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Energía Solar Fotovoltaica

Julián David Díaz Millán jddiazm@ulibertadores.edu.co

200910011600Universidad los Libertadores, Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería ElectrónicaBogotá, Colombia Febrero - 2011

Abstract

The increase in energy prices that emerges from classical sources, essential for fossil fuels and rising global energy consumption, leading to study alternative energy sources so far little used by the world of technology, as solar energy, the actual fact is the search for direct exploitation, since it is obvious that almost all sources of energy, hydroelectric, modern fuels (wood, alcohol, etc..) and fossil fuels (coal, oil , natural gas, etc.) are related to solar energy.

Palabras clave: Energía Solar fotovoltaica, Paneles solares, Colectores térmicos, Radiación Solar,

Resumen.

El aumento de los precios de la energía que se desprende de las fuentes clásicas, esencial para los combustibles fósiles y el aumento del consumo mundial de energía, líder en el estudio de fuentes alternativas de energía hasta ahora poco utilizado por el mundo de la tecnología, como la energía solar, la realidad es la búsqueda de la explotación directa , ya que es obvio que casi todas las fuentes de energía, la energía hidroeléctrica, combustibles modernos (madera, alcohol, etc.) y los combustibles fósiles (carbón, petróleo, gas natural, etc.) están relacionados con la energía solar .

1. Introducción

El hombre, a lo largo de su historia evolutiva ha buscado incesantemente fuentes de energía de las cuales pueda sacar algún provecho, de las fuentes de energía, la primera y más importante de las utilizadas por El hombre fue la leña,  Otras fuentes puntuales solamente se utilizaban allí donde

eran accesibles, tales como filtraciones superficiales de petróleo, carbón o asfaltos, pasando hasta la época moderna en la que se puede obtener electricidad fotovoltaica, que proviene de la transformación directa de la radiación solar en energía eléctrica gracias a un fenómeno físico conocido como efecto fotovoltaico cuyo principal dispositivo de conversión directa es la célula solar fotovoltaica.

2. Energía Solar

El sol es una gran masa de gases, en su mayoría hidrógeno y helio. Los átomos de hidrógeno en el núcleo del sol se combinan para formar helio y generan energía a través de un proceso llamado fusión nuclear. Durante la fusión nuclear, la alta presión y temperatura del sol causan que los átomos de hidrógeno se separen, y que sus núcleos se combinen.  El átomo de helio contiene menos masa que los cuatro átomos de hidrógeno que se fusionaron, es por ello que cierta cantidad de

masa se pierde durante la fusión nuclear. Esta materia perdida se emite hacia el espacio en forma de energía radiante, esta toma millones de años para que la energía en el núcleo del sol llegue a la superficie solar, y tan solo 8 minutos en recorrer 149 millones de kilómetros hasta la tierra. La energía solar viaja hacia la tierra a una velocidad de186, 000 millas por segundo, la velocidad de la luz. Alrededor del 15 % de la energía del sol que llega a la tierra se refleja de regreso al espacio. Un 30% se utiliza para evaporar agua, que al elevarse a la atmósfera produce lluvia. La energía solar también la absorben las plantas y los océanos. El resto de la energía solar es la que tenemos disponible para cubrir nuestras necesidades energéticas (luz, electricidad, calor, etc.). [1]

Grafico 1. El Sol. Fuente: http://e.eltiempo.com/media/produccion/Solgaleria/index.html

Un cálculo teórico basado en la Ley dePlanck permite afirmar que el flujo total de energía emitido por el Sol en todo el rangoDe frecuencias equivale a 3,8 x 10^23 (3,8 por 10 elevado a 23 kilowatt, o sea, 380 milMillones de millones de millones de kilowatt). Un “kilowatt” equivale a la energía queConsumen 25 Bombillos de 40 Watt encendidas durante un segundo. En cada día, la energía total que recibe la Tierra del Sol alcanza a 3,7 x 10^21 (3,7 por 10 elevado a 21 calorías), cifra que supera en 100 veces el consumo total de la civilización humana en un año.

La energía solar puede aprovecharse para el calentamiento del agua y para la generación de electricidad. En el primer caso, los colectores solares captan los rayos y trasmiten el calor a un acumulador, donde calienta el agua para su consumo. De esta forma, se produce agua caliente sanitaria, se consigue un apoyo al sistema de calefacción y se climatizan piscinas. En los sistemas

fotovoltaicos, las células captan las partículas de luz denominadas fotones, y estas liberan electrones que generan electricidad.Esta energía puede ser almacenada en baterías para su posterior uso, vendida a la compañía eléctrica por un precio mayor al de compra o consumida directamente (bombeo, riego, señalización, etc.) [2]

Sería irracional no intentar aprovechar, por todos los medios técnicamente posibles, esta fuente energética, que puede liberarnos definitivamente de la dependencia del petróleo o de otras alternativas poco seguras, contaminantes o, simplemente, agotables.[3]

Grafico 2. El Sol. Fuente: http://e.eltiempo.com/media/produccion/Solgaleria/index.html

Como se sabe, cada transformación energética, ya sea natural o artificial, implica pérdidas de energía, por lo que no es correcto hacer transformaciones que no sean necesarias. Por ejemplo, no es correcto, en la mayoría de los casos, producir electricidad para calentar agua, tampoco secar productos agrícolas e industriales con electricidad si se puede utilizar un secador solar,  Por esta razón es conveniente en muchos casos hablar de energización y no de electrificación.No obstante, sin dudas, la electricidad desempeña un papel muy importante en el desarrollo de la humanidad. Por eso es útil conocer todos los medios posibles de generación de electricidad a partir de la energía solar como fuente primaria, o sea, la “electricidad solar”. [4]

Energía eléctrica

La energía eléctrica es una de las formas de manifestarse la energía. Tiene como cualidades la docilidad en su control, la fácil y limpia transformación de energía en trabajo, y el rápido y eficaz Transporte, son las cualidades que permiten a la electricidad ser "casi" la energía perfecta.El gran problema de la electricidad es su dificultad para almacenarla. Si en estos momentos se pudiera condensar el fluido eléctrico con la misma facilidad con lo que se almacena cualquier otro fluido energético, por ejemplo la gasolina, estaríamos ante una de las mayores revoluciones tecnológicos de nuestro tiempo [5]. También conviene tener presente que la energía eléctrica que utilizamos está sujeta a distintos procesos de generación, transformación, transmisión y distribución. [6]

Grafico 3. El Sol. Fuente: http://e.eltiempo.com/media/produccion/Solgaleria/index.html

En el efecto fotoeléctrico tiene lugar una conversión de la energía luminosa en eléctrica. En este efecto se puede poner de manifiesto en forma sencilla: la luz de un arco eléctrico se enfoca con un lente de cuarzo sobre una placa recién pulimentada de zinc metálico, la cual está unida a un electroscopio. Si el electroscopio está cargado negativamente, al incidir la luz sobre la placa de zinc las laminas del electroscopio desciende.El efecto fotoeléctrico es un fenómeno general, pero las experiencias citadas del cinc y del metal alcalino indican que la emisión de los electrones depende de la frecuencia de la luz excitatriz. Cuando se someten los metales a la acción sucesiva de las radiaciones luminosas1, desde la radiación ultravioleta hasta las infrarrojas, se comprueba que un metal determinado el efecto fotoeléctrico se produce cuando la frecuencia de la radiación es superior a un valor límite que se llama umbral fotoeléctrico. [7]

1 La radiación luminosa que nosotros denominamos comúnmente “blanca”, es el resultado en realidad, de sumar varias radiaciones de distintas frecuencias o colores. Consultado en: http://www.sadelplata.org/articulos/groel_060901.html pagina visitada el 10 de febrero de 2011

Los electrones pueden absorber energía de los fotones cuando son irradiados, pero siguiendo un principio de "todo o nada". Toda la energía de un fotón debe ser absorbida y utilizada para liberar un electrón de un enlace atómico, o si no la energía es re-emitida. Si la energía del fotón es absorbida, una parte libera al electrón del átomo y el resto contribuye a la energía cinética del electrón como una partícula libre.El efecto fotoeléctrico es la base de la producción de energía eléctrica por radiación solar2 y del aprovechamiento energético de la energía solar. El efecto fotoeléctrico se utiliza también para la fabricación de células utilizadas en los detectores de llama de las calderas de las grandes centrales termoeléctricas. Este efecto es también el principio de funcionamiento de los sensores utilizados en las cámaras digitales. También se utiliza en diodos fotosensibles tales como los que se utilizan en las células fotovoltaicas  

Fenómeno fotovoltaico.

La energía fotovoltaica es una tecnología del área de las energías muy importante por muchas razones. Al ser una tecnología de energía solar, presenta numerosos beneficios ambientales.

Como una fuente interna de energía eléctrica, contribuye a la seguridad energética de cada país, sin dependencias exteriores. Como una industria relativamente joven, industria de alta tecnología, ayuda a crear puestos de trabajo y fortalecer la economía. Como cada vez cuesta menos su producción su utilización, se hace más asequible y disponible, existen muchas más razones, como veremos más adelante.

2 La radiación solar es el flujo de energía que recibimos del Sol en forma de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias (luz visible, infrarroja y ultravioleta). consultado en: http://www.solarpedia.es/index.php/Radiaci%C3%B3n_solar paina visitada el 10 de febrero de 2011

Pocas tecnologías de generación de energía tienen tan mínimo impacto sobre el medio ambiente como la energía fotovoltaica. Como genera electricidad a partir de luz, la energía fotovoltaica no produce contaminación de aire o residuos peligrosos. No requiere combustibles líquidos o gaseosos que tengan que ser transportados o usar su combustión. La energía fotovoltaica  nos libera de los costes e incertidumbres que rodean a los suministros de energía de regiones políticamente inestables y, además de no reducir nuestro déficit comercial, una industria nacional sólida de energía fotovoltaica  crea nuevos puestos de trabajo y fortalece la economía de los países que la utilizan. [8]

Grafico 4. Fenómeno Fotovoltaico. Fuente: http://www.google.com/imgres?imgurl=http://www.portalsolar.com/images/noticias/efectofotovoltaico.gif&imgrefurl=http://www.portalsolar.com/energia-solar-efecto-fotovoltaico.html

Ventajas del fenómeno fotovoltaico

Las ventajas de la energía solar fotovoltaica son numerosas. En primer lugar, son sistemas silenciosos, limpios y respetuosos con el medio ambiente, en el caso de los sistemas domésticos, suponen un gran ahorro en el traslado de energía, puesto que se encuentran en el punto de consumo. Su mantenimiento es mínimo y tienen un gran periodo de vida útil, de manera que la inversión inicial se amortiza en pocos años. Su uso implica un suministro de energía continuo y fiable sin depender de las fuentes de energía convencional, basadas en los contaminantes combustibles fósiles. En el caso de las centrales fotovoltaicas, se requiere poco tiempo para su construcción. [9]

La energía solar fotovoltaica permite un gran numero de aplicaciones, ya que puede suministrar energía en emplazamientos

aislados de la red (viviendas aisladas, faros, postes SOS, bombeos, repetidores de telecomunicaciones, etc.), o mediante instalaciones conectadas a la red eléctrica, que pueden ser de pequeño tamaño (instalación en vivienda individual) o centrales de gran tamaño (existen proyectos en ejecución en España de hasta 20mw de potencia). Contribuye eficazmente a la reducción de emisiones de CO2.Cada kwh generado con emergía solar fotovoltaica evita la emisión a la atmósfera de aproximadamente un kilo de CO2, en el caso de comparar con generación eléctrica con carbón, o aproximadamente 400 gramos de CO2 en el caso de comparar con generación eléctrica con gas natural. [10]

Las células fotovoltaicas son obleas planas y delgadas de materiales denominados semiconductores que pueden conducir, o transportar, electricidad. Hoy en día, más del 90% de las células solares se fabrican a partir de silicio, un semiconductor o un metaloide, que tiene las propiedades de un metal y las de un aislante. Un lado de la célula es tratada con una sustancia que transporta una carga negativa (por ejemplo, el fósforo). El otro lado es tratado con una sustancia que transporta una carga positiva (por ejemplo, el boro). Una tercera capa, que no conduce energía, separa las dos capas de carga. Se coloca un cable desde el lado cargado negativamente de la célula hasta el lado cargado positivamente.

Grafico 5. Células fotovoltaicas. Fuente en: http://www.google.com/imgres?imgurl=http://www.inteledesolar.es/placas-fotovoltaicas4.jpg&imgrefurl=http://www.inteledesolar.es

La luz solar dirige el proceso fotovoltaico y suministra la energía que se convierte en energía eléctrica. La luz solar está compuesta por unidades elementales de energía (fotones) que actúan como proyectiles individuales.

Cuando los fotones golpean una célula fotovoltaica, pueden reflejarse, pueden atravesarla o pueden ser absorbidos. Sólo los fotones que se absorben proporcionan energía para generar electricidad. Cuando el material (un semiconductor) absorbe la luz solar (energía) suficiente, los electrones son expulsados de sus órbitas en los átomo que forman el material, y generan una corriente eléctrica. Los fotones del sol, en forma de energía, causan la emisión de electrones, permitiéndoles fluir libremente.Este flujo de electrones crea una corriente y al colocar contactos de metal en la parte superior e inferior de la célula fotovoltaica, la corriente se puede extraer para usarla externamente. Esta corriente, junto con la tensión de la célula (que es el resultado del campo o campos eléctricos incorporados) definen la potencia (vatios) de la célula solar. [11]

3. Conclusion En síntesis esta sería una de las energías renovables que tenemos a nuestro alcance y que pueden desempeñar un papel decisivo en el futuro, si se toman las medidas necesarias para su desarrollo a gran escala. La base ya esta construida, los cimientos medio levantados y los planos acabados. Solo se requiere una concientización y una mirada hacia el futuro para nuestros hijos, nietos, etc. Para que tengan un lugar digno donde vivir.Los tiempos van cambiando y con ellos, la manera de pensar. Cuando ya el cambio climático es un hecho reconocido por todos los gobiernos del mundo y el efecto invernadero nos amenaza con igual agresividad por los métodos empleados para obtener energía, como hemos visto a lo largo del presente artículo las energías renovables son un escape para solucionar estos graves problemas que afecta a la tierra.Embarcarnos en estas energías limpias, no significa como algunos dicen o piensan, en retroceder al pasado y paralizar el avance tecnológico. Al contrario, sacar buen rendimiento de una energía gratuita y aprovecharla, es síntoma de progreso y de un desarrollo sostenible.

Referencias[1]http://www.vliberal.com/blogs/medio-ambiente/generalidades/764-que-es-la-energia-solar

[2] http://solar2008.usach.cl/wp-content/uploads/2008/03/informe.pdf[3]http://solucionessolares.blogspot.com/2008/08/por-que-usar-la-energia-solar.html[4]http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia12/HTML/articulo03.htm[5]http://tecnologiafuentenueva.wikispaces.com/file/view/e_electrica.pdf[6]http://www.soloenergia.com.ar/aprendamas/electricidad/fundamentos.html[7] http://html.rincondelvago.com/efecto-fotoelectrico_2.html[8]http://www.latirajala.com/portal/index.php?option=com_content&view=article&id=170:ipor-que-energia-fotovoltaica&catid=35:historico-de-noticias&Itemid=71

[9]http://www.consumer.es/web/es/

medio_ambiente/energia_y_ciencia/

2006/02/09/149277.php

[10]http://www.portalenergia.es/articulos/

2009/04/

que_es_y_para_que_sirve_la_energia_fotovolt

aica.jsp

[11] http://www.photowatt.com/es/nociones-de-

energia-solar/como-funciona-la-energia-

fotovoltaica/