Facultad de
Educación
Departamento de
Educación Tecnológica
Presente y futuro de la energía solar
Christian E. Rosado Velázquez
Tecnología de la energía y la fuerza
Introducción
Al transcurrir de la historia el ser humano ha tenido
la capacidad de adaptarse en su ambiente, y una de las formas las cuales se ha
adaptado es utilizando lo que le rodea para facilitarse la existencia o
explorando nuevas técnicas. Cabe señalar
que la utilización de los recursos naturales es el ejemplo claro en la creación
de energía eléctrica.
En la producción de energía existen diferentes métodos
pero en específico se demuestra la implementación de la energía solar tales
como energía solar.
En este trabajo se definirán brevemente la energía
solar. A su vez se presentará el
trasfondo histórico de la energía solar.
Trasfondo
histórico
Energía Solar
La energía solar es la energía
obtenida mediante la captación de la luz y el calor emitidos por el Sol. La radiación solar que alcanza la Tierra
puede aprovecharse por medio del calor que produce a través de la absorción de
la radiación, por ejemplo en dispositivos ópticos o de otro tipo.
La historia de la energía solar es
bastante larga, a partir de los años 600 AC y continuando a través de los
tiempos actuales. Dado que sólo una
pequeña parte de la energía solar se utiliza, incluso ahora, los nuevos
descubrimientos y nuevas maneras de aprovechar la energía del sol impulsará la
línea de tiempo la energía solar en el futuro.
En 1816, Robert Stirling había
inventado un motor que más tarde se utilizan para convertir la energía del sol
en energía eléctrica. El resto de la década de 1800 se llenaron de los científicos
que desarrollan formas de aprovechar más la energía del sol y la fuerte
creación de fuentes de electricidad a partir de esa energía. En el 1900, los
efectos fotoeléctricos y fotovoltaicos se encontraban en el centro del mundo
científico. La historia de la energía solar se comenzó a incorporar.
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.
La intensidad de energía solar disponible
en un punto determinado de la Tierra depende, de forma complicada pero
predecible, del día del año, de la hora y de la latitud. Además, la cantidad de
energía solar que puede recogerse depende de la orientación del dispositivo
receptor.
Usos térmicos de la energía solar
Un calentador solar de agua utiliza la energía del sol
para calentar un líquido determinado el cual transferirá el calor hacia un
comportamiento de almacenado de calor, explicamos esto ya que en una casa este
sistema puede ser utilizado. En una
vivienda, el agua caliente del sanitario se calienta y se almacena en un
depósito de agua caliente.
Los paneles solares cuentan con una placa receptora y
tubos por los que circula el líquido; el receptor, habitualmente, nos asegurará
el proceso de transformación de radiación solar en calor, mientras que el
líquido que estará circulando por los tubos transporta dicho calor hacia el
lugar en donde puede ser usado o almacenado.
El líquido que se calienta
se bombea hacia un artefacto que intercambia energía, donde deja el calor que
luego circulará de vuelta hacia el panel solar para poder ser recalentado; esta
es una manera efectiva y simple de transferir y transformar la energía solar.
Definiciones
Celdas solares
Las células o celdas solares son dispositivos que convierten energía
solar en electricidad, ya sea directamente vía el efecto fotovoltaico, o
indirectamente mediante la previa conversión de energía solar a calor o a
energía química.
La forma más común de las celdas solares se basa en el efecto
fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor
de dos capas produce una diferencia del foto voltaje o del potencial entre las
capas. Este voltaje es capaz de conducir una corriente a través de un circuito
externo de modo de producir trabajo útil.
Los orígenes de celdas solares
Aunque las celdas solares eficientes
han estado disponibles recién desde mediados de los años 50, la investigación
científica del efecto fotovoltaico comenzó en 1839, cuando el científico
francés, Henri Becquerel descubrió que una corriente eléctrica podría ser
producida haciendo brillar una luz sobre ciertas soluciones químicas.
El efecto fue observado primero en
un material sólido (el metal selenio) en 1877. Este material fue utilizado
durante muchos años para los fotómetros, que requerían de cantidades muy
pequeñas de energía. Una comprensión más profunda de los principios
científicos, fue provista por Albert Einstein en 1905 y Schottky en 1930, la
cual fue necesaria antes de que celdas solares eficientes pudieran ser
confeccionadas. Una célula solar de silicio que convertía el 6% de la luz solar
que incidía sobre ella en electricidad fue desarrollada por Chapin, Pearson y
Fuller en 1954, y esta es la clase de célula que fue utilizada en usos
especializados tales como satélites orbitales a partir de 1958.
Las celdas solares de silicio
disponibles comercialmente en la actualidad tienen una eficiencia de conversión
en electricidad de la luz solar que cae sobre ellas de cerca del 18%, a una
fracción del precio de hace treinta años. En la actualidad existen una gran
variedad de métodos para la producción práctica de celdas solares de silicio
(amorfas, mono cristalinas o poli cristalinas), del mismo modo que para las
celdas solares hechas de otros materiales (seleniuro de cobre e indio, teluro
de cadmio, arseniuro de galio, etc).
Para entender la operación de una célula fotovoltaica, necesitamos
considerar la naturaleza del material y la naturaleza de la luz del sol.
Las celdas solares están formadas por dos tipos de
material, generalmente silicio tipo p y silicio tipo n. La luz de ciertas
longitudes de onda puede ionizar los átomos en el silicio y el campo interno
producido por la unión que separa algunas de las cargas positivas
("agujeros") de las cargas negativas (electrones) dentro del
dispositivo fotovoltaico. 
Los agujeros se mueven hacia la capa positiva o capa
de tipo p y los electrones hacia la negativa o capa tipo n. Aunque estas cargas opuestas se atraen
mutuamente, la mayoría de ellas solamente se pueden recombinar pasando a través
de un circuito externo fuera del material debido a la barrera de energía
potencial interno. Por lo tanto, si se
hace un circuito se puede producir una corriente a partir de las celdas
iluminadas, puesto que los electrones libres tienen que pasar a través del
circuito para recombinarse con los agujeros positivos.
Baterías solares
Otra
importante función de las baterías es la de proveer una intensidad de corriente
superior a la que el dispositivo fotovoltaico puede entregar. Tal es el caso de
un motor, que en el momento del arranque puede demandar una corriente de 4 a 6
veces su corriente nominal durante unos pocos segundos.
Cuatro
parámetros definen una batería solar: el máximo valor de corriente que puede entregar a una
carga fija, en forma continua, durante un determinado número de horas de
descarga; su capacidad para almacenar energía; la profundidad de descarga que
puede soportar, sin dañarse, en forma repetitiva; la vida útil de la unidad,
vale decir, el máximo número de ciclos de carga descarga (u otro parámetro
equivalente).
La industria ha estandarizado la prueba
que determina el valor de la máxima corriente de descarga. Esto permite comparar distintos modelos de
baterías. El valor de la corriente máxima es aquel que
permite una descarga continua de 20 horas de
duración, al cabo de la cual la energía en reserva representa el 20% de la
máxima con la que comenzó. Los dos
parámetros usados: corriente y tiempo, determinan que el valor derivado de la prueba esté dado
en amper horas (Ah). Este valor representa la capacidad
de la batería y de él se deriva el valor de la corriente máxima, para un dado
régimen de descarga.
Hallazgos
Según la investigación interactiva
se pudo constatar que la energía solar es una energía muy buena y limpia. Lamentablemente en estos momentos en el
mercado es muy costosa, aunque es subsidiada por los gobiernos, la situación
económica del mundial del momento no le permite al ciudadano común que esta sea
accesible.
Por otro lado, no se vende en todos
los lugares. Es una inversión que se
realiza por internet o en pocos detallistas que la venden.
Con esto se finaliza nuestra exposición sobre el Sol. "De
Astrónomos a Astronaves" continúa con secciones sobre los vehículos
y los viajes espaciales, comenzando con El principio del Cohete
Author and Curator: Dr.
David P. Stern
Messages to Dr.Stern: stargaze("at" symbol)phy6.org (English, please) .
Spanish translation by J. Méndez
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Spanish translation by J. Méndez
Last updated 13 December 2001
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Transformación natural de la energía solar
La recogida natural de energía solar se produce en la atmósfera, los océanos y las plantas de la Tierra. Las interacciones de la energía del Sol, los océanos y la atmósfera, por ejemplo, producen vientos, utilizados durante siglos para hacer girar los molinos. Los sistemas modernos de energía eólica utilizan hélices fuertes, ligeras, resistentes a la intemperie y con diseño aerodinámico que, cuando se unen a generadores, producen electricidad para usos locales y especializados o para alimentar la red eléctrica de una región o comunidad.
Casi el 30% de la energía solar que alcanza el borde exterior de la atmósfera se consume en el ciclo del agua, que produce la lluvia y la energía potencial de las corrientes de montaña y de los ríos. La energía que generan estas aguas en movimiento al pasar por las turbinas modernas se llama energía hidroeléctrica.
Gracias al proceso de fotosíntesis, la energía solar contribuye al crecimiento de la vida vegetal (biomasa) que, junto con la madera y los combustibles fósiles que desde el punto de vista geológico derivan de plantas antiguas, puede ser utilizada como combustible. Otros combustibles como el alcohol y el metano también pueden extraerse de la biomasa.
Asimismo, los océanos representan un tipo natural de recogida de energía solar. Como resultado de su absorción por los océanos y por las corrientes oceánicas, se producen gradientes de temperatura. En algunos lugares, estas variaciones verticales alcanzan 20 °C en distancias de algunos cientos de metros. Cuando hay grandes masas a distintas temperaturas, los principios termodinámicos predicen que se puede crear un ciclo generador de energía que extrae energía de la masa con mayor temperatura y transferir una cantidad a la masa con temperatura menor . La diferencia entre estas energías se manifiesta como energía mecánica (para mover una turbina, por ejemplo), que puede conectarse a un generador, para producir electricidad. Estos sistemas, llamados sistemas de conversión de energía térmica oceánica (CETO), requieren enormes intercambiadores de energía y otros aparatos en el océano para producir potencias del orden de megavatios.
Recogida directa de energía solar
La recogida directa de energía solar requiere dispositivos artificiales llamados colectores solares, diseñados para recoger energía, a veces después de concentrar los rayos del Sol. La energía, una vez recogida, se emplea en procesos térmicos o fotoeléctricos, o fotovoltaicos. En los procesos térmicos, la energía solar se utiliza para calentar un gas o un líquido que luego se almacena o se distribuye. En los procesos fotovoltaicos, la energía solar se convierte en energía eléctrica sin ningún dispositivo mecánico intermedio . Los colectores solares pueden ser de dos tipos principales: los de placa plana y los de concentración.
Hermann von Helmholtz and the foundations of Nineteenth
century Science. Los Angeles: University of California Press, 1994
CELDAS SOLARES
Baterias solares
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