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Energía Solar

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El primer reporte sobre el efecto fotovoltaico, se debe al científico francés Henry Becquerel, quien observó en 1839 una fuerza electromotriz o un voltaje que se originaba al iluminar electrodos de platino u oro inmersos en una solución alcalina o ácida. El primer informe del fenómeno observado en un sólido se debe a W. G. Adams y R. E. Day en 1877, quienes observaron el efecto en una pequeña barra de selenio en cuyos extremos habían fundido electrodos de platino. Durante los 30 años siguientes, la aplicación práctica la constituyó el medidor de luz para fotografía y como sensor de luz en instrumentos ópticos.

Albert Einstein, en 1905, escribió el trabajo científico con la teoría que explicaba este fenómeno, trabajo por el cual recibió el premio Nobel de Física en 1921. Este es un fenómeno cuántico y muestra que la energía contenida en la luz se entrega en paquetes de energía o cuantos.

El fenómeno que evidenció el comportamiento de la luz fue llamado efecto fotoeléctrico, y consiste en que algunos materiales son capaces de absorber energía solar en forma de fotones y luego esta energía se emite en forma de electrones, generando una corriente eléctrica. Este fenómeno y su teoría constituyen un pilar de la mecánica cuántica, que estudia los fenómenos a escala atómica (tales como la interacción entre la materia y la luz), pues evidencia, de manera dramática, la dualidad onda-partícula de la luz. Hasta entonces, había teorías que consideraban la luz como un fenómeno ondulatorio y otras que la consideraban un fenómeno corpuscular. Pero este fenómeno muestra la naturaleza dual de la luz: a veces onda, a veces partícula.

La radiación incidente sobre la superficie fotosensible puede ser electromagnética (luz infrarroja, visible, ultra violeta, rayos X o gamma), o radiación de partículas cargadas (electrones, protones, partículas alfa o beta).

La luz incidente sobre la superficie de ciertos materiales (el más usado es el silicio) da lugar a una corriente de electrones (a veces denominados fotoelectrones en consideración a su origen).

El flujo de electrones es una corriente continua unipolar (que no cambia de sentido), pero cuya intensidad es proporcional a la frecuencia (el color) de la luz incidente y es función de la energía de ligazón de un electrón a su red atómica, siendo este último un parámetro característico del material.

Una celda solar comercial es un sándwich de silicio dopado (mezclado) con fósforo (lado negativo) y boro (lado eléctricamente positivo).

El material que compone una celda solar debe ser semiconductor y esta debe estar cubierta por una rejilla capaz de formar un campo eléctrico positivo por un lado y negativo por el otro.

Cuando una celda es expuesta a la luz solar se debe exponer el lado negativo de ésta, y para que exista el debido flujo de electrones los fotones que inciden sobre la celda deben tener una energía mayor que la necesaria para liberar un electrón que compone el material de la celda.

Debe ocurrir que la energía de los fotones es mayor que la energía de ligazón de los electrones al material, que exista una juntura semiconductora que impida la recombinación de portadores positivos y negativos y que la vida media de los portadores permita sostener un flujo de corriente a través de una carga útil.

Para la fabricación de paneles solares se usa el silicio, que es el componente principal de la sílice (combinación de silicio y oxígeno que abunda en la naturaleza y que forma el cuarzo, el cristal de roca y otros) de las arenas de las playas. Luego de depurar el silicio, se fabrican bloques de silicio monocristalino (depende de las técnicas de fabricación), de los cuales se obtienen obleas que son dopadas con boro y luego con fósforo. Provistas de contactos eléctricos adecuados, se conectan con otras celdas y así se crean los grandes paneles o módulos solares de uso comercial e industrial.

Dependiendo de las técnicas y la calidad de fabricación (lo que se refleja en los costos), una celda solar con un área de unos 12 x 12 cm puede entregar aproximadamente 0,5 voltios y hasta un amperio de corriente eléctrica (una ampolleta de 100 watts funciona con 220 voltios y casi 0,5 amperios de corriente). Los paneles son recubiertos con vidrios especiales que pueden resistir el impacto del granizo, y son enmarcados en una estructura de aluminio, todo lo cual proporciona un soporte mecánico que facilita su manejo e instalación.

Para asegurar un buen funcionamiento, se debe mantener limpia la superficie del panel, para aprovechar el máximo de luz solar en el proceso. El rendimiento de celdas solares de más reciente desarrollo supera el 30%, comparado con el 15% de muchos generadores eléctricos. El uso de paneles solares depende en gran medida de la relación costo/beneficio. Se considera una solución sólo cuando resulta más barata que el uso de otras formas de energía. Sin embargo, aquellos lugares en los cuales no hay acceso al uso de otras energías, el uso de energía solar es una excelente alternativa.

En Chile la empresa Siemens, a través de su división de Energía Solar, ha implementado proyectos que permiten el uso de artefactos eléctricos domésticos en hogares alejados de las redes de distribución eléctrica normal. También es posible usar la energía solar y complementar una red de energía eléctrica convencional. A pesar de que la corriente que proporciona una celda solar es corriente continua (como la de las pilas), es posible hacer la conversión a corriente alterna, así como también es posible almacenar en bancos de baterías la cosecha de electricidad solar, de modo que se pueda aprovechar por la noche.

Las celdas solares han sido usadas con éxito desde el inicio de la era espacial, como fuentes de energía para satélites y naves espaciales. También existen robots que funcionan con energía solar, y muestran un comportamiento fototrópico: buscan la luz y huyen de las sombras.

 celdas Aplicaciones de Celdas Solares. 
Esta figura representa algunos de 
los usos que ha dado el ser humano 
a las celdas fotovoltaicas. 
Calculadoras, faros, naves espaciales 
y robots son algunas de las máquinas 
que pueden ser alimentadas gracias a la
energía solar. 

Fuente:Roberto Avilés