Este documento describe varias tecnologías de energía solar, incluyendo paneles solares de silicio, células solares de película delgada, sistemas termoeléctricos solares de cilindro parabólico y torre, y módulos solares de concentración con células multicapa. También discute brevemente la historia de la energía solar fotovoltaica y destaca los avances recientes en eficiencia de conversión de energía solar. El documento concluye que las energías renovables como la solar tienen un futuro prome

1. http://www.wip.es/eco/
http://www.wip.es/
UN “PASEO” POR LA ENERGÍA SOLAR
-1.- ¿POR QUÉ ENERGÍA SOLAR?.-
2.1.- NECESIDADES ENERGETICAS.- El desarrollo de la humanidad,
sostenible ó no, nunca podrá hacerse sin energía. Cualquiera que sea el ritmo
de este proceso, las crecientes necesidades energéticas serán, siempre,
incuestionables.
Este crecimiento energético no podrá continuar haciéndose con base en los
combustibles fósiles:
- Los recursos son limitados.
- No podemos continuar aumentando los gases de “Efecto
Invernadero” que, sin duda alguna, ya están produciendo enormes
desequilibrios ambientales.
- Los precios que están adquiriendo, en los distintos mercados,
comienzan a ser inquietantes e imparables.
- Y, No cumplimos con el Protocolo de Kyoto (España ha aumentado la
emisión de gases de efecto invernadero el 52,88%, respecto a las
emisiones de 1990, para una previsión de reducción del 5,5% antes de
2012) lo que producirá grandes inversiones en la compra de derechos
de contaminación, a terceros países.
La solución de la energía atómica, fisión nuclear, acarrea riesgos aún
mayores; Continuamos sin conseguir destino para las 4.000 Tm. de residuos
almacenados, que, como se sabe, tienen una vida media superior a los 10.000
años de poder contaminante y difícilmente seremos capaces de garantizar,
al 100%, que catástrofes como las de Chernobil, ó similares, no van a volver
a producirse.
Tampoco se sabe si será factible la energía de fusión; las enormes
temperaturas generadas (millones de grados) por la posible unión núcleos de
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2. deuterio y tritio y el gran problema que plantea su confinamiento y su
almacenamiento, no son, hoy por hoy, mas que un bello deseo.
Solo las energías renovables: Solar, eólica, biomasa, hidráulica, geotérmica y
la generada por los océanos, son las que, tienen un futuro esperanzador.
Permiten el desarrollo que necesitamos, presentando todas las ventajas y
muy pocos inconvenientes, siempre que seamos capaces de hacer con ellas un
desarrollo: racional, diversificado, adecuado y adaptado a lugares y
aplicaciones.
Dentro de las energías renovables, el sol es la mayor fuente de energía
conocida y es, en el fondo, el origen primario de todas las otras fuentes. Un
país como EEUU, gran consumidor de energía, recibe anualmente, del sol,
1.500 veces su demanda energética total.
Solo con una eficacia del 8%, centrales solares instaladas en las zonas
adecuadas del mapa, podrían proveer más de la energía consumida en el
mundo.
La tierra recibe anualmente 1,5 x 1018 Kwh. de energía solar lo que
corresponde a 10.000 veces el consumo mundial de energía en ese período.
Este hecho indica que además de ser responsable por la manutención de vida
en la tierra, la radiación solar constituye una inagotable fuente energética,
existiendo un enorme potencial de utilización por medio de sistemas de
captación y conversión en otra forma de energía.
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3. Para su aplicación y desarrollo, el futuro está casi por descubrir. Sabemos
muy poco de todo lo que se puede desarrollar en este campo, con lo que hay
un gran potencial de I+D.
Por otra parte, la ESF (Energía Solar Fotovoltaica) es un recurso
prácticamente ilimitado y disponible en cantidad suficiente como para poder
llegar a asegurar un sistema de producción de energía eléctrica sostenible,
fomentando la economía nacional.
-1.2.-LA ENERGÍA FOTOVOLTAICA: ESTADO DEL ARTE.-
-UN POCO DE HISTORÍA.-Ya en 1839 Edmund Becquerel, 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. El físico francés Edmond
Becquerel fue el primero en describir el efecto fotovoltaico en 1839,
cuando tan solo tenía 19 años, aunque permaneció como inexplorado por los
próximos tres cuartos de siglo.
En 1870 Heinrich Hertz estudió el efecto en los sólidos en esta década,
produciendo celdas fotovoltaicas que convertían la luz en electricidad con
1% al 2% de eficiencia. Pero es en 1921 cuando Albert Einstein consigue el
Premio Nóbel de física, por sus teorías explicativas sobre el efecto
fotovoltaico.
El gran paso en la comercialización fotovoltaica se produjo en 1951 tras el
desarrollo del procedimiento Czochralski, que permitió generar cristales de
silicio de alta pureza.
Ya en 1963 se instala en Japón un sistema fotovoltaico de 242 W en un
faro.
Entre los años 1974-1977 se fundan las primeras compañías de energía
solar. El Lewis Research Center (LeRC) de la NASA coloca las primeras
aplicaciones en lugares aislados. La potencia instalada de EFV supera los
500 kW.
La empresa ARCO Solar, en 1980, es la primera en producir más de 1 MW
en módulos FV en un año.
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4. -EL EFECTO FOTOVOLTAICO.- Los semiconductores, empleados en esta
tecnología, son elementos que tiene la facilidad de perder los electrones de
su última órbita (banda) cuando son iluminados por la luz solar. Los fotones,
suministran a estos electrones la energía suficiente para que salten de su
“banda de valencia” a otra banda más energética llamada “banda de
conducción”. Una y otra están separadas, a nivel atómico, por un espacio
llamado “banda prohibida”.
Los electrones situados en esa banda de conducción pueden ser extraídos al
exterior con un simple contacto eléctrico (Un cable) y ser aprovechados
para realizar cualquier trabajo (Encender una bombilla, por ejemplo) En esa
actividad, pierden la energía que les había proporcionado el fotón solar,
cayendo de nuevo a su nivel inicial, la “banda de valencia”.
Cada semiconductor aprovecha una determinada parte del espectro solar
para producir el fenómeno descrito. En el caso del silicio, la eficiencia
aprovechable es del orden del 12%÷14% dado que desaprovecha la zona del
espectro solar más energética (La luz azul y la ultravioleta).
-LOS PANELES DE SILICIO.- Colocando dos obleas de silicio “n” y “p”
separadas por un semiconductor (hueco) cuando la luz incide en “n”, libera
electrones que atraviesan el semiconductor y no pueden volver. Llegan a “p”
creando una diferencia de potencial entre las dos placas. Si las unimos, se
inicia una corriente eléctrica.
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5. Las obleas pueden hacerse de: Cristales de silicio Mono cristalino,
(Hexagonales) de partículas cristalizadas Policristalino, ó de Si no
cristalizado Amorfas.
Su efectividad es mayor cuanto mayor sean los cristales, pero también su
peso, su grosor y su coste.
El montaje; enmarcado, laminado con EVA, TEDLAR y vidrio de protección,
de estas células, da lugar a los paneles de silicio que encontramos en el
mercado.
Dada su estructura, sus características y las limitaciones de su aumento de
rendimiento, son ideales para instalaciones en edificios, tejados,
parkings..etc. y latitudes en las que el sol no es muy frecuente.
Por cuanto a su eficiencia se refiere, la pasada semana, Sanyo
Component Europe ha anunciado haber batido su propio record, lanzando
al mercado un nuevo módulo cristalino que integra una célula con un
rendimiento del 21,6%, el más elevado del mundo, para esta tecnología.
http://bit.ly/gwU2r9
- Lámina delgada.- La tecnología de la célula solar de silicio es bastante
estándar, y la mayor parte de la investigación tecnológica se centra en la
película fina. La mayoría de la película fina o delgada consiste en una
sustancia absorbente solar rociada sobre una capa, o aplicada con gas a una
capa, o, más recientemente, de una tinta solar impresa sobre una capa. Las
tecnologías de la película fina se diferencian sobre todo en el material que
utilizan. La película fina utiliza típicamente el 1%, o menos, del silicio normal,
es más barata, y es también a veces flexible, pero es menos eficiente. La
película fina se imprime a menudo sobre una lámina, haciéndola flexible. Una
película delgada se puede rociar sobre una capa para hacer película fina del
silicio amorfo. Es más barata, pero menos eficiente, que el silicio normal, y
absorbe solamente el espectro visible de la luz.
Las tres principales clases de película fina son: CIGS, telurio de cadmio,
y CIS. Los CIGS están basados en el cobre, el indio, el galio y el selenio.
Los productos químicos se mezclan para formar una película delgada con
algo más de eficacia. Utiliza una clase más complicada de reacción química
que el silicio. Se utilizan los CIGS para conseguir una eficacia mejor al
concentrar la luz con espejos. El telurio de cadmio, conocido como CdTe,
es otra clase de película fina. Tiene cualidades útiles, pero tiene el
problema que la sustancia es tóxica. CdTe es también menos eficiente
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6. que el silicio, aunque es más barato de fabricar. CIS, una clase de película
de cobre, puede ser un 11% eficiente, pero es costosa.
Este tipo de tecnología es ideal para colocar sobre edificios pudiendo
servir a la vez de decoración y generador de electricidad. Su eficacia es,
en general, menor que la del silicio tradicional.
No obstante, Miasole, un fabricante de energía solar fotovoltaicos de capa
delgada, producida a partir de seleniuro de cobre-indio-galio (CIGS), acaba
de anunciar que el laboratorio de investigación de los EE.UU. de Energía
Renovable (NREL) ha confirmado una eficiencia de 15,7 % en sus módulos
de producción serie, para el próximo año. http://bit.ly/eOIusO
-1.3.-TERMOELÉCTRICA SOLAR CILINDRO PARABOLICA.-
La tecnología cilindro parabólica basa su funcionamiento en el seguimiento
solar y la concentración de los rayos solares en unos tubos receptores de
alta eficiencia térmica localizados en la línea focal del cilindro. En esto
tubos un fluido transmisor de calor, tal como aceite sintético es calentado
por los rayos solares concentrados a una temperatura de aproximadamente
400ºC. Esteaceite es bombeado a través de una serie de intercambiadores
de calor para producir vapor. El calor presente en este vapor, se convierte
en electricidad en una turbina de vapor convencional.
Las plantas cilindro parabólicas permiten almacenar el calor mediante
tecnología de sales y la hibridación con ciclo combinado (ISCC).
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7. Desde primeros de diciembre 2010, WIP
trabaja en una instalación de este tipo, en el
Parque Solar de Almería, para el cliente
IBERDROLA.
-1.4.-TERMOELÉCTRICA SOLAR DE CHIMENEA.-
Centrales de Torre (Alta Temperatura). Formadas por un campo de
helióstatos que reflejan la radiación sobre un receptor situado en la
parte superior de una torre central. El fluido de trabajo puede ser, entre
otros, aire, vapor de agua, sodio fundido o sales fundidas, según la
tecnología escogida. En las de vapor de agua, este mueve directamente
una turbina. En los otros, el fluido transporta el calor a un generador de
vapor de agua, con el que se hace funcionar una turbina que mueve al
generador eléctrico.
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8. Durante 2010, WIP ha trabajado en el
diseño de una línea, para la fabricación de los
heliostatos que rodean la chimenea y que tienen
como función la recogida de las radiaciones solares, para
proyectarlas sobre esta.
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9. - 1.5.- ADAPTACIÓN TERRESTRE DE LAS CÉLULAS
ESPACIALES Y CONCENTRACIÓN SOLAR.-
-1.5.1.- LAS CÉLULAS MULTICAPA.-
Consiguiendo apilar distintos materiales, con bandas “prohibidas
diferentes,” ordenándolas de mayor a menor, logramos aprovechar desde los
fotones más energéticos a los menos energéticos, casi todo el espectro
solar.
Usando un número infinito de estas células, en condiciones ideales,
podríamos llegar a rendimientos teóricos del 87%. Con células de Fosfuro y
arseniuro de Indio y Galio sobre germanio, la eficiencia puede llegar a ser
del 36,23%.
Recientemente, Spectrolab, ha asegurado haber concebido una nueva
célula solar, cuyo rendimiento de conversión alcanza la cifra record de
39,2%, en condiciones normales de utilización. Llamada C3MJ +, será
comercializada en el primer trimestre de 2010. http://bit.ly/eNLzld.
-1.5.2.-LA CONCENTRACIÓN.- Es verdad que estas células montadas en
tándem son caras. Pero si sobre la misma célula conseguimos acumular varios
soles (Varias veces la radiación normal que llega a una superficie similar)
estaremos disminuyendo varias veces su precio.
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10. -1.5.3.-LOS MÓDULOS SOLARES.- Están formados por el conjunto de:
las ópticas de concentración (Lentes de fresnel) las células multicapa, los
circuitos electrónicos y los montajes necesarios para aprovechar la energía
eléctrica producida.
WIP ha concebido, diseñado, fabricado, montado
y puesto a punto una de las líneas para la
fabricación en serie para este tipo de módulos
solares, con una capacidad de producción de 27 Mw/año.
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11. -1.5.4.-ORIENTADOS AL SOL.- Para que todo funcione, son
imprescindibles dispositivos que orienten los módulos hacia el sol. La
revista Photon de Octubre 2010 recoge ampliamente los sistemas de
seguimiento comercializados en la actualidad.
Instalación solar realizada por WIP, con seguidores
de dos ejes.
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12. -1.6.-EL FUTURO.-
-1.6.1.-Inmediato.-
Estará centrado en el progreso continuo de las tecnologías existentes. Como
hemos visto, cada una de ellas ha alcanzado un determinado grado de
desarrollo. Deberán progresar hasta su completa madurez, lo que hará
descender significativamente los costes del kwh producido.
-1.6.2.-A medio plazo.-
Generadores Solares Disco-Parabólicos (Alta Temperatura). Consisten en
un conjunto de espejos que forman una figura disco-parabólica en cuyo foco
se dispone el receptor solar en el que se calienta el fluido. El fluido es
calentado hasta 750 ºC y para generar electricidad, actualmente se utilizan
motores Stirling o turbinas Brayton, cuya puesta a punto para la obtención
de precios correctos y duración suficiente, necesitan alguna evoluciones.
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13. Colaborando en esta evolución, WIP desarrolla
un dispositivo capaz de convertir la energía solar
térmica en trabajo, a través de un ciclo
termodinámico regenerativo con compresión y expansión
cíclicas del fluido de transferencia.
Se trata de un motor exotérmico en el que el fluido de
transferencia se mueve entre dos focos a distinta
temperatura. El calor asociado al foco caliente es similar al
asociado al foco frio a través de sencillos y eficaces
elementos que almacenan el calor. http://bit.ly/hvalN5.
-1.6.3.-A largo plazo.-
Son muchas las radiaciones existentes en el espacio. Hoy aprovechamos una
pequeña parte, alrededor de la luz visible.
Si consiguiésemos aprovechar las radiaciones infrarrojas y las ultravioletas
el progreso sería significativo.
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14. Investigadores del Laboratorio Nacional de Idaho, junto con los asociados
en Microcontinuum Inc (Cambridge, MA) y Patrick Pinhero, de la
Universidad de Missouri, están desarrollando una nueva forma de recoger la
energía del sol con una tecnología que podría, potencialmente, costar, solo,
algunos centavos de dólar. Se podría imprimir en materiales flexibles y
sería capaz de generar energía después de la puesta de sol.
Utilizan un proceso especial de fabricación para estampar pequeñas
espirales cuadradas, nanoantenas, sobre una lámina de plástico. Cada espiral
tiene el tamaño de 1/25 del diámetro de un cabello humano.
Debido a su tamaño, la nanoantenas absorben energía en la parte infrarroja
del espectro.
El sol irradia una gran cantidad de energía infrarroja, que se encuentra
parcialmente absorbidas por la tierra y posteriormente puesta en libertad,
como radiación, horas después de la puesta de sol. Estas nanoantenas
pueden captar la energía de la luz solar y el calor de la tierra, con una mayor
eficiencia que las células solares convencionales.
"Creo que realmente estas antenas tienen el potencial de reemplazar a los
tradicionales paneles solares", dice el físico Steven Novack, quien habló
sobre la tecnología en noviembre en la Conferencia Nacional de Ingeniería
Nano en Boston.
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15. Estos minúsculos circuitos absorben la energía al igual que la antena de su
televisión o su teléfono móvil.
El auge de la nanotecnología es lo que realmente hará esto posible." El
equipo prevé que las INL antenas podrán producirse como el papel de
aluminio o plástico en rollos. Hasta el momento, han demostrado, que en el
proceso de impresión de seis pulgadas cuadradas, puede haber más de 10
millones de microantenas
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16. “Estas antenas son buenas capturando energía, pero no son muy buenos a la
hora de convertirla en electricidad", dice el ingeniero Dale INL Kotter . “No
obstante, tenemos una muy prometedora investigación exploratoria en
curso." Kotter Novack. El desarrollo actual está centrado en la manera de
transformar la alta frecuencia de corriente alterna en corriente continua.
Valladolid, Diciembre 2010
WIP
C/Cronos Parcela M4-8
Pol. Ind. La Encomienda
47195 Arroyo de la Encomienda
Valladolid - España
Tel. +34 983 403601 Fax +34 983 401023
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