Energía solar fotovoltaica.

Se dice que la energía solar fotovoltaica es la energía del futuro. Su despegue se produjo en el contexto de programas espaciales, en los cuales se ha permitido hacer funcionar satélites artificiales por energía solar, aprovechando directamente la radiación del sol.

Como características positivas podemos mencionar que, en este tipo de energía, la energía solar se transforma en energía eléctrica sin partes móviles, sin ciclos termodinámicos y sin reacciones químicas.

Esta generación eléctrica es de duración prácticamente ilimitada, no requiere mantenimiento, no produce contaminación ni hace ruido.

• Funcionamiento

El efecto fotoeléctrico permite transformar directamente energía solar (ya sea directa o difusa) en energía eléctrica continua.Para ello, se suelen utilizar semiconductores, y en especial el silicio (el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre que se obtiene de la arena).

El elemento base es la célula solar. Suelen ser de silicio monocristalino, policristalino o amorfo. Las conjuntos de células se orientan hacia el Sur para aprovechar más la radiación solar, y son conectadas a un sistema de almacenamiento (baterías) y de conversión de la corriente.

Se trata pues de una fuente de energía que puede aprovecharse en cualquier aplicación: red eléctrica, consumo en lugares aislados de zonas rurales, …

• Ventajas

La energía solar fotovoltaica tiene la particularidad de ser la única fuente de energía renovable que puede instalarse de forma masiva en el centro de zonas urbanas. De hecho, son muchos los paneles fotovoltaicos que se integran en edificios, proporcionando energía eléctrica de manera segura, ecológica y autónoma.

Es interesante notar que cualquier usuario puede obtener su propia energía de forma independiente, con el apoyo para la generación en las horas sin sol de otro sistema complementario (diesel, eólico), o acumulando la energía sobrante en baterías.

Podría también intercambiar energía con la red eléctrica.

También son ventajas muy interesantes la limpieza, la seguridad, el silencio, la sencillez, el mínimo mantenimiento…

• Aplicaciones domésticas

Sin duda alguna, el hecho de que sea una energía de fácil instalación, de ocupación mínima, de que no sea antiestética se ha confirmado en la instalación de los llamados “tejados solares“. En éstos, se ahorra la batería como elemento almacenador de energía y se ahorran ciertos materiales de construcción substituídos total o parcialmente por los tejados fotovoltaicos.

Los paneles fotovoltaicos instalados en techos, fachadas, etc., cubren las necesidades eléctricas de la vivienda o edificio, y el exceso lo inyecta en la red mediante un sistema de inversores, conmutadores y contadores. El sistema permite que en el caso que no fuera esta generación suficiente para cubrir las necesidades (o bien no existiera generación solar fotovoltaica en un momento por ser hora nocturna o sin insolación), la alimentación se haga directamente de la red.

La aplicación de la energía solar fotovoltaica en edificios es la principal razón por la que se está ocupando la capacidad de producción de células y módulos fotovoltaicos que ahora mismo existe y se esté propiciando una expansión de las instalaciones de los más importantes productores mundiales.

Actualmente, algunas estimaciones prevén que en España se podría llegar a producir 180000 millones de kWh por año.

• Aplicaciones industriales

La principal aplicación de la energía solar fotovoltaica es la llamada “economía del hidrógeno“. En efecto, por electrólisis del agua, se obtiene fácilmente hidrógeno. Se podría almacenarlo y transportarlo, permitiendo que la energía producida en los lugares más soleados pueda ser empleada en cualquier otro sitio.

• Futuro de la energía solar fotovoltaica

La evolución tecnológica está mejorando progresivamente los rendimientos de las células. Pero también es sorprendente el abaratamiento de los costes de inversión (de 1980 a 1997, el kWh generado a pasado de costar 339 pesetas a 30).

Este tipo de energía se utiliza para abastecer de electricidad a numerosos poblados y fábricas en Senegal, Jordania, Brasil, Filipinas, Indonesia y Chile. La producción mundial asciende a 60 megavatioshora al año. En España son 25000 las viviendas que benefician de este tipo de energía.

Vistas las ventajas incomparables de este tipo de energía, tanto a nivel ecológico, como económico o puramente práctico, se puede pensar que ésta será una de las grandes energías del futuro. Es de esperar, pues, que su parte en la producción mundial aumente en los próximos años.

• Células solares

- Célula solar convencional: lleva una capa de silicio positiva y otra negativa que forman un campo eléctrico. La energía de la luz incidente activa los portadores de carga positiva y también los de carga negativa. La corriente fluye al unir los dos polos desde el exterior y se descarga a través de unos dedos metálicos.

- Célula electroquímica: En ella, la luz estimula los portadores de carga en una película de colorante. El dióxido de titanio facilita que la carga negativa fluya a la capa conductora de una capa de vidrio. El colorante compensa la falta de carga con una solución de yodo y así se crea la corriente.

- Alfombra solar enrollable: Permite cubrir con ella casas enteras. La luz activa ciertas moléculas que se encuentran sobre la superficie plástica, y la corriente se produce cuando los portadores de carga positiva y de carga negativa se separan entre sí.

1.1.- Historia de la energía solar fotovoltaica.

1839 Edmund Bacquerel, físico francés, descubre el efecto FV: en una celda electrolítica compuesta de 2 electrodos metálicos sumergidos en una solución conductora, la generación de energía aumentaba el exponer la solución a la luz.

1873 Willoughby Smith descubre la fotoconductividad de selenio.

1877 W.G. Adams y R.E. Day observan el efecto fotovoltaico en selenio sólido. Construyen la primera celda de selenio.

1904 Albert Einstein publica su trabajo acerca del efecto fotovoltaico.

1921 Albert Einstein gana el Premio Nobel por sus teorías explicativas del efecto fotovoltaico.

1951 El desarrollo de la unión p-n crecida posibilita la producción de una celda de germanio monocristalino.

1954 Los investigadores de los Laboratorios Bell (Murray Hill, NJ) D.M. Chapin, C.S. Fuller, y G.L. Pearson publican los resultados de su descubrimiento celdas solares de silicio con una eficiencia del 4,5%.

1955 Se comercializa el primer producto fotovoltaico, con una eficiencia del 2% al precio de $25 cada celda de 14 mW.

1958 El 17 de marzo se lanza el Vanguard I, el primer satélite artificial alimentado parcialmente con energía fotovoltaica. El sistema FV de 0,1 W duró 8 años.

1963 En Japón se instala un sistema fotovoltaico de 242 W en un faro.

1973 La Universidad de Delaware construye “Solar One”, una de las primeras viviendas con EFV. Las placas fotovoltaicas instaladas en el techo tienen un doble efecto: generar energía eléctrica y actuar de colector solar (calentado el aire bajo ellas, el aire era llevado a un intercambiador de calor para acumularlo).

1974-1977 Se fundan las primeras compañías de energía solar. El Lewis Research Center (LeRC) de la NASA coloca los primeras aplicaciones en lugares aislados. La potencia instalada de EFV supera los 500 kW.

1978 El NASA LeRC instala un sistema FV de 3.5-kWp en la reserva india Papago (Arizona). Es utilizado para bombear agua y abastecer 15 casas (iluminación, bombeo de agua, refrigeración, lavadora, …). Es utilizado hasta la llegada de las líneas eléctricas en 1983, y partir de entonces se dedica exclusivamente al bombeo de agua.

1980 La empresa ARCO Solar es la primera en producir más de 1 MW en módulos FV en un año.

1981 “Solar Challenger”, un avión abastecido por EFV, vuela. Se instala en Jeddah, Arabia Saudita, una planta desalinizadora por ósmosis-inversa abastecida por un sistema FV de 8-kW.

1982 La producción mundial de EFV supera los 9.3 MW. Entra en funcionamiento la planta ARCO Solar Hisperia en California de 1-MW.

1983 La producción mundial de EFV supera los 21.3 MW, y las ventas superan los 250 millones de $. El Solar Trek, un vehículo alimentado por EFV con 1 kW atraviesa Australia; 4000 km en menos de 27 días. La velocidad máx es 72 km/h, y la media 24 km/h. ARCO Solar construye una planta de EFV de 6-MW en California, en una extensión de 120 acres; conectado a la red eléctrica general suministra energía para 2000-2500 casas.

1992 Instalado un sistema FV de 0.5-kW en Lago Hoare, Antártida, con baterías de 2.4-kWh. Se utiliza para abastecer a equipamiento de laboratorio, iluminación, PCS e impresoras y un pequeño horno microondas.

1996 El “Ícaro”, un avión movido por EFV sobrevuela Alemania. Las alas y la zona de cola están recubiertas de 3000 células supereficientes con una superficie de 21 m2

VIDEO : ¿COMO FUNCIONA LA ENERGIA SOLAR TERMICA?

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2.- Energía solar térmica.

Este tipo de energía solar utiliza directamente la energía que recibimos del sol, que la aprovecha en forma de calor. Se puede usar para producir electricidad o para recuperar directamente el calor de la radiación solar. En este sentido, se puede aprovechar de forma activa o pasiva. Nosotros trataremos la activa.

• Producción de electricidad con energía solar térmica.

Existen dos modos de producir electricidad por energía solar térmica: de alta o de baja concentración.

Los dispositivos de alta concentración son las llamadas centrales de torre. En éstas, la radiación solar se capta por un campo de heliostatos (espejos que siguen el movimiento solar durante el día gracias a un control por ordenador). Los espejos son curvos, reflejan la luz del sol concentrándola en un único punto llamado foco en la torre. El foco es en realidad un receptor (formado por un conjunto de tubos metálicos o cerámicos, en el cual circula un fluido (agua, vapor, aire, sales, …). El fluido es el encargado de transmitir el calor. Un circuito de agua es el receptor de ese calor, ya que cuando ésta se evapora hace mover una turbina, que produce electricidad gracias a un alternador. De aquí comprendemos el nombre que recibe esta energía, ya que su funcionamiento en su segunda parte es similar al de cualquier central térmica o nuclear, con la diferencia que el calor se recibe directamente del sol.

La inversión de este tipo de centrales es muy elevada, pero es de esperar que las investigaciones las reduzcan (desarrollo de heliostatos más baratos, de receptores volumétricos, …).

Otra variedad de centrales solares térmicas de alta concentración son los llamados discos parabólicos: son espejos con forma de parábola que también se mueven con el sol y concentran la energía solar en foco solidario al disco donde está situado el receptor.

Los dispositivos de baja concentración son algo diferentes: esta vez, se trata de un conjunto de colectores cilindro parabólicos que también se mueven con el sol concentrando la radiación en un foco donde circula un fluido, que se calienta y hace mover una turbina que por medio de un alternador, produce electricidad. Este tipo de centrales solares térmicas se presentan mucho más eficaces que las de torre: son menos complicadas, requieren una inversión menor al ser las distancias espejo-foco menores y al ser más fáciles de operar. Son centrales que ocupan un espacio más pequeño y que presentan ventajas frente a los discos parabólicos.

En ambos casos (alta o baja concentración), la energía calorífica solar se transforma generalmente en el energía eléctrica, aunque existe la posibilidad de almacenar calor en tanques de sales fundidas para ser utilizado posteriormente.

• Aplicaciones industriales

Una de las aplicaciones industriales más espectacular de la energía solar térmica son los hornos solares. Se trata de un conjunto de heliostatos que se mueven con el sol y reflejan las radiaciones en un foco. En este último se pueden alcanzar temperaturas increíbles, del orden de los 3000ºC. Esto tiene su utilidad en campos tan variados como en la medición de la resistencia de materiales, sobre todo metálicos y cerámicas, en la obtención de fibras de alta dureza, en la prueba de reacciones químicas, en la simulación de los efectos de una explosión nuclear, en la aerospacial… por citar algunos ejemplos. Este tipo de energía solar ha permitido un gran avance en el campo de la termomecánica.

También la llamada química solar tiene un interés muy importante a nivel industrial. Muchas reacciones químicas se desarrollan a altas temperaturas (en general, suelen ser superiores a los 800ºC): obtención de hidrógeno, detoxificación de residuos orgánicos tóxicos…

Otra aplicación industrial interesante de la energía solar es la desalinización del agua de mar para la obtención de agua potable. Normalmente, este tipo de plantas utilizan la energía solar para calentar el fluido necesario para desalinizar: hasta ahora se utilizaban para esta operación combustibles fósiles.

• Aplicaciones domésticas

La energía solar térmica está cobrando cada día más importancia para usos domésticos. Se utiliza sobre todo para obtener agua caliente y como combustible de la calefacción.

La energía la recoge un colector plano(caja negra orientada al sur) que recibe la energía solar a través de una cubierta transparente. El calor se retiene por efecto invernadero. El colector plano contiene un tubo negro en zig zag que contiene el fluido que se calienta. Este colector recibe energía solar directa y difusa.

El agua caliente que se obtiene sale a temperaturas de menos de 70ºC. Este agua caliente es útil no sólo para viviendas, sino también para hospitales, hoteles, piscinas, fábricas…

Los colectores planos son usados también para calefacción de edificios, aunque en este sentido es más usual la energía solar pasiva.

Calentar agua por energía solar térmica es un proceso económico, tiene alto rendimiento, escaso mantenimiento y muy limpio(comparándolo con sistemas más convencionales como el petróleo o el gas natural).

Otros ejemplos curioso de aplicación doméstica de energía solar son las cocinas térmicas, los encendedores térmicos…

• Ventajas y desventajas de la energía solar

La energía solar térmica tiene como gran ventaja la de reemplazar a otras fuentes de energía como combustibles fósiles o nucleares. También es una energía autónoma y descentralizada, que procede de una fuente gratuita e inagotable. Se trata de una energía limpia y segura, absolutamente inocua para el medio ambiente local y mundial.

Sin embargo, lo que verdaderamente frena el desarrollo de la energía solar es la técnica aún insuficiente (almacenamiento de la energía, calidad y eficiencia de materiales…). También los altos costes de instalación, la insuficiente financiación para la investigación, o los bajos precios del petróleo influyen en el hecho de que la energía solar no tenga más importancia de la que tiene.

• Actualidad sobre la energía solar térmica.

Actualmente, y aunque ya se ha señalado que la investigación en este tipo de energías es escasa, se están obteniendo grandes avances en el campo. Los países punteros son: Estados Unidos, Israel, Francia, Alemania, Japón, Grecia, Suecia, Chipre. En España es interesante mencionar la Plataforma Solar de Almería,importante centro de investigación en energía solar.

Gran parte del territorio español tiene condiciones buenas para amortizar fácilmente una planta solar térmica ya que las condiciones climáticas son idóneas: 4kWh/m2 de energía solar de media por año.

Una visión realista del sector solar español nos llevaría a una efectiva utilización de este tipo de instalaciones, y en la actualidad ya hay 40000 m2 instalados.

3.- Energía solar pasiva.

Se trata de un caso particular de energía solar térmica.

Los grandes edificios actuales, construidos ignorando las condiciones ambientales del entorno, causan daños al medio ambiente y son poco económicos, sin llegar a conseguir el nivel de comodidad que se requiere: en efecto, por las ventanas se escapa tanta energía como la que fluye (por ejemplo, en forma de petróleo).

Este terrible gasto lo soluciona un tipo de energía muy particular:la energía solar pasiva.

• Funcionamiento

El calor que recibimos del sol es muy útil para evitar producir energía por otros medios.

Con la energía solar pasiva, se consigue producir energía sin necesidad de movimiento de ningún fluido, todos los procesos son naturales.

Ésto es lo que distingue la energía solar pasiva de la solar térmica convencional.

La energía solar pasiva se aplica a la arquitectura:se trata de la arquitectura solar pasiva o bioclimática. Ésta tiene en cuenta el clima del lugar (energía solar recibida, temperatura, dirección del viento, …), la vegetación del medio y la orientación para que el edificio reciba el máximo de energía solar posible. El objetivo es conseguir, con el mínimo consumo de energía convencional, el máximo confort, logrando que las temperaturas en este tipo de edificios sea constante aunque la temperatura exterior sufra grandes oscilaciones.

La arquitectura solar pasiva no es una invención de las nuevas tecnologías, ya que en general se respetan las formas arquitectónicas locales (casas blancas en climas cálidos, grandes ventanales en climas fríos…).

Cuando queremos diseñar una casa solar, se tienen en cuenta los siguientes factores: ganancia solar, almacenamiento de la energía, distribución del calor y la iluminación natural. Se suelen instalar métodos de calefacción, refrigeración e iluminación.

La calefacción consiste en invernaderos adosados, galerías acristaladas, ventanas y muros colectores para captar el calor solar, normalmente orientados hacia el sur , y aislando las paredes norte. Los muros y techos están fabricados con materiales que acumulan calor que se transfiere al interior de la casa.

La refrigeración se obtiene evitando la ganancia de calor, con protectores o bien aleros, toldos, persianas, o bien por sistemas enterrados. Se extrae también calor de noche (radiación hacia el cielo con una cubierta térmica movil, enfriamiento evaporativo o ventilación inducida).

La iluminación se consigue por reflejos:la luz indirecta es dirigida hacia paneles reflectantes. En el interior, la luz difusa se aprovecha con pinturas blancas o claras.

• Situación actual de la energía solar pasiva

Este tipo de edificios existen por todas partes del mundo, pero su desarrollo no es demasiado importante. Muchos de los existentes sirven para la experimentación más que para su uso. En España caben citar el Centro Educativo Medioambiental “Los Molinillos” de Crevillente (Alicante), que es un edificio autosuficiente durante todo el año (las temperaturas interiores se mantienen prácticamente constantes), o el caso del pueblo abandonado de Navapalos (Soria), que se ha reconstruido totalmente incorporando la energía solar pasiva.

Ya se ha dicho que la mayoría de estas instalaciones están realizadas para la investigación, aunque no son raros los casos de viviendas adosadas o aisladas que utilizan energía solar pasiva.

• Ventajas

Se trata de una energía que supone un coste no muy elevado, por lo general alrededor del 10% de sobrecoste. Pero el ahorro energético es sin duda espectacular: es del orden del 70-80% durante el tiempo de utilización. Sin duda alguna, desde un punto de vista económico, la amortización se realiza en muy poco tiempo. En el futuro se prevee que este coste se reduzca aún más.

También desde un punto de vista ecológico, todo son ventajas: no habrá ningún otro tipo de energía que tenga tan poco impacto en el medio ambiente que la energía solar pasiva. También es de notar que este tipo de energía ayuda notablemente a reducir el uso de otras energías fuertemente contaminantes.

Sin duda alguna, es difícil señalar algún inconveniente a la energía solar pasiva.

• La energía solar pasiva como energía del futuro

Se proyecta que para el año 2010 se podrá duplicar el aprovechamiento de la energía solar pasiva, y por lo tanto podrá suponer una reducción de 50% de las emisiones de CO2 y ahorrar mucho dinero. Aunque aún quede mucho por investigar, se están estudiando nuevos materiales, características ópticas de superficies, ventanas, tipologías constructivas, modelos de simulación, manuales de cálculo para constructores y validación experimental de las edificaciones.

Quizás dentro de unos años muchos de nuestros hogares serán casas solares.