La generación de electricidad con el sol


Por
Por Luis Bérriz Pérez*

Crónicas de un círculo de interés sobre el desarrollo energético sostenible (XI).

 


El 31 de marzo pasado realizamos el círculo de interés por primera vez en el polígono de CUBASOLAR, que está en la azotea de mi casa. Con anterioridad siempre nos reuníamos en el parque, bajo la sombra del álamo que era ya nuestro lugar preferido. Recuerdo que ese día pasamos mucho tiempo explicando la función de los diferentes equipos que se encontraban en el polígono y no pudimos terminar el tema programado, que era el secado solar de frutas y vegetales. Tuvimos que dejar muchas cosas para el encuentro siguiente.
Me acuerdo también que los muchachos se interesaron por las microalgas, por el uso del viento y por el panel fotovoltaico que vieron para producir electricidad con el sol. El interés aumentó cuando supieron que toda la electricidad que yo consumía en mi oficina era producida por aquel panel, y si en algún momento se iba la luz, ya sea de día como de noche, ni siquiera me daba cuenta.

Como en aquella oportunidad no teníamos tiempo para explicar con detalles cada una de las instalaciones, les prometí que efectuaríamos encuentros especiales para decirles todo lo que quisieran saber.

En los encuentros anteriores habíamos dado preferencia a enseñar el funcionamiento de diferentes equipos que pudieran ser construidos por los muchachos. Enseñar cómo hacer las cosas es muy importante para la formación de una mentalidad que ayude al desarrollo sostenible. Los miembros del círculo han aprendido a hacer relojes solares, calentadores de agua, secadores de frutas y vegetales, cocinas solares, destiladores de agua salada y salobre, potabilizadores de agua, todo esto utilizando la energía solar, y les queda por aprender todavía a construir molinos de viento, bombas de soga, arietes hidráulicos, sifones y otros sencillos equipos que pueden ayudar a satisfacer las necesidades energéticas de la población con independencia del petróleo importado. Han aprendido también algunos conceptos básicos de la radiación solar y la física ambiental, necesarios para comprender las posibilidades del aprovechamiento de la energía solar en sus diversas manifestaciones.

No habíamos querido tocar el tema de los paneles fotovoltaicos pues no podemos en la práctica construirlos nosotros mismos, ya que para ello se requieren condiciones especiales. Podemos, sin embargo, enseñarles los principios de su funcionamiento y principalmente algunas normas o reglas que se deben cumplir para garantizar su uso eficiente. Así, cuando se empiecen a vender en las tiendas y los puedan instalar en sus casas, ya tendrán este conocimiento por adelantado.

Era el segundo sábado de junio y, a la vez, el penúltimo encuentro del curso escolar. Faltaba justamente una semana para el solsticio de verano, o sea, el día más largo del año, y la única forma de soportar dos horas reunidos era bajo techo, o bajo la sombra de un buen árbol. Como es natural, escogimos la sombra de nuestro álamo.

Unos días antes, preparamos algunas pancartas que consideramos importantes para la explicación, pues el tema era difícil. A las 10 menos cuarto Barrera y Julito salieron hacia el árbol con los medios audiovisuales, entre ellos un módulo fotovoltaico y una mesita. Amarraron en el árbol las pancartas y cuando estaban terminando, empezaron a llegar los muchachos. A las 10 en punto yo llegué con una celda solar y un medidor de corriente eléctrica llamado multímetro.

—¡Buenos días! —
contestaron a coro.
—Siéntense donde quieran y puedan ver estas pancartas —les dije.
El círculo estaba bastante concurrido, por encima de lo normal. De los muchachos faltó solo Yanisleidy, pero había tres personas adultas: la tía de Yusbán, que es profesora de Física del preuniversitario; la mamá de Marianita, ingeniera eléctrica, y Andrés, el papá de Camila, que cada vez que viene a La Habana hace lo posible por participar pues dice que lo que aprende aquí, después lo enseña en La Maya.

—Bien, vamos a empezar —continué. —Hoy vamos a tratar sobre la producción de electricidad con el sol mediante los paneles fotovoltaicos, como los que vimos en el polígono de CUBASOLAR. Ustedes vieron que en este espacio no falta nunca la electricidad. Durante todos estos años hemos demostrado que la instalación de paneles solares fotovoltaicos es una solución de fondo económicamente ventajosa para el suministro de electricidad a escuelas, consultorios médicos de la familia, salas de televisión y video, círculos sociales, así como a viviendas de campesinos en lugares aislados, normalmente de difícil acceso y alejados de la red eléctrica nacional. También para el suministro de electricidad a sistemas de abastecimiento de agua, tanto para riego como para uso doméstico. Pero lo principal es que ya la producción de electricidad con paneles fotovoltaicos en sistemas acoplados a la red eléctrica nacional es económicamente ventajosa, en comparación con la producción en plantas termoeléctricas consumidoras de petróleo, y mucho más económica que la producida en centrales nucleares. Y lo principal, cuando usamos las fuentes renovables de energía no contaminamos el medio ambiente y no contribuimos al cambio climático que pone en peligro la vida en nuestro planeta. —El cambio climático es real, ya se nota —dice Camila y continúa: —Y si sube un solo metro el nivel del mar, no sé qué van a hacer muchas islitas, y también nosotros tendremos que prepararnos pues vamos a perder muchas playas y terreno.

—Y si podemos resolver el problema con la energía solar
, ¿por qué no lo hacemos?
—pregunta Miguelito.

—Ese es un tema para otro círculo de interés que algún día trataremos —les dije, y continué: —Ahora, ¡fíjense bien en esta pancarta! Aquí está representada una celda solar como esta que tengo en la mano, solo que está ampliada para poder explicar mejor.
Levanté la celda solar que llevé para que todos la vieran.
Vayan pasando de mano en mano esta celda y mírenla bien. Sujétenla con cuidado pues es una lámina de cristal de silicio. ¡Pero no dejen de atender!

Y se la di a Yamila que era la que estaba más cerca de mí (Fig. 1).



Fig. 1. Esquema de la celda solar.

—Fíjense de nuevo en la pancarta. Aquí en el centro está la celda solar. Vean que tiene dos capas: la de alante por donde le llegan los rayos solares formados por fotones. Oigo algunos murmullos y digo: —¡Esperen! Déjenme terminar. Después explico lo que son los fotones —y repito—, la que está delante o capa con carga positiva y la de atrás o capa con carga negativa. Dentro de la celda se mueven los electrones y producen la corriente eléctrica. Vean aquí este bombillo iluminado con energía solar.
Todos quedaron atentos.

—Vamos a ver ahora lo de los fotones. Acuérdense que toda materia, ya sea un sólido como esta mesa, un líquido como el agua o un gas como el aire, está compuesta de partículas elementales diminutas, tan pequeñitas que es imposible verlas, llamadas protones, neutrones y electrones. Estos tres elementos componen el átomo. Acuérdense también que la corriente eléctrica es el movimiento de los electrones en una dirección determinada. Pues bien, toda radiación, ya provenga del sol o de la luz de una lámpara, está compuesta por corpúsculos o partículas más pequeñitas todavía llamadas fotones.
No sé si estaban entendiendo o no, pero por lo menos ahora no se oyeron murmullos.
Me vuelvo a la pancarta y digo: —Aquí está la celda. ¡Fíjense bien! Cuando le llega la radiación solar, los fotones de la luz penetran en la celda, empujan los electrones de esta parte izquierda hacia la derecha y provocan una corriente eléctrica. Convierten esta celda como si fuera una pila eléctrica, como las que usamos en las linternas y en los radios. Bueno, muchas cosas trabajan con pilas. En algunos lugares a esta celda la llaman «pila solar».
Todos continúan en silencio.

—Como ustedes conocen, la energía eléctrica se caracteriza por dos parámetros fundamentales: la diferencia de potencial, llamada también tensión o voltaje, y la intensidad o amperaje.
En ese momento oigo un murmullo, y por la cara de los muchachos me doy cuenta de que no están entendiendo nada, o muy poco, de lo que digo. Pero a la vez veo que viene Rosa con un carrito, y al parecer trae la merienda. No supe si el murmullo era porque no entendían, o porque tenían hambre.
Eran las 11 menos 10 de la mañana. Aprovechamos para un descanso y merendar. El calor era casi insoportable y esa limonada fría no tenía precio. Además, no hay nada como un pedazo de pan con mayonesa y una limonada con azúcar prieta para «recargar el cuerpo de energía». Pasados 10 minutos, continuamos.

—¡Fíjense bien en este concepto! «Energía es la capacidad que tiene algo o alguien para realizar un trabajo». Si tomo esta hoja y hago una pelota con ella y se la tiro por la cabeza a alguno de ustedes, no pasa nada. Pero si la pelota es como la de beisbol, sí les va a doler. Pero si la tiro con mayor velocidad, les duele más, o sea, la energía de la pelota depende de dos parámetros: la masa y la velocidad. A esa energía se le llama cinética, porque es relativa al movimiento, a la velocidad.
Una breve pausa.


Fig. 2. La eficiencia energética de una máquina o un sistema
es la relación entre la energía útil que entrega y la energía total que recibe.

—Ahora, si cojo ambas pelotas, las pongo encima de sus cabezas con una separación de una cuarta, o sea, a esta distancia —les señalo la distancia entre las puntas del dedo meñique y el pulgar de mi mano abierta—, y las suelto, la de papel casi ni la sienten; sin embargo, la de beisbol, la van a sentir bastante. Pero si subo las pelotas a dos metros y las suelto, la de beisbol les puede hacer un buen chichón. O sea, en este caso también la energía de la pelota depende de dos parámetros: la masa y la altura. A esa energía se la llama potencial.

—¿Quién vive aquí en un edificio de 5 pisos con tanque de agua en la azotea?

—¡Yo! —exclamó Miguelito.
—¡Yo! —añadió Raulito.

Miguelito y Raulito viven en el mismo edificio, solo que uno en el quinto piso y el otro en el primero. Miguelito es el nieto del abuelo Paco, que con sus 88 años sigue siendo el alma del círculo de interés. Ahora está pasando un período de convalecencia de un principio de neumonía que le afectó al parecer en el viaje de regreso de Santiago, y le han mandado reposo absoluto. La semana pasada lo fui a ver y lo encontré mucho mejor, pues es muy disciplinado. Me dijo: «En siete días estoy de nuevo en la calle en la pelea». Han pasado solo cuatro. Raulito es el hijo de Rosa, la presidente del CDR, muy querida por todos por su sencillez, laboriosidad y deseos de ayudar a todos. Trabaja de maestra en una escuela primaria y no sé de dónde saca el tiempo para dedicarle al CDR, pero es el mejor de la zona.

—Bien —continúo—, si ustedes abren una llave de agua en la casa de Miguelito, el agua sale con determinada fuerza, pero si la abren en la casa de Raulito, la fuerza es mucho mayor. Mientras la casa está más abajo, el agua sale con más energía.
En la casa las zapatillas no duran nada y tenemos que tener cerrada la llave del inodoro, porque si no, nos quedamos sin agua —comentó Raulito.

Fíjense —continué sin hacer alusión a lo que dijo Raulito—, el agua en la azotea está en reposo. Tiene energía potencial. Mientras mayor es la diferencia en altura entre la llave que se abre y el tanque, mayor es la energía potencial. El agua que sale de la llave con velocidad, tiene energía cinética. O sea, la energía potencial del agua se convirtió en energía cinética. Ahora bien, cuando tratamos de la energía que tiene el agua, la llamamos energía hidráulica.

Hace una semana salió por televisión la hidroeléctrica de El Guaso —comentó Maritza.
Yo vivía al lado de la hidroeléctrica más vieja de Cuba, la de El Piloto, en Pinar del Río —dijo, con mucho orgullo, Ernesto.

Efectivamente —afirmé—, la energía hidráulica podemos convertirla en energía eléctrica en una hidroeléctrica. La energía hidráulica es una transformación directa de la energía solar. Con el sol se evapora el agua que sube a las nubes y cae en forma de lluvia que abastece las presas y los ríos. El agua con energía puede realizar trabajo, o sea, mover una turbina y esta, a su vez, mover un generador y producir electricidad. Mientras más cantidad de agua y la velocidad sea mayor, más energía eléctrica podemos producir.
—Lo mismo podemos hacer con el viento —
dijo Yusbán.

Exactamente —reafirmé. —Cuando nos referimos a la energía del aire en movimiento, o sea, el viento, estamos hablando de la energía eólica, ¡oigan bien!, «eólica».
La palabra «eólica» —proseguí—, proviene de Eolo, dios de los vientos en la mitología griega. Acuérdense. Si hablamos de que el agua mueve una turbina nos referimos a la energía hidráulica y a la turbina hidráulica,pero si es el viento el que mueve una turbina, nos referimos a la energía eólica y a la turbina eólica. Tanto la turbina hidráulica como la eólica pueden mover un generador y producir electricidad. Pero de esto nos vamos a referir en próximos círculos. Ahora vamos a volver a lo nuestro: la producción de electricidad con paneles fotovoltaicos.

Estábamos hablando de las pilas. Las que le ponemos a una linterna tienen energía acumulada y por eso encienden el bombillo y dan la luz, pero con el uso, la energía de la pila se va transformando en luz y calor y se va acabando. Por eso debemos de vez en cuando y en dependencia del uso, cambiar las pilas o recargarlas si son recargables. Ahora, de la misma manera que cuando nos referimos a la energía potencial la diferencia de altura la medimos en metros, cuando nos referimos a la energía eléctrica, la diferencia de potencial la medimos en volt. Por ejemplo, una pila tiene una diferencia de potencial de 1,5 volt. Si una linterna tiene dos pilas, una detrás de la otra, la diferencia de potencial, que también llamamos voltaje, es de 3 volt, o sea, cuando ponemos las pilas en serie, el voltaje se suma. Lo mismo ocurre con las celdas solares. Cada celda solar tiene un voltaje de 0,5 volt.

Siguen muy atentos.
Fíjense en este módulo. Tiene 36 celdas conectadas en serie. Vamos a ponerlo al sol y medir el voltaje entre estos dos puntos.
En ese momento Barrera y Julito tomaron el módulo, lo pusieron al sol y midieron el voltaje con el multímetro .

Efectivamente, vean, marca 18 volt —les comenté.
Ahora vamos a recordar otros conceptos. Ya conocemos varios tipos de energía: la energía mecánica que la clasificamos en potencial, o sea, la que depende de la masa y de la posición del cuerpo o de la diferencia de altura de un cuerpo con relación a otro; y la cinética, que depende también de la masa y del movimiento o de la velocidad del cuerpo. La energía hidráulica o del agua, que la clasificamos también en potencial y cinética. La energía eólica o del viento. La energía térmica o el calor. La energía lumínica o la luz. La energía atómica o nuclear. La energía química, o sea, la que depende tanto de la cantidad como de la composición de la sustancia, como el petróleo y la pólvora.
Breve pausa.

Seguro se acordarán o habrán oído hablar alguna vez sobre la ley de conservación de la energía: «La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma». También existe la ley de la conservación de la masa o materia: «La materia ni se crea ni se destruye, solo se transforma».
Otra pausa.

O sea, la energía se conserva siempre, pero las diferentes formas de energía se pueden transformar unas en otras. Por ejemplo, la energía eléctrica se convierte en energía térmica o calor en una cocina eléctrica. La energía química se convierte en calor en una cocina de gas. La energía eléctrica se convierte en energía mecánica en un motor eléctrico o en energía lumínica o luz en una lámpara. La energía hidráulica se convierte en eléctrica en una planta hidroeléctrica. La energía química se transforma en eléctrica en una termoeléctrica de carbón o petróleo. La energía nuclear o del átomo se transforma en electricidad en una central electronuclear. La energía eólica o del viento se transforma en energía eléctrica en un aerogenerador. La energía solar se transforma directamente en electricidad en un módulo fotovoltaico como este.

Señalo para el módulo.
En la realidad, cuando un tipo de energía se transforma en otro, hay pérdidas. Por ejemplo, cuando la electricidad se transforma en luz en un bombillo, no toda se transforma en luz; una parte se transforma en calor y se pierde, no se aprovecha. En este caso, la luz es la energía útil y el calor es la energía no útil. Si la energía del viento se transforma en electricidad, una parte se transforma en calor y se pierde. Cuando la energía solar se transforma en electricidad, una parte se transforma en calor y se pierde. Solo una parte de la energía solar se transforma en electricidad. Ahora podemos definir qué es eficiencia energética. «Eficiencia energética de una máquina o un sistema es la relación entre la energía útil que entrega y la energía total que recibe». Vamos a ver el caso concreto de este módulo. De toda la energía solar que es recibida en este módulo fotovoltaico, solamente 15% se transforma en electricidad. Decimos entonces que la eficiencia de este módulo es 15%. ¿Está claro?

¿Y qué cantidad de celdas solares hacen falta para darle electricidad a una casa? —pregunta Maritza.
Vamos a hacer un cálculo entre todos. ¡Pongan atención! Vamos a calcular primero cuántos metros cuadrados de celdas necesitamos. Tenemos que partir de cuánto se consume en una casa. Vamos a suponer una casa que consuma 150 kilowatt-hora mensualmente. O sea, consume 5 kilowatt-hora en un día. ¡Fíjense qué curioso! Esa es la misma cantidad de energía solar que se recibe en un solo metro cuadrado del techo de la casa. Ahora vean qué fácil. Como la eficiencia de la celda solar es de 15%, solo tenemos que dividir 100 entre 15 y nos da: 6,7 metros cuadrados. Los módulos fotovoltaicos que se están fabricando en Cuba tienen 1,66 metros cuadrados, o sea, hacen falta cuatro módulos. Si se acuerdan, cuando visitaron el polígono vieron un panel solar con cuatro módulos que producen mensualmente 150 kilowatt-hora, o sea, lo mismo que la casa que escogimos de referencia.

—Los calentadores son más eficientes
—comentó Marianita.
Efectivamente —le contesté—, en un calentador solar de agua se aprovecha 50 o 60% de la radiación solar. Y es muy bueno que hayas mencionado el calentador solar, pues el consumo de electricidad promedio en una casa en Cuba es de 180 kWh mensuales, pero de ellos, 30 kWh son para calentar agua. Si a esa casa le pusiéramos un calentador solar, bajaría el consumo de electricidad a un promedio de 150 kWh. Por eso tomamos esa cifra para hacer el cálculo, porque nunca se me hubiera ocurrido calentar agua con paneles fotovoltaicos y un calentador eléctrico.

En ese momento oigo un ruido de «crac» y un «¡ay!» que se le fue a Raulito, y a continuación exclamó: —¡Se partió la celda!¡No importa! —le contesté rápidamente y agregué: —Les dije que la celda era una lámina de cristal y, por lo tanto, se rompe fácilmente. Cuando está en el módulo, está protegida por detrás y por delante, y es difícil romper. Vean los ejemplos de las fotografías (Fig. 3), y fíjense en esta pancarta las diferentes partes de un módulo fotovoltaico (Fig. 4).





Fig. 3. Cuatro ejemplos de sistemas fotovoltaicos.

Me dirijo hacia la pancarta y les digo:
Vean aquí, en el medio, las celdas fotovoltaicas conectadas en serie con un conductor positivo en este extremo, y otro negativo en el otro extremo. Arriba y abajo se le coloca una capa de un plástico transparente llamado EVA, que sirve para impermeabilizar las celdas y lograr alta durabilidad del módulo. Encima de todo está el vidrio transparente tratado térmicamente para aumentar su dureza y evitar que se rompa. Y en la parte inferior se le pone un plástico opaco conocido por Tedlar, que le confiere también protección y durabilidad. Todo esto junto se prensa en un equipo donde se le da calor y el plástico EVA se funde, y todo se une como una sola pieza. Después, se le pone un marco de aluminio que le da la rigidez y protección definitiva al módulo.



Fig. 4. Componentes de un módulo fotovoltaico.


Ya habían pasado las 12 y todavía los muchachos mantenían interés, pero era hora de terminar.
Ya no hay más tiempo y se nos han quedado cosas muy importantes. Todavía nos quedan por conocer los diferentes componentes de una instalación solar fotovoltaica y, principalmente, cómo deben colocarse los módulos para que produzcan más electricidad, si la parte más larga debe ir horizontal o vertical y por qué. También es muy importante conocer la influencia de las sombras sobre la eficiencia del panel. Pero ello será para el próximo encuentro. Ahora debemos ir a almorzar pues de seguro en sus casas los están esperando. ¡Ayúdenme a llevar la mesita y el módulo! Yo llevo las pancartas y el multímetro.
Una última pausa.
¡Miguelito! Dale un abrazo de mi parte al abuelo Paco.

* Doctor en Ciencias Técnicas. Presidente de CUBASOLAR.
e-mail: berriz@cubasolar.cu