

Central solar:

La energía solar se aprovecha mediante dos vías: la térmica y la fotovoltaica. La térmica transforma la energía procedente del sol en energía calorífica. La fotovoltaica convierte directamente la energía solar en energía eléctrica mediante el efecto fotovoltaico. Por otra parte existen también unas centrales de tipo eólico solar.

Célula fototérmica

Los sistemas solares basados en la vía térmica pueden ser de baja, media y alta temperatura:

- Los de baja temperatura se emplean para calefacción, climatización de locales, producción de agua caliente sanitaria etc. Consisten en un conjunto de elementos llamados colectores, que absorben la radiación solar y la transmiten en forma de calor a un fluido que circula por unos conductos que se encuentran en contacto con el colector, de modo que la energía transportada por dicho fluido permite alimentar a un sistema de calefacción. Estos sistemas aprovechan la energía solar a temperaturas que oscilan entre 35 y 100 grados.

- Las instalaciones de media temperatura más representativas, son utilizadas generalmente para la producción de vapor de cara a su aplicación a procesos industriales, o incluso para la generación de energía eléctrica, son los colectores distribuidos. Estas instalaciones constan de un conjunto de colectores de concentración, generalmente de forma cilíndrico-parabólica que recogen la energía solar y la transmiten a un fluido (aceite térmico p.e.) en forma de calor. Este fluido se calienta y transporta dicha energía calorífica por medio de un circuito primario, hasta una caldera en donde es transferida a otro fluido que circula por un circuito secundario. Este fluido (generalmente agua) se convierte en vapor a gran temperatura y es enviado a un grupo turbina-alternador para generar energía eléctrica merced a un ciclo termodinámico convencional, o es utilizado para alimentar procesos industriales o sistemas de calefacción. Las instalaciones de este tipo aprovechan la energía solar a temperaturas comprendidas entre los 100º y 300ºC.

- Las instalaciones para el aprovechamiento solar a alta temperatura. Estas son las más extendidas, son las centrales termoeléctricas de receptor central. Estas constan de una amplia superficie de helióstatos, es decir de grandes espejos sostenidos por soportes, que reflejan la radiación solar y la concentran en un pequeño punto receptor, que habitualmente está instalado en una torre. Los haces del sol son concentrados y reflejados sobre la caldera que se encuentra en la torre, en ella el aporte calorífico de la radiación solar es absorbido por un fluido térmico (agua, aire, sales fundidas..) que es conducido a través de un circuito primario hacia un generador de vapor, en él intercambia calor y vaporiza a un segundo fluido que circula por un circuito secundario (agua), que es quién acciona los álabes del grupo turbina-alternador para generar energía eléctrica. El fluido del circuito secundario es posteriormente condensado para repetir el ciclo. El fluido del circuito primario, vuelve a la caldera y repite también el ciclo. Entre las instalaciones solares a alta temperatura cabe citar también a las centrales solares con discos parabólicos. En él la figura geométrica de las superficies reflectantes es la de un paraboloide de revolución.

En cuanto al funcionamiento las centrales eólicas-solares es como sigue: la radiación solar incide sobre una cubierta que calienta el aire contenido en su interior mediante el efecto invernadero. El aire caliente pesa menos que el frío y tiende a subir, canalizado convenientemente se dirige hacia una chimenea de conducción, en el interior de esta hay alojada una turbina que está asociada a un generador de corriente eléctrica.

Célula fotoeléctrica

Dispositivos realizados en un material que tiene la propiedad de emitir electrones cuando es alcanzado por un haz luminoso. El fenómeno fotoeléctrico fue observado por primera vez por Hertz en 1887, pero se debe a Hallwachs (1889) su interpretación correcta. En un principio se pensó que la energía cinética con que se producía la emisión de electrones debería de ser proporcional al flujo luminoso, es decir a la amplitud de la ondulación representante del haz luminoso, sin embargo un resultado importante de las experimentaciones fue el descubrimiento de que la velocidad máxima de emisión de electrones dependía solamente de la frecuencia de la radiación incidente, pero no de la intensidad de dichas radiaciones. Fue Einstein en 1905 el que ofreció una teoría, basada en los Cuantos de Planck, que explicaba perfectamente la emisión fotoeléctrica, básicamente exponía que cuando un fotón choca contra la célula y es absorbido completamente, desaparece cediendo su energía E a uno de los electrones libres. Para extraer este electrón del metal o célula es preciso comunicarle cierta energía superior a un valor umbral Eo que depende del material de que se trate. El excedente de energía entre la que se le suministra y la energía umbral E-Eo, constituye la energía cinética máxima del electrón. Eo representa la energía mínima necesaria para liberar el electrón del material, mientras que la energía proporcionada por el fotón es directamente proporcional a la frecuencia de la longitud de onda de la radiación, siendo la constante de proporcionalidad, la conocida constante de Planck. Por ello una radiación puede ser muy débil pero poseer la suficiente energía para producir fotoelectrones. Los electrones emitidos por efecto fotoeléctrico poseen realmente una energía cinética variable dentro de un intervalo de valores, ya que son arrancados del interior de la superficie del metal y antes de emerger sufren colisiones con los átomos del mismo. Los fotoelectrones de energía máxima son aquellos que se originaron muy próximos a la superficie y, por tanto, escaparon sin verificar ningún choque.

Existen muchas aplicaciones tecnológicas del efecto fotoeléctrico. La células fotoeléctricas se utilizan como aparatos de control, cuando se modifica la iluminación de la fotocélula se produce una variación en la corriente fotoeléctrica y cambia el voltaje a través de una resistencia en serie con la célula, esto provoca la aparición de una señal eléctrica que es amplificada convenientemente. También se usan como medidores de intensidades luminosas, dispositivos de alarma contra robos e incendios, contadores de personas u objetos opacos que pasan por delante de la misma interrumpiendo el haz incidente,apertura automática de puertas etc.

En cuanto a los sistemas solares fotovoltaicos, se transforma la luz solar en electricidad consisten en un conjunto de células solares o fotovoltaicas realizadas con un material semiconductor (germanio o silicio) dispuestos en paneles que transforman directamente la energía solar en eléctrica. Este tipo de instalaciones se encuentran en su fase de desarrollo, ya que el coste de una célula solar es aún muy elevado. Esta conversión directa, se realiza mediante los semiconductores. La luz interacciona con los electrones del semiconductor y provoca el movimiento de algunos de ellos, del lugar donde sale un electrón, aparece un hueco con carga positiva. Si se mueve un electrón próximo a este hueco, lo ocupará dejando un nuevo hueco positivo. El movimiento de estas cargas produce una corriente eléctrica que puede utilizarse como fuente de energía. Los aparatos que llevan a cabo esta conversión, se llaman células fotovoltaicas. La célula fotovoltaica, insustituible en astronáutica y otros campos, se basa en el efecto fotovoltaico, por el que la radiación luminosa induce una corriente continua de baja tensión en una placa semiconductora. Se construyen centrales experimentales con paneles de células.

Las células fotovoltaicas constan de dos electrodos separados por una delgada capa de semiconductor. Las pilas solares, por ejemplo, están fabricadas mediante pequeñas capas de silicio cubiertas por una fina capa de impurezas. Un número considerable de estas plaquitas, convenientemente acopladas, producen corriente eléctrica continua de bajo voltaje, suficiente para ser utilizada para usos domésticos, dado que se pueden alcanzar rendimientos superiores a los 110 vats por metro cuadrado de captador fotovoltaico. El almacenaje de la electricidad captada para su utilización durante la noche se lleva a cabo por medio de baterías convencionales o de gran capacidad.

La energía fotovoltaica es de gran utilidad en el campo de la edificación para aquellos casos en los que, por el aislamiento, no es posible o no es rentable hacer llegar la red eléctrica, como ocurre en determinadas zonas rurales. Igualmente, se emplean para activar señales luminosas y en determinados puntos como complemento a la iluminación de espacios públicos.