Luz solar y electricidad

Por Idalberto Chávez  (Inv. Grupo de Energía Solar, CITMA, Ciudad de La Habana)

Durante millones de años la luz proveniente del Sol que llega a la Tierra, en forma de radiación electromagnética, ha hecho posible la existencia y el desarrollo de la vida en el planeta.

Gracias al contenido energético que tiene la energía solar ha permitido la evolución y el desarrollo de los diferentes sistemas de la naturaleza, como el ciclo del agua, por ejemplo.

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El Sol es la estrella más cercana a la Tierra, es el centro de nuestro sistema planetario e irradia grandes cantidades de energía al espacio, de la que una pequeña fracción llega hasta nosotros, sin embargo, es mayor que toda la energía generada en la Tierra. La potencia total es del orden de 1023 kW, pero la interceptada por la Tierra es del orden de 10 14 kW.

La radiación solar al llegar a la Tierra y atravesar la atmósfera es parcialmente absorbida y dispersada en una cantidad que varía en dependencia del espesor efectivo de la atmósfera, de su composición, turbidez, presencia de nubes o no y de las características de estas. Por esto se toman como referencia, para los usos terrestres de la radiación solar, las características que ella tendría en ausencia de atmósfera y a partir de aquí poder analizar los efectos que ésta causa sobre la radiación solar.

Como el espesor de la atmósfera terrestre (cerca de 1 000 km) es despreciable con relación a la distancia Tierra-Sol (aproximadamente, 1,5 x 108 km), las características de la radiación solar en la Tierra, en ausencia de atmósfera, no se diferencian de las que realmente pueden medirse en el espacio exterior, por ejemplo, en un laboratorio espacial.

A causa del movimiento de la Tierra alrededor del Sol, según una órbita elíptica, la distancia a este último varía ligeramente, lo cual influye en las características de la radiación recibida. Por tal razón, los datos de referencia de la radiación solar, que son la constante solar y la distribución espectral, se establecen para las condiciones de distancia media Sol-Tierra.

Se denomina constante solar a la energía que incide por unidad de área y en la unidad de tiempo sobre una superficie orientada normalmente a la dirección de propagación de la radiación solar y situada en el exterior de la atmósfera terrestre. Se ha calculado su valor en 1 367 W/m2 con un error estimado de ± 1,5 %.

En la superficie de la Tierra en un día claro, sin nubes a la hora del mediodía y con el Sol en el cenit se reciben 1 000 W/m2 con un error estimado de ± 1,5 %.

La luz solar que nos llega tiene una composición energética y de longitudes de onda que corresponde a diferentes zonas del espectro electromagnético, tales como: la correspondiente a la luz visible (conformada por los 7 colores que se observan en el arcoiris); la luz ultravioleta, responsable de la quemadura de la piel cuando nos exponemos por largo tiempo al Sol y la luz infrarroja, encargada de la radiación de calor. Por esta razón es importante conocer la forma en que se distribuye la densidad de potencia de la radiación para cada longitud de onda y que se conoce como distribución espectral de la radiación solar.

Algunos equipos solares son selectivos en su funcionamiento en relación con la longitud de onda de la luz incidente, por ejemplo, las celdas solares tienen una gran dependencia de la longitud de onda que esté incidiendo sobre ellas, para la menor o mayor generación de electricidad. La distribución espectral es modificada por la presencia de diferentes componentes de la atmósfera terrestre, como son: aerosoles, ozono, temperatura del Sol, polvo, dióxido de carbono, etc.

En la figura 1 se representa gráficamente la distribución espectral estándar dada por la NASA a
1,5 AM (masa de aire sobre la superficie de la Tierra). Aquí puede observarse la existencia de un máximo pronunciado para longitudes de onda cercanas a
0,46 µm (1 µm = 10 –6 m) y que prácticamente 70 % del total de la irradiancia cae en el intervalo de 0,3 a 2,5 µm, que es precisamente el rango aprovechable para las aplicaciones fotovoltaicas.

Fig:1

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Gráfico de Irradiancia Solar Espectral según NASA en la Tierra,

AM 1,5 y radiación solar de 1000 W/m2.

 

A nivel de la superficie terrestre se pueden distinguir dos componentes de la radiación solar:

Componente directa: Es la radiación solar, atenuada por la atmósfera, que llega a la superficie de la Tierra sin cambiar de dirección.

Componente difusa: Es la radiación que llega a la Tierra después de interactuar con la atmósfera en tal grado que pierde su dirección original

por reflexiones, absorciones, emisiones, refracciones, etc. Esto es debido a los componentes atmosféricos que en parte absorben o dispersan la luz solar (ozono, oxígeno, CO2, vapor de agua, nitrógeno y aerosoles).

Los efectos de dispersiones y absorciones dependen además de la longitud recorrida por los rayos solares a través de la atmósfera y dan como resultado que toda la bóveda celeste parezca azul, debido a que la luz ultravioleta y la de este color tienen preferencia en la dispersión provocada por el nitrógeno.

En los días muy claros y libres de nubes aproximadamente 30 % de la radiación extraterrestre se pierde por reflexión hacia el espacio y por dispersión y absorción en las capas de la atmósfera. El ozono absorbe el ultravioleta y el CO2 y el vapor de agua el infrarrojo cercano y medio.

Además ocurren dispersiones debido a partículas mayores, tales como: gotas de agua y aerosoles, que unido al incremento del recorrido de la radiación solar conlleva que la bóveda celeste parezca roja a la salida y puesta del Sol.

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La energía solar puede ser utilizada entre otras cosas para la producción de calor y electricidad

Existe una estrecha relación entre la luz y la electricidad. Desde finales del siglo pasado se conoce el efecto fotoeléctrico, el cual consiste en la generación de electricidad cuando la luz incide en un material adecuado y emisión de luz a partir de una señal eléctrica. Por la fundamentación teórica de este fenómeno, Albert Einsten recibió el Premio Nobel de Física en 1912.

El panel fotovoltaico es el principal componente del subsistema de captación y conversión de la energía de la radiación solar en electricidad. Él está compuesto por la interconexión de módulos fotovoltaicos, que a su vez están formados por un conjunto de celdas o células solares.

Los generadores fotovoltaicos presentan una serie de ventajas, entre las que se encuentra, su facultad para suministrar electricidad de forma ininterrumpida durante su periodo de vida útil con un costo de operación y mantenimiento prácticamente nulo, sin residuos contaminantes.

La conversión se realiza directamente sin pasar por otras formas de energía intermedias.

Las celdas solares fotovoltaicas son dispositivos que convierten la luz del Sol directamente en electricidad por medio del llamado "efecto fotovoltaico".

El efecto fotovoltaico se define como la aparición de una diferencia de potencial (voltaje) entre los terminales de un material cuando este es iluminado.

Este fue observado por primera vez en 1896 por Becquerel y en los inicios de la década de los cincuenta los científicos de los Laboratorios de la Bell Telephone de Estados Unidos, los mismos que desarrollaron el primer transistor, construyeron la primera celda solar de silicio con una eficiencia aprovechable (6 %).

Las celdas solares han sido utilizadas como fuente de electricidad de los satélites y naves espaciales donde su tecnología de fabricación se perfeccionó. A partir de la década de los setenta se industrializaron para aplicaciones terrestres como alternativa para la producción de electricidad frente a las fuentes convencionales de energía.

Las sustancias según su comportamiento de conducción del calor y la electricidad, se clasifican en: conductores, no conductores y semiconductores.

Conductores son aquellos que, como su nombre lo indica, conducen el calor y la electricidad. Por ejemplo, metales como el cobre, el aluminio y el hierro, donde la sustancia está estructurada de tal forma que los enlaces entre los átomos dejan electrones en la llamada capa de conducción que pertenece a todo el enrejado atómico y que son los responsables del transporte de la energía calorífica y eléctrica.

No conductores, tales como la madera, el vidrio, la goma y el plástico, por solo citar algunos, donde los átomos están enlazados de tal forma que los electrones no pueden pasar a la capa de conducción y la cantidad de energía que se requiere para romper los enlaces es muy alta.

Semiconductores son aquellos que bajo determinadas condiciones son capaces de conducir el calor y la electricidad, ya que los electrones de la capa de valencia que conforman los enlaces atómicos covalentes en la estructura de la sustancia pueden pasar a la capa de conducción, debido a que la cantidad de energía que se requiere es pequeña comparada con los no conductores.

En estos se verifica el efecto fotovoltaico con determinado rendimiento que los hace apropiados para la conversión de la luz solar en electricidad.

Una celda solar está estructurada básicamente como un diodo semiconductor. El material más común y utilizado en la actualidad es el silicio cristalino cortado en láminas muy delgadas de sólo 0,3 a 0,4 mm de espesor que contienen impurezas del elemento boro (tipo p o aceptor de electrones), ya que al sustituir un átomo de silicio que tiene 4 electrones en la capa de valencia (la que forma los enlaces con los átomos vecinos en el enrejado cristalino) por uno de boro con 3 electrones, en la capa de valencia se crea una zona espacial con menor densidad de electrones y a las cuales se les introduce en un horno especial a altas temperaturas (800-1 200°C) impurezas de fósforo, (donor de electrones tipo n), ya que tiene 5 electrones en la capa de valencia y crea una zona espacial con mayor densidad de electrones en una profundidad de 0,001-0,002 mm de la cara anterior (la que se expone a la luz solar).

De esta forma se crea una unión pn que genera un intenso campo eléctrico permanente y que separa estas dos zonas con cargas eléctricas opuestas.

Por diferentes métodos se colocan sobre ambas caras contactos metálicos para la entrega de corriente: Sobre la cara anterior se colocan los mismos en forma de rejilla que cubre como máximo 10 % de la superficie total de la celda solar para dejar pasar la mayor cantidad de radiación solar.

Cuando llegan rayos solares a la zona próxima a la unión se rompen los enlaces electrónicos de la red atómica y se forman pares electrón-hueco que son separados por la acción del campo eléctrico interno. Los electrones se desplazan hacía la capa n y los huecos

(zona espacial positiva deficitaria en electrones) hacia la capa p. Así se crea una "fototensión" opuesta y de mayor valor que el campo eléctrico interno.

Sí se conecta el contacto metálico superior con el inferior a través de un conductor externo (celda en cortocircuito), los electrones van de la capa n a la p dejando la energía que le dio el fotón de la luz solar en la carga exterior y recombinándose con los huecos en el contacto metálico posterior según se ilustra en la figura 2.

Fig:2

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                                    Estructura básica de una celda solar de silicio monocristalino

La tensión máxima de una celda de silicio cristalino iluminada, en dependecia de la calidad del material empleado y de la tecnología utilizada para la fabricación del dispositivo es de 0,5 a 0,6 V y la corriente máxima, en función del tamaño del área de la celda comercial actual, puede ser de 1 a 5 A.

En relación con los materiales y los procesos de fabricación, las celdas solares se clasifican en:

Celdas de silicio:

–Monocristalino.

–Policristalino.

–Amorfo.

 

Celdas de compuestos de los elementos químicos de los grupos III - V.

Celdas de multiunión.

Otras.

En el caso de las celdas de silicio, que son las más utilizadas, el material de partida es la arena sílice, material muy extendido y utilizado en diferentes aplicaciones, por ejemplo, en la construcción de edificaciones.

El problema radica en lo caro que resulta la producción de silicio semiconductor a causa del considerable trabajo de purificación de la arena para obtener el silicio, la fabricación de los monocristales o policristales, su corte en láminas finas y el proceso de fabricación del dispositivo denominado celda solar. La eficiencia estable de este tipo de celdas producidas comercialmente está entre 16 y 18 %.

Las celdas de silicio amorfo o de capa delgada se obtienen por deposición de películas de 0,001 mm de espesor de silicio sobre una base inerte, que puede ser vidrio, cerámica o metal con una estructura amorfa (no cristalina) y con la cual se disminuye considerablemente el gasto del material semiconductor; aunque la eficiencia actual para celdas comerciales no sobrepasa 10 %.

En la actualidad se están desarrollando otras tecnologías para la fabricación de celdas solares de arseniuro de galio (GaAs), teluro de cadmio (CdTe) y diselenuro de indio y cobre (CuInSe2). Cuyas eficiencias están en el orden de 7 a 8 %, pero con costos de producción menores que los del silicio.

Hasta aquí solo nos hemos referido al dispositivo que convierte la luz solar en energía eléctrica denominado celda o célula solar fotovoltaica, el cual produce unos valores de tensión y corriente directa que por sí mismos no son aprovechables desde el punto de vista práctico para las necesidades de energía eléctrica que corrientemente utilizamos.

Para aprovechar el uso de las celdas es necesario conectarlas eléctricamente en una unidad denominada módulo o panel solar fotovoltaico que además las proteja del ambiente y facilite su uso, así como la utilización de otros componentes que permitan la acumulación, dada la intermitencia de la fuente primaria de energía (luz solar), y la distribución de la energía eléctrica de forma adecuada a las necesidades del hombre y que serán objeto de análisis en próximos trabajos.