COLECTORES FOTOVOLTAICOS

INTRODUCCION

Las principales aplicaciones de la energía solar son de tipo térmico, donde la energía luminosa, mediante diversos mecanismos se aprovecha en forma de calor. Sin embargo, existe una aplicación no fototérmica de mucha importancia que consiste en la producción de electricidad a partir de la radiación solar mediante celdas solares y paneles fotovoltaicos.

La energía eléctrica no está presente en la naturaleza como fuente de energía primaria y, en consecuencia, sólo podemos disponer de ella obteniéndola por transformación de alguna otra forma de energía. Una de las primeras formas como el hombre obtuvo energía eléctrica fue mediante el uso de pilas que generaban electricidad a partir de reacciones químicas. Posteriormente, la energía mecánica fue la principal fuente de electricidad gracias a la utilización de dínamos y alternadores.

En la actualidad, la principal manera de obtener la electricidad es mediante el uso de grandes centrales termoeléctricas, en las que la energía térmica liberada por una fuente de energía primaria (madera, carbón, petróleo, gas, combustible nuclear, etc.) se transforma en electricidad a través de un proceso que exige el uso de turbinas y alternadores, los cuales cubren la etapa final de conversión de energía mecánica en eléctrica. También las centrales hidroeléctricas son de importancia en la actualidad y conceptualmente trabajan bajo el mismo principio al utilizar la energía potencial de una caída de agua para obtener energía mecánica que posteriormente será transformada en eléctrica.

Recientemente, el hombre ha aprendido a obtener electricidad a partir de la energía solar mediante procesos fototérmicos y fotovoltaicos. Los primeros operan bajo principios semejantes a los de las centrales térmicas convencionales. Los denominados fotovoltaicos, presentan una importante simplificación respecto a los procesos energéticos convencionales, debido a que transforman una energía primaria, la solar, en electricidad de un modo directo, es decir, sin transformaciones intermedias en otras formas de energía. De lo anterior, podemos entonces decir que las células solares o celdas fotovoltaicas son dispositivos capaces de transformar la radiación solar en electricidad, de un modo directo. Estos dispositivos son estáticos y en absoluto semejantes a las generadores convencionales.

El capítulo esta dedicado a este tipo de dispositivos y se describen los principios bajo los cuales funcionan, la tecnología de su fabricación, las formas como se utilizan a través de paneles fotovoltaicos y sus principales aplicaciones.

PRINCIPIOS DE OPERACION Y CARACTERISTICAS.

Efecto fotovoltaico

Existen ciertos materiales que al absorber un determinado tipo de radiación electromagnética generan en su interior pares de cargas positivas y negativas. Si la radiación electromagnética es la solar y el material es un semiconductor tal como el silicio, Si, los pares de carga son electrones (e-) y huecos (h+) que una vez producidos se mueven aleatoriamente en el volumen del sólido. Si no hay ningún condicionante externo ni interno, las cargas de signos opuestos se recombinan neutralizándose mutuamente. Por el contrario, si mediante algún procedimiento se crea en el interior del material un campo eléctrico permanente, las cargas positivas y negativas serán separadas por él. Esta separación conduce al establecimiento de una diferencia de potencial entre dos zonas del material que, si son conectadas entre sí mediante un circuito externo al mismo tiempo que la radiación electromagnética incide sobre el material, darán origen a una corriente eléctrica que recorrerá el circuito externo. Este fenómeno se conoce como efecto fotovoltaico y es el fundamento en el que se basan las celdas fotovoltaicas.

El campo eléctrico interno local se crea siempre que se ponen en contacto un semiconductor tipo n con otro tipo p, es decir, donde existe una unión p-n. En la práctica dicha unión se logra mediante diferentes procedimientos, aunque los más convencionales son las técnicas de difusión de impurezas dentro del material.

TECNOLOGIA DE FABRICACION DE CELULAS Y MODULOS FOTOVOLTAICOS.

Debido a que una célula solar genera corrientes y tensiones pequeños, éstas no son los elementos que se utilizan en las aplicaciones prácticas, sino que, con objeto de lograr potencias mayores, se acoplan en serie o en paralelo para obtener mayores tensiones y corrientes formando lo que se denomina módulo fotovoltáico, que es el elemento que se comercializa. A la vez, estos módulos se conectan en serie o en paralelo para obtener las tensiones y corrientes que nos den la potencia deseada. Módulos en serie aumentan el voltaje y conservan la misma corriente, mientras que módulos en paralelo aumentan la corriente, conservando el mismo voltaje. Los módulos generalmente se fabrican para tener una salida de 12 VCD

El proceso de fabricación de las células solares de silicio lo podemos dividir en tres grandes etapas:

a) Obtención del Si de alta pureza. Este se obtiene a partir del óxido de silicio, SiO₂, básicamente cuarzo, cuya abundancia en la naturaleza elimina problemas de abastecimiento. Este tiene que ser de alta pureza, semejante al semiconductor que se utiliza en la industria electrónica. Actualmente se está trabajando con silicio de menor pureza, pero útil para la fabricación de células solares y a un menor costo.

b) Obtención de obleas. Utilizando como materia prima polvo de silicio de alta pureza se hace crecer el monocristal hasta obtener una pieza cilíndrica de diámetro variable entre 2 y 20 cm y longitud de alrededor de 1 m. El crecimiento del monocristal sirve para purificar el material y para la creación de una estructura perfecta, gracias a la cual la futura oblea gozará de propiedades semiconductoras.

La barra de silicio se corta mediante sierras especiales produciendo obleas de espesor aproximado de 300 µm. En esta etapa hay una pérdida de material de aproximadamente el 60% en forma de serrín. Actualmente existen otras formas más eficientes de cortado de la barra.

c) Procesamiento de la oblea. Para obtener finalmente la célula solar, la oblea sufre un procesamiento que consiste de los siguientes pasos:

La formación de la unión p- n es la etapa más crítica de todo el proceso de fabricación, debido a que el buen funcionamiento de la célula solar depende en gran medida de una buena unión p-n. Por otro lado, una adecuada capa antirreflejante también es necesaria, ya que una superficie de Si bien pulida puede llegar a reflejar hasta el 34% de la radiación de onda larga y un 54% si la radiación es de onda corta.

ESTRUCTURA DE UN GENERADOR FOTOVOLTAICO.

Suele llamarse generador fotovoltaico al conjunto de elementos, debidamente acoplados, que permiten utilizar la energía eléctrica obtenida por conversión de la solar mediante las células solares. La estructura de un generador es variable según la aplicación a la que está destinado, aunque algunos elementos tienen que estar presentes necesariamente. Para fines prácticos, podemos decir que hay dos grandes grupos de generadores:

Los generadores fotovoltaicos autónomos se compones de tres subsistemas:

El panel fotovoltaico, donde la energía solar se convierte en corriente continua, el regulador-conversor electrónico y el subsistema de almacenamiento, que generalmente son baterías electroquímicas.

El regulador tiene la doble función de evitar la sobrecarga de las baterías desconectándolas cuando ya están cargadas, y evitar la descarga de las mismas en períodos en que los paneles no generan suficiente energía por haber baja la insolación o ser de noche.

Otra característica importante de los generadores fotovoltaicos es su carácter modular. Por modularidad se entiende la posibilidad de ampliar la potencia pico instalada por acoplamiento de nuevos paneles. Así, el sistema se adapta a la demanda sin la necesidad de adquirir un nuevo generador.

Por otro lado, el sistema de paneles fotovoltaicos posee un vida larga, unos 20 a 25 años, al final de los cuales su rendimiento debe ser del orden del 75% del inicial. Después de este tiempo, su degradación se acelera y desciende el rendimiento hasta valores despreciables.

APLICACIONES DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS.

Desde un punto de vista histórico, el motivo de la construcción de las celdas fotovoltaicas fueron los satélites artificiales. La idea era construir un generador eléctrico para alimentar los equipos de toma de datos que llevaban a bordo, que presentara ventajas con respecto a otros generadores como los termoeléctricos y las pilas de combustible. De hecho, las ventajas encontradas en este tipo de generadores fueron: peso reducido, larga vida, ocupación de espacio mínima y nivel de insolación elevado y continuo por estar fuera de la atmósfera terrestre, aunque sus costos eran muy elevados. Para aplicaciones terrestres, el factor económico era muy importante si se deseaba tener una aplicación más generalizada y por lo tanto, desde esos años (1972-73), se inició una tremenda carrera cuya meta era la simplificación y el descubrimiento de nuevas tecnologías, procesos, e investigación de nuevos materiales, que condujeran a un abaratamiento de las células solares y demás componentes del generador fotovoltaico. Dichos esfuerzos han rendido ya sus frutos y encontramos que en la actualidad los precios han bajado drásticamente y existen muchas más aplicaciones de las células solares, las cuales mencionaremos brevemente a continuación:

a) Electrificación rural y de viviendas aisladas. Existen muchas zonas rurales y viviendas aisladas donde llevar energía eléctrica por medio de la red general sería demasiado costoso y por lo tanto no cuentan con este servicio. En este caso, la instalación de un generador fotovoltaico es ampliamente rentable.

b) Comunicaciones. Los generadores fotovoltaicos son una excelente solución cuando hay necesidad de transmitir cualquier tipo de señal o información desde un lugar aislado, por ejemplo, reemisores de señales de TV, plataformas de telemetría, radioenlaces, estaciones meteorológicas.

c) Ayudas a la navegación. Aquí la aplicación puede ser relativa a la navegación misma o a sus señalizaciones, como alimentar eléctricamente faros, boyas, balizas, plataformas y embarcaciones.

d) Transporte terrestre. Iluminación de cruces de carretera peligrosos y túneles largos. Alimentación de radioteléfonos de emergencia o puestos de socorro lejos de líneas eléctricas. Señalizaciones de pasos a desnivel o cambio de vías en los ferrocarriles.

e) Agricultura y ganadería. Se está teniendo una atención muy espacial en estos sectores. Mediante generadores fotovoltaicos podemos obtener la energía eléctrica necesaria para granjas que conviene que estén aisladas de la zonas urbanas por motivos de higiene. Sin embargo, la aplicación más importante y de futuro es el bombeo de agua para riego y alimentación de ganado que normalmente se encuentra en zonas no pobladas. Otras aplicaciones pueden ser la vigilancia forestal para prevención de incendios.

f) Aplicaciones en la industria. Una de las principales aplicaciones en este campo es la obtención de metales como cobre, aluminio y plata, por electrólisis y la fabricación de acumuladores electroquímicos.

g) Difusión de la cultura. Televisión escolar para zonas aisladas. Difusión de información mediante medios audiovisuales alimentados eléctricamente mediante generadores fotovoltaicos.

Vale la pena mencionar que en la actualidad también se está trabajando con generadores mixtos o híbridos, esto es, adaptar el generador fotovoltaico con otros generadores ya existentes como los eólicos o los generadores diesel. También podemos mencionar que actualmente se han construido algunas centrales fotovoltaicas que proporcionan una potencia considerable y que en un momento dado pueden llegar a ser rentables en ciertos casos, comparadas con las centrales tradicionales como las termoeléctricas o hidráulicas.

CALEFACCION DE AGUA DOMESTICA

INTRODUCCION

Una de las aplicaciones de la energía solar que ha tenido mayor uso y divulgación es la calefacción de agua para consumo doméstico. Las primeras patentes de calentadores solares aparecieron en Estados Unidos hacia finales del siglo XIX.

En los lugares con buen clima y buena insolación, los calentadores solares pueden ahorrar una fracción considerable del combustible para uso doméstico.

En lugares con clima extremoso, no basta el calentador solar para tener un ahorro tan significativo, dado que el principal consumo de energía se debe al aire acondicionado en verano, y a la calefacción en invierno.

PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

La mayoría de las aplicaciones de la energía solar, particularmente las que proporcionan un servicio que se requiere en forma continua, es decir, no sólo cuando hay insolación, requieren al menos dos elementos que ya se han descrito en capítulos anteriores: un colector, en donde se transforme la luz solar en el efecto deseado, y un almacén, en donde se pueda tener una "reserva" del efecto deseado, para cuando no hay insolación. Los calentadores solares, entonces, requieren por lo general de estos dos elementos.

Como se vio anteriormente, la decisión de qué colector emplear en un diseño depende de las temperaturas que se requiera obtener. En el caso de los calentadores solares domésticos, las temperaturas requeridas son del orden de 40 a 60 °C. Esto implica que los colectores más adecuados, independientemente de otras ventajas que puedan tener, son los de placa plana. Dependiendo del diseño particular del calentador, puede requerir una o dos cubiertas transparentes. Como se mencionó en el capítulo de colectores planos, una de las virtudes de este tipo de colector es que no sólo capta la radiación directa, sino también la difusa. Esto significa que un calentador solar bien dimensionado puede trabajar satisfactoriamente no sólo en días soleados, sino en días medio nublados, siempre que la irradiación total no caiga por debajo de ciertos límites y los usuarios no desperdicien el agua caliente.

Debido a que muchos usuarios prefieren el baño diario matutino, después de unas horas en las que no ha habido insolación, es necesario y práctico tener una reserva de agua caliente, considerando además que, en días muy nublados puede haber una baja significativa de la irradiancia solar. Con el uso de una reserva de agua caliente se logra satisfacer la demanda de agua cliente en más del 95% de los días del año.

TIPOS BASICOS DE CALENTADORES SOLARES

En esta sección hablaremos de los tipos básicos de calentadores solares que han tenido algún éxito comercial o tecnológico.

Calentador solar autocontenido

Este es uno de los calentadores solares más simples que se pueden concebir (descartando, por supuesto, un garrafón o tina con agua directamente expuestos al Sol).

El calentador autocontenido es simplemente un recipiente (una caja, un tambo, varios tambos pequeños, etc.) dispuesto de tal manera que presente su mayor área hacia la posición promedio del Sol. Esta cara se pinta de negro y hace las veces de colector solar. El recipiente se llena con agua, que se calienta directamente por contacto con la cara expuesta al Sol. Por los lados y el fondo se aísla térmicamente para evitar las fugas de calor.

El nombre de "autocontenido" viene de que en el mismo elemento físico del sistema se conjugan las funciones

de colector y de termo almacén. Como puede verse, esto es algo así como exigir funciones contrarias en un mismo elemento del sistema. Por un lado, la parte superior del recipiente debe hacer las veces de colector, es decir, funcionar como un elemento para la transferencia de calor, del Sol al agua. Por otro lado, como en el mismo recipiente se mantiene almacenada el agua caliente, debe hacer las veces de termo, que es la función opuesta a un colector. Es por esto que en este tipo de calentadores solares se utilizan dos capas de vidrio (o del material transparente de la cubierta). Esta es una forma de lograr que durante el día entre la radiación solar hasta la placa negra, pero durante la noche pierda relativamente poco calor. Diversos estudios han demostrado que si se utiliza sólo una capa de vidrio (o ninguna), las pérdidas nocturnas son tan altas, que al amanecer casi se ha perdido la energía colectada el día anterior. Por otro lado, tres o más capas de vidrio dan como resultado demasiadas reflexiones y absorciones en los vidrios, de manera que, aunque la pérdida se ve efectivamente disminuida, lo que sufre más son las ganancias térmicas durante el día.

Un parámetro importante en el diseño de los calentadores solares autocontenidos es su espesor promedio.

Definimos éste como el cociente entre el volumen(m3) del recipiente y el área (m2) expuesta al Sol a mediodía.

Un calentador autocontenido deberá tener un espesor promedio menor que 0.4 m, con el objeto de tener una buena relación de área de colección solar a volumen de agua por calentar. Quizá el óptimo se encuentre alrededor de 0.2 m. Con espesores promedio menores, también hay un aumento significativo de pérdidas nocturnas, por lo que no es deseable reducir mucho este parámetro.

REFRIGERACION SOLAR

INTRODUCCION

Uno de los métodos más antiguos de refrigeración y que en algunos lugares aún se sigue utilizando, es el que se basa en la fusión de hielo o nieve, que a la presión de 1 atm, tiene lugar a una temperatura de 0 °C. El hielo o nieve se colocan en el espacio o sobre los objetos que se quieren refrigerar o enfriar y que tienen una temperatura superior a los 0 °C. Según la segunda ley de la termodinámica, el calor fluirá espontáneamente de la región de mayor temperatura (espacio u objetos a refrigerar) hacia l a región de menor temperatura (hielo o nieve), de manera que el espacio u objetos son enfriados. Esto ocurre también debido a que el hielo o nieve en esas condiciones de temperatura y presión ambiente, debe pasar al estado líquido y para hacer ese cambio de fase (sólido a líquido), se requiere de una determinada cantidad de calor (calor de fusión = 80 cal/gr) que es suministrada por los alrededores.

Otras prácticas muy comunes para obtener refrigeración eran también mediante el uso del bióxido de carbono (hielo seco) o agua fría, operando bajo principios semejantes a los mencionados para el hielo o nieve.

Los sistemas de refrigeración que actualmente más se utilizan son el sistema de refrigeración por compresión y el sistema de refrigeración por absorción. Estos sistemas se basan en la evaporación o gasificación de un líquido a baja presión. Al igual que un sólido absorbe calor para pasar al estado líquido, un líquido también debe de absorber calor para vaporizarse o pasar al estado gaseoso.

En los últimos años se ha venido trabajando en sistemas de refrigeración que utilizan la radiación solar para producir el efecto de enfriamiento. Dentro de las aplicaciones de la energía solar, esta es una de las más importantes e interesantes debido por un lado, al reto tecnológico que implica desarrollar sistemas de este tipo, y por el otro, al hecho de que en esta aplicación coincide la disponibilidad con la necesidad, esto es: entre más flujo de energía radiante llega a un determinado lugar, más altas son las temperaturas ambientales y por lo tanto más se requiere de la refrigeración o enfriamiento. Por ejemplo, se tiene conocimiento de que en los países tropicales, casi no se consume carne y leche entre otros, porque se descomponen muy fácilmente y la mayoría de la gente de escasos recursos económicos no cuenta con sistemas de refrigeración para su conservación.

También se sabe que en estos mismos países gran parte de las cosechas de frutas y verduras se pierden por la misma causa.

Tanto el sistema de refrigeración por compresión como el de absorción pueden ser adaptados para que funcionen con energía solar. El primero mediante la conversión de la energía solar en energía mecánica o eléctrica para hacer funcionar el compresor de un sistema convencional, y el segundo mediante la utilización directa de la energía solar como fuente de energía térmica. Este ultimo, por no implicar conversiones de un tipo de energía en otra, resulta más económico y eficiente y es el sistema que abordaremos en el capítulo presente.

Debido a la intermitencia propia de la radiación solar, lo más sensato es pensar es sistemas de refrigeración intermitentes, aunque también se pueden desarrollar sistemas que operan continuamente, pero que necesitan de un sistema de almacenamiento y de una fuente auxiliar de energía para que puedan seguir operando en las horas que no hay radiación solar (Noche y períodos con nublados intensos). El decidirse por algún tipo de sistema también tiene que ver con la aplicación que se l e vaya a dar. Si el sistema se necesita para el acondicionamiento calorífico de viviendas o edificios generalmente se utilizan sistemas continuos que utilizan una mezcla de bromuro de litio-agua (BrLi-H₂O), pero si lo que se requiere es conservar alimentos o cualquier tipo de producto perecedero, un sistema intermitente podría dar buenos resultados. Estos, generalmente utiliza una mezcla de amoniaco-agua (NH₃-H₃O) y logran temperaturas lo bastante bajas como para producir hielo.