La revolución fotovoltaica. Energía abundante, barata y limpia

Una fuente de energía segura y abundante para los próximos 6 mil millones de años. Desde el año 2000 el Sol irradia sobre la Tierra cuatro mil veces más energía de la que necesitamos.

De todas las tecnologías de energía solar, los fotovoltaicos son los que ofrecen una mayor promesa de aplicación y aceptación general, debido a que su sencillo diseño, su fácil operación y falta de elementos dañinos para el ambiente, lo hacen una solución viable para eliminar la dependencia del petróleo con un combustible limpio, inagotable y gratuito.

Los fotovoltaicos silenciosamente producen electricidad dondequiera que sean expuestos al sol, y parece que finalmente los gobiernos lo han entendido, en muchos países se destinan cada vez más recursos al desarrollo de los fotovoltaicos para explotar la energía solar.

Los fotovoltaicos son celdas delgadas en forma de obleas, circulares o rectangulares y generalmente fabricadas con silicón y que producen electricidad directamente de la luz del sol.

Estas celdas operan de acuerdo con lo que se llama efecto fotovoltaico (foto=luz; voltaico=electricidad), en este proceso, unos pequeñísimos fragmentos de luz solar, llamados fotones se impactan en la superficie del material semiconductor, el silicón, liberando electrones de éste. Algunos químicos que se agregan a la composición de este material, contribuyen a establecer un camino por donde se liberan los electrones, creando una corriente eléctrica. A través del efecto fotovoltaico, una típica celda solar de 10 centímetros, produce directamente alrededor de 1 watt de corriente eléctrica.

Celdas de silicón

Para fabricar una celda colar se requiere fundir silicón muy puro, y al regresar a su estado sólido se obtiene un cilindro llamado al que se llama lingote. De éste se cortan rebanadas muy delgadas que son tratadas químicamente y moldeadas en su forma final como celdas fotovoltaicas o baterías solares, como se conocen comúnmente. Si se colocan dos cables, en las caras positiva y negativa de la celda, se completa un circuito eléctrico y una corriente eléctrica fluye a través del circuito cuando la celda es expuesta a la luz.

De los rayos solares a la luz de la casa

Para hacer productiva y eficiente la tecnología fotovoltaica, se conecta una serie de celdas en serie o en paralelo, colocándose en un módulo cubierto con cristal. Estos módulos pueden a su vez conectarse mutuamente en filas para formar grandes paneles, hasta completar la cantidad de energía que se necesite.

Las primeras casas con energía solar tienen en sus azoteas orientadas al sur un panel fotovoltaico de 62.5 metros, produciendo 800 kilowatts de electricidad cada mes durante 4 años, aportando el 75 por ciento de la energía necesaria para la vivienda.

Energía solar para electrodomésticos

Debido a que los módulos fotovoltaicos producen corriente directa de electricidad (CD) y a que la mayoría de los aparatos electrodomésticos están equipados y diseñados para funcionar con corriente alterna (CA), la energía producida por las celdas solares debe ser convertida por medio de un inversor.

Estos aparatos convertidores envían la energía solar a un acumulador, al que se conectan los módulos, para enviarle todo exceso de poder que será usado cuando no hay luz del sol.

Bajan los precios y aumenta el uso

A principios del siglo XXI es muy limitado el uso de fotovoltaicos para producir energía eléctrica, debido a que los módulos son caros para ser competitivos frente a los energéticos convencionales. Sin embargo, los costos han bajado considerablemente: cuando se utilizó el primer sistema fotovoltaico por la NASA para poner en órbita satélites espaciales, el precio era de mil dólares por pico watt (un picowatt es la cantidad de electricidad producida por una celda fotovoltaica cuando está disponible la luz del sol), pero en el año 2000 un individuo puede comprar módulos de 7 a 12 dólares por picowatt. Cuando el precio baje a 1 dólar, serán competitivas para la fabricación de módulos fotovoltaicos residenciales. A ese precio, un sistema completo para generar la energía necesaria para una casa, costaría 10 mil dólares, una cantidad aparentemente alta, pero no si se considera que tiene un ciclo de vida de 20 años y un periodo de recuperación de inversión de 10 años.

Módulos más baratos

Los costos de material y fabricación son los dos factores más importantes que influyen en el precio de las celdas. Aunque el silicón es el Segundo material más abundante en el planeta, el que se usa en las celdas debe ser altamente puro; el refinamiento de silicón de alta calidad es un proceso muy costoso.

Para bajar estos costos depende de que los investigadores resuelvan estos problemas del material y la producción de celdas, en la que tiene que ver la eficiencia de éstas, ya que la eficiencia del silicón está calculada en 25 por ciento, en tanto que la mayoría de celdas opera a un 10 por ciento, y si se fabricaran para ser más eficientes, los costos bajarían porque se necesitarían menos para producir la electricidad necesaria.

Los fotovoltaicos y sus aplicaciones

La investigación

Los investigadores modernos concentran sus esfuerzos en dos áreas principales:

Fabricación. Se exploran materiales y métodos, sobre todo en el uso de silicones multicristales y no-cristales en las celdas, además de semiconductores diferentes al silicón. También hay esfuerzos en hallar métodos menos costosos para purificar el silicón al llamado “grado solar”, y procedimientos más eficaces para cortar las rebanadas de los lingotes.

Aplicaciones. La investigación en este campo se dedica a evaluar las diferencias en la instalación de sistemas fotovoltaicos en regiones climáticamente muy distintas, con la construcción de prototipos para mejorar el diseño e integración de convertidores de corriente alterna más funcionales.

Hoy en día existen numerosas aplicaciones en fotovoltaicos, generando energía dentro y fuera de los sistemas convencionales de , principalmente para uso agrícola y repetidoras de radio y televisión, además de los usos para dar energía a los satélites espaciales. También proporcionan electricidad a cabañas, poblados y otros sitios aislados donde los costos en esta tecnología es menor al tendido de cables o la producción de energía con la combustión de diesel.

Agricultura

Las aplicaciones agrícolas son muy amplias. Con invernaderos solares pueden obtenerse mayores y más tempranas cosechas; los secaderos agrícolas consumen mucha menos energía si se combinan con un sistema solar, y, por citar otro ejemplo, pueden funcionar plantas de purificación o desalinización de aguas sin consumir ningún tipo de combustible. El bombeo de agua para riego ha sido utilizado desde principios del siglo XX.

Satélites espaciales

Las celdas solares, dispuestas en paneles, ya producían electricidad en los primeros satélites espaciales. Actualmente se perfilan como la solución definitiva al problema de la electrificación rural, con clara ventaja sobre otras alternativas, pues, al carecer los paneles de partes móviles, resultan totalmente inalterables al paso del tiempo, no contaminan ni producen ningún ruido en absoluto, no consumen combustible y no necesitan mantenimiento. Además, y aunque con menos rendimiento, funcionan también en días nublados, puesto que captan la luz que se filtra a través de las nubes.

La electricidad que así se obtiene puede usarse de manera directa (por ejemplo para sacar agua de un pozo o para regar, mediante un motor eléctrico), o bien ser almacenada en acumuladores para usarse en las horas nocturnas. Incluso es posible inyectar la electricidad sobrante a la red general, obteniendo un importante beneficio.

Utilidades de urbanización

La tecnología fotovoltaica puede usarse para dar energía eléctrica a hogares y alumbrado público, operar televisiones, radios, etcétera. En los países en desarrollo el ahorro en energía intramuros permite la expansión de la pequeña industria urbana sin perjudicar al ambiente. A mediados de los años 90 había 100 mil sistemas residenciales fotovoltaicos independientes, armados típicamente con un módulo de 1 kilowatt, y que incluía los paneles de celdas, baterías, controladores de carga y adaptadores para luces, radio/TV y refrigeración.

Poblados rurales

En las naciones en desarrollo ha sido un éxito la aplicación de programas piloto en tecnología fotovoltaica para dar electricidad a cientos de miles de poblaciones rurales o aisladas que no tenían acceso a la red eléctrica convencional. Las plantas comunitarias de energía solar proporcionan la infraestructura energética que se requiere para desarrollar actividades productivas además de dar servicio a los hogares. Comunicaciones

Los dispositivos fotovoltaicos han dado energía a sistemas de comunicación remota, como las repetidoras de microondas, transmisores y receptores de radio y televisión, sistemas telefónicos y pequeños aparatos de radio, desde poco después de la mitad del siglo XX, facilitando una energía confiable de bajo mantenimiento a esas telecomunicaciones remotas.

En el futuro

Al bajar los costos del sistema fotovoltaico se expanden las posibilidades de uso, y los hogares podrán tener sus azoteas con módulos de celdas solares, como parte integral de un diseño urbano equipado para aprovechar los beneficios del sol.

Estos sistemas fotovoltaicos para las casas estarán conectadas tanto a las redes de energía eléctrica convencional como a las casas mismas. De esta manera los excedentes de energía serían enviados a esta central para ser acreditados al abonado durante la noche o días nublados. Este despliegue permite que grandes conjuntos habitacionales y comunidades de negocios adopten y compartan instalaciones localizada en un sitio central. Debido a que las necesidades de mantenimiento para los fotovoltaicos son generalmente bajas, los operadores y equipo auxiliar tienen una presencia mínima, recortando los costos administrativos y de operación.

La visión de Ralph Nansen

En su libro Poder solar: la solución global para la próxima crisis de energéticos, el científico aeroespacial, Ralph Nansen, puso las bases del desarrollo práctico de la energía solar para satisfacer grandes necesidades de la sociedad del siglo XXI, apuntando directamente hacia la independencia total de los combustibles contaminantes derivados de los yacimientos fósiles.

Nansen revela una grandioso pero elegante solución a los problemas de un mundo sediento de Fuentes de energía más eficientes y limpias, y trazó un plan para capturar los rayos del sol en el espacio, donde el astro brilla 24 horas al día los 365 días del año, utilizando satélites de tecnología solar para dotar al planeta de electricidad de bajo costo, no contaminante y en gran abundancia, hasta que el sol deje de brillar.

Para lograrlo, el plan de Nansen implica la construcción de un satélite para captar la energía del sol, que se vería en el espacio como un gran aeroplano de forma rectangular recubierto de celdas solares sobre 10 kilómetros cuadrados de superficie. Este enorme artefacto sigue al sol en su curso alrededor del mundo, 35,680 kilómetros sobre el ecuador en una órbita geosincrónica, lejos de la sombra de la tierra. La exposición del satélite a la luz solar es eclipsada por sólo unas cuantas horas cada año, al pasar a través de las sombras de los equinoccios de primavera y verano. La energía almacenada por las celdas solares en el satélite es cinco veces más grande que la que podría recolectarse en la tierra.

La magia de este armatoste especial dando vueltas alrededor de la Tierra es el silencioso e invisible rayo de energía que fluye desde su cabezal hacia un solo punto en el globo terráqueo. Este haz de energía contiene miles de millones de watts de energía de radio-frecuencia, suficiente para dotar de electricidad a una ciudad de un millón de habitantes.

Los sistemas de energía dinámico solares (SD, Solar Dynamic) concentran la luz del sol en un receptor, desde donde la energía es transferida a un motor térmico para convertirlo en electricidad.

Poder solar desde el espacio

Se trata de un concepto en el cual la energía solar es colectada en órbita y transferida hacia la Tierra, donde estaciones receptoras que brindan servicio de electricidad, ambientalmente benigna, con un positivo margen de pronta recuperación de costos.

Para ello es importante satisfacer los siguientes objetivos para hacer efectiva esta tecnología: 1) Proveer niveles de energía muy altos a la fuente de poder 0para maximizar la electricidad que se distribuye en la Tierra 2) Uso de materiales muy ligeros para reducir los costos de lanzamientos 3) Debe ser de muy larga duración, para minimizar las necesidades de mantenimiento y reparación. Los sistemas solares dinámicos ofrecen significativos beneficios a los satélites de energía sola. La alta eficiencia de la conversión ayuda a reducir el área receptora de la luz del sol y minimizar la estructura completa del satélite, facilitando los requerimientos de ensamble y control de altitud.

Fotovoltaicos integrados a la construcción

Al incorporarse estas tecnologías a la estructura de casas, edificios e instalaciones públicas, se abren las posibilidades de mercado para los países con necesidades de energía barata y a bajo costo, al reemplazar los materiales de fachadas y azoteas, evitando los altos costos de las estructuras adicionales de soporte. Estos sistemas incluyen módulos cristalinos integrados en los techos y utilizados como “pestañas” en las ventanas, y módulos de vidrio sobre vidrio para ser usadas como alumbrado público y paredes de pantalla, y módulos de silicones amorfos, tanto opacos como semi-transparentes para sistemas de cortina mural.

Sistemas híbridos de energía

Estos dispositivos incluyen típicamente alguna combinación de fotovoltaicos, con generadores eólicos o a base de diesel, junto con electrónica de control y baterías de almacenamiento. La utilidad de un sistema híbrido se explica por el máximo uso posible de las fuentes energéticas existentes (viento y sol), sirviendo un elemento crítico en telemetría y las telecomunicaciones, además de reforzar el equipo existente, eliminando las tareas sucias de un motor de diesel.

Anuncios

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s

A %d blogueros les gusta esto: