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- 1. I. LA ENERGÍA La energía, como problemática, ha sido percibida desde distintos puntos de vista dependiendo del momento histórico. Desde los inicios del siglo hasta principios de los años setenta, el crecimiento económico de los países industrializados se fundamentó en la disponibilidad de una fuente de energía barata y abundante: el petróleo. A partie de la Segunda Guerra Mundial, tanto la producción nmundial de petróleo como la demanda industrial de energía se han duplicado cada diez años. Las previsiones sobre la evolución del consumo de energía en el mundo, muestran un crecimiento similar en los próximos años. Aunque al final de los sesenta nacieron voces críticas de que el crecimiento energético no se podía mantener indefinidamente, no fue hasta la primera Crisis del Petróleo que la sociedad empezó a concientizarse del problema de la limitación de las reservas de combustibles fósiles, de las cuales sólo hay para 50 años de petróleo y 200 años de carbón si se mantiene el ritmo de consumo actual. Las únicas posibilidades de mantener un crecimiento económico sostenible, garantizando un suministro energético a largo plazo, son el incremento de la eficiencia y la búsqueda de energías alternativas al petróleo... Energía Renovable Entre las opciones de sustituir progresivamente la utilización exhaustiva y masiva del petróleo, se encuentra el aprovechamiento de los recursos energéticos renovables: La energía solar, eólica, hidráulica, geotérmica y de los océanos. Las energías renovables son inagotables, limpias y se pueden utilizar en forma autogestionada (ya que se pueden aprovechar en el mismo lugar en el que se producen). Además pueden complementarse entre sí, lo cual favorece la integración entre ellas. El XVI Congreso del Consejo Mundial de Energía que tuvo lugar en Tokio, hizo ver la necesidad de definir una estrategia de desarrollo sostenible a largo plazo. Por una parte, se prevé que en el 2020 el crecimiento poblacional alcanzará los 8.000 millones de personas y en el 2050, serán 10.000. Por otra parte, la prioridad del desarrollo económico para que todos los pueblos tengan acceso a una calidad de vida aceptable y la prioridad medioambiental y el miedo al impacto del desarrollo económico sobre el calentamiento del planeta y la amenaza a la biodiversidad. Estos factores de preocupación para la comunidad mundial, hicieron que se llegara a una conclusión − bastante obvia por lo demás − que es el planteamiento de la necesidad de ampliar las formas de energía disponibles, llevándo a término una política conjunta de todos los países que establesca la sustitución paulatina de los combustibles fósiles y el financiamiento necesario para lograrlo. Las grandes potencias han acordado aumentar a un 12% el consumo de energías renovables para el año 2010. Esto representaría un fuerte incremento con respecto al 5,4% actual. Aunque esto es perfectamente posible − desde un punto de vista tanto tecnológico como legislativo y político − se encuentra con un obstáculo: la dificultad para integrar las energías renovables en los sistemas energéticos existentes y la falta de infraestructura que permita el desarrollo de esta industria. Además, se hace difícil competir con los precios de las formas energéticas actuales, poque el ahorro de las renovables es muy a largo plazo. Y aparentemente, eso no interesa mucho... El aprovechamiento por el hombre de las fuentes de energía renovable es muy antiguo. Desde muchos siglos antes de nuestra era, ya se utilizaban el sol, el viento y el agua y su empleo continuó durante toda la historia hasta la llegada de la Revolución Industrial, en la que, debido al bajo precio del petróleo, fueron abandonadas. 1
- 2. Sin embargo hoy, debido al incremento de los costos de los combustibles fósiles y los problemas medioambientales derivados de su explotación, presenciamos un renacer de las energías renovables. La energía solar representa el modelo más característico de fuente renovable. A pesar de sus recursos ilimitados, sin embargo, al tomarse directamente de la radiación solar, el aprovechamiento nergético no alcanza rendimientos equiparables a los de otras fuentes. El Sol El sol es una esfera de gas luminoso de 1.392.000 km. de diámetro que posee una masa 330.000 veces superior a la de la tierra. La energía que manifiesta proviene de las reacciones nucleares de conversión de hidrógeno en helio que tienen lugar en su núcleo a temperaturas cercanas a los catorce millones de grados. Esta materia gaseosa caliente es capaz de irradiar una temperatura efectiva de 6000°C. Se encuentra a una distancia de 149.490.000 kilómetros de la tierra y su constante solar − es decir, la intensidad media de radiaci{on medida fuera de la atmósfera en un plano normal − es de aproximadamente 1.94 cal/min.centimentros cúbicos. La intensidad de la radiación solar que llega a la superficie de la tierra, se reduce por varios factores variables, entre ellos, la absorción de la radiación − en intervalos de longitud de onda específicos − por los gases de la atmósfera (dióxido de carbono, ozono, etc.), el vapor de agua, la difusión atmosférica por las partículas de polvo, por las moleculas y gotitas de agua, por reflexión de las nubes y por la inclinación del plano recpetor de la radiación (con respecto a la posición normal de la radiación). La intensidad de la radiación medida en la superficie de la tierra varia de 1.6 a 0. El sol es una estrella relativamente joven en su estado de evolución. Ha estado en el cielo desde hace unos cinco mil millones de años aproximadamente y se calcula que todavía no ha llegado ni a la mitad de su existencia. El sol es la fuente de vida, además de el origen de las demás formas de energía que el hombre ha utilizado desde los albores de la historia. Podría satisfacer todas nuestras necesidades si aprendieramos a aprovechar de manera racional la enorme cantidad de energía que derrama sobre el planeta. Durante este año, por ejemplo, el sol arrojará sobre la tierra cuatro mil veces más energía de la que vamos a consumir efectivamente. Otro ejemplo que ilustra esto, es el hecho de que EE.UU recibe anualmente alrededor de 1500 veces sus demandas de energía total. En un día de sol de verano, la energía que llega al tejado de una casa de tipo medio sería más que suficiente para satisfacer las necesidades de energía de esa casa por 24 horas. La distribución espectral de la radiación en la superficie de la tierra ha sido extensamente estudiada. Incluso se ha propuesto una serie de curvas a modo de patrón, para diferentes masas de aire.A modo personal, sin embargo, me parece que es importante mencionar que si bien se estudia a fondo la radiación solar en la tierra, tales conocimientos teóricos no son aplicados y usados en la práctica de una manera tan exhaustiva como lo teórico. Nada sacamos con estudiar un fenómeno a fondo y plantear miles de teorías que permitan comprenderlo mejor, si no sabemos aterrizar esto en la realidad y aplicarlo para mejorar nuestra vida. Es por esto que es imprescindible que el hombre comience a idear maneras de lograr que esa energía sea aprovechada y no se desperdicie. No sería racional no intentar aprovechar, por todos los medios técnicamente posibles y la grandes alternativas tecnológicas que se nos van abriendo, esta fuente energética gratuita, limpia e inagotable, que puede liberarnos definitivamente de la dependencia del petróleo o de otras alternativas tanto poco seguras como, en la mayoría de los casos, altamente contaminante. Sin embargo, esta afirmación puede resultar algo utópica...Está claro que es una fuente de energía que podría resolver todas nuestras necesidades si la aprovecharamos...Por algo el hombre no lo ha hecho. No es que no haya visto el sol...Existen obstáculos para su plena utilización y es el superarlos lo que debe orientar los esfuerzos futuros del hombre. Una política energética basada en el sol conllevaría, en sí misma, problemas. Pero antes de siquiera mencionarlos, debemos decir que el sol en sí tiene características que dificultan su utilización energética. El ejemplo más claro, es el hecho de que se trata de una energía que está en constantes fluctuaciones, más o menos bruscas. Así, por ejemplo, la radiación solar es menor en el invierno, que es la 2
- 3. época en que, precisamente, más la necesitamos. Es por esto que el hombre debe esforzarse por avanzar en el desarrollo y perfeccionamiento de los procesos de captación, acumulación y distribución de la energía solar, para conseguir las condiciones que la hagan efectivamente competitiva a escala planetaria. Sol y Energía Hemos hablado del sol y de la energía: he aquí lo que relaciona todo...Todas las energías de las que disponemos en nuestro planeta, exceptuando quizás la energía nuclear de fisión, provienen del sol. La hidráulica, le eólica, la de las mareas, etc...El sol calienta el aire de la tierra y lo hace ascender: así nacen las corrientes de aire y el viento; el sol envía energía calorífica y luminosa que las plantas utilizan para realizar sus procesos; esas plantas crecen y se pueden quemar para obtener calor; eventualmente y tras la metamorfosis de muchos siglos se puede convertir en carbón; El sol calienta el mar y se evapora el agua; se crean las nubes, la lluvia, los ríos...Energía hidráulica; el resultado de la atracción que ejercen el sol y la luna sobre la tierra y sobre el mar da origen a las mareas...Todo el mundo nace a partir del sol. Es, literalmente, "nuestro padre"...Todo nace a partir de él y nosotros, sus seres más estúpidos y poco racionales − en este sentido − somos los que menos sabemos aprovechar su infinito potencial. Productos del sol Si recogemos de manera adecuada la radiación solar, podemos obtener básicamente dos resultados: calor y electricidad. El calor se logra mediante los colectores térmicos y la electricidad a través de los llamados módulos fotovoltáicos. Estos dos procesos no tienen nada que ver entre sí, ni en cuanto a su tecnología, ni en cuanto a su aplicación. Referirse a los posibles usos de la energía solar en general, es un trabajo interminable. Calefacción doméstica, refrigeración, calentamiento de agua, destilación, generación de energía, fotosíntesis, hornos solares, cocinas, evaporación, aire acondicionado, secado, control de heladas. En fin, los posibles usos son múltiples, pero nombrarlos no es, en absoluto, la intención de este trabajo. Debemos mencionar sin embargo, que todos los usos de la energía solar − incluyendo los citados − se han testeado en laboratorios...No todos sin embargo, se han llevado a escala industrial. Esto es un ejemplo de lo que antes señalabamos: "Mucho estudio, pocas nueces"...Al final, no usamos como podríamos, lo que tenemos a nuestra disposición. Pero no basta criticar. Si esto ocurre, no es sólo por estupidez o pereza. En muchos casos, el costo de realizar estas operaciones con energía solar no puede competir con el costo menor de otras fuentes de energía. No es que se trate de una energía cara; todo lo contrario. Pero el problema es que se requiere una gran inversión inicial para comenzar a asimilar el uso de la energía solar. Por ello, la mayor parte de los problemas de utilización de esta energía se vinculan a problemas fundamentalmente económicos. Transformando la Energía solar en Energía Eléctrica Antes de hablar de este tema, que es lo que motiva el trabajo en realidad, debemos clarificar algunos conceptos que serán usados de manera constante... Hay tres tipos de materiales capaces de conducir la energía eléctrica: conductores, semiconductores y superconductores. Los conductores son los materiales usados convencionalmente para transportar energía eléctrica. Los más usados en este sentido son el cobre, la plata, el oro y el platino. Los semi−conductores son aquellos materiales que conducen mejor la electricidad que un aislante, pero peor que un conductor. A bajas temperaturas, se comportan como aislantes y a altas temperaturas su resistividad baja tanto que se acerca a la de los metales. Los súperconductores son los más raros de todos. Su característica principal es la auscencia total de resistividad eléctrica. Es por esto que son elementos perfectos para el transporte de energía eléctrica en tanto no producen pérdidas de calor. Su único problema es que, hasta el momento, todos los materiales encontrados funcionan a muy baja temperatura. 3
- 4. Hay diferentes tipos de dispositivos de conversión directa de energía solar en energía eléctrica. Por ejemplo, covertidores termoeléctricos, termoiónicos y los fotovoltáicos. Los convertidores fotovoltáicos son los más avanzados de todos los convertidores de energía cuántica. Las células solares están fabricadas con materiales semiconductores. Es por esto que explicamos las propiedades de este tipo de materiales en general: Para entender el funcionamiento de una célula solar, debemos entender las propiedades de los materiales que las forman... En estos convertidores, la luz pasa de ser luz a ser electricidad sin pasar antes por un estadio de energía térmica. Las células fotovoltáicas son las únicas que poseen "una absorción óptica muy alta y una resistencia eléctrica lo suficientemente baja como para poder convertir la energía solar en energía útil de modo económico. Gracias a la elección de semiconductores con un "intervalo de absorción espectral apropiado", podemos seleccionar un material que abarque el espectro solar. Estos semiconductores se hacen uniendo partes positivas y negativas del silicio, que es el material que actualmente más rinde. Este proceso de formación de electricidad será detallado a continuación, ya que es aquello en lo que estamos enfocando nuestro trabajo. (en la sección Cómo se hacen los convertidores fotovoltáicos). II. ENERGÍA FOTOVOLTÁICA Los sistemas de producción de electricidad denominados sistemas fotovoltáicos posibilitan la transformación de la energía que contiene la radiación solar en energía eléctrica. Estos sistemas se caracterizan por un grado de autonomía respecto al clima, lugar geográfico y otras condiciones que pocas fuentes energéticas pueden alcanzar. Las localizaciones geográficas caracterizadas por recibir un alto nivel de radiación solar son las más propicias para su utilización. Frente a las energías convencionales, la energía solar fotovoltáica presenta la característica de ser una fuente ilimitada de energía, por tratarse de energía renovable. Se caracteriza además por su carácter "ubicuo", pudiendo ser aprovechada en cualquier parte de la superficie del planeta (aunque, obviamente, no con la misma intensidad en todos los lugares ni en todo momento). Esta ubicuidad posibilita un amplio rango de aplicaciones (limitado apenas por la potencia necesaria). Las fuentes de energía tienen impactos medioambientales inevitables. Cada vez son más claros estos efectos en el planeta. Lluvia ácida, efecto invernadero, residuos radioactivos, accidentes nucleares...La conciencia mayor que existe − debido a que se conoce cada día más − con respecto a estos efectos nocivos y la mayor sensibilidad social − que se han generado específicamente gracias a los movimientos ecológicos, etc. − son factores que hacen que esta posibilidad sea una alternativa cada vez más viable y atractiva frente a otras fuentes de energía. Esto no es una teoría. Un ejemplo ilustrador es el caso de EE.UU que ha destinado la mayor parte de su presupuesto para investigaciones energéticas a proyectos relacionados con la energía fotovoltáica. Si se sigue este nivel de investigación y esta cantidad de proyectos, es claro que la energía fotovoltáica jugará un rol clave en la generación de energía en Estados Unidos, especialmente en sus zonas más cálidas, como es por ejemplo Florida (que es uno de los lugares en Estados Unidos donde más estudios con respecto a este tipo de energía se han realizado). Breve historia de los sistemas fotovoltáicos Las investigaciones iniciales en este campo se enfocaron al desarrollo de productos para aplicaciones espaciales, siendo su primera utilización exitosa en la fabricación de satélites artificiales. Sus características principales las hicieron ideales para el suministro de energía en el espacio exterior. Las celdas fueron comercializadas por primera vez en 1955. Pero sólo a comienzos de los ochenta, 4
- 5. comenzaron a establecerse compañías fotovoltáicas. Fue en esta década también que en Estados Unidos, el National Renewable Energy Laboratory (NREL) estableció los métodos y estándares de prueba y funcionamiento para los módulos fotovoltáicos. Estas actividades ayudaron a las compañías a reducir sus costos y mejorar su funcionamiento, eficiencia y confiabilidad. Cómo se hacen los convertidores fotovoltáicos Las celdas fotovoltáicas se fabrican con Silicio. Este elemento − el segundo más abundante en la corteza terrestre − es el que permite que se de el proceso de generación de electricidad. La brecha de energía por la que se calcula la eficiencia teórica de conversión de materiales voltáicos, determina la absorción espectral característica del material en la región de absorción fundamental. El Silicio tiene un corte de absorción de 1.2u con fuerte aumento en el coeficiente de absorción hacia longitudes de onda más larga. La región fundamental es la región sensible de la célula de Sicilio. Al dopar el Silicio puro con impurezas de ciertos elementos químicos, obtiene propiedades eléctricas únicas en presencia de la luz solar. ¿Cómo se dopa el Silicio? Un diodo está formado − como su nombre lo indica − por dos partes: una negativa y la otra positiva. En la parte positiva, al material le faltan electrones. En la parte negativa, le sobran. Cuando las dos partes se unen, se le llama diodo semiconductor. Es semiconductor (ver la definición teórica de este concepto, que se ubica antes...) en el sentido de que la corriente eléctrica sólo puede circular en un sentido. Además, a diferencia de los materiales conductores, al aumentar la temperatura, el rendimiento también aumenta. El Silicio tiene cuatro electrones. Sólo se puede llegar a tener "un Silicio negativo y otro positivo" si lo dopamos con materiales contaminantes. Así, por ejemplo, si le introducimos fósforo a su composición, obtendremos un Silicio negativo, pues conseguiriamos un electron demás cada vez (si consideramos que el fósforo tiene 5 electrones en la última capa). En cambio, si le introducimos aluminio − tres electrones en la última capa − tendremos un silicio positivo. Cómo dijimos, sólo dopándo el Silicio, tiene las características adecuadas. Esto ocurre porque las propiedades químicas de los elementos están determinadas por el número de electrones en su última capa y por los electrones que faltan para completarla. El Sicilio, como también ya dijimos, posee cuatro electrones y faltan otros cuatro para completarla. Cuando los átomos de Sicilio se unen a otros, compartiéndo los electrones de las últimas capas con la de átomos vecinos y formando enlaces covalentes, estas combinación dan lugar a una estructura cristalina. Esta es la composición de las células fotovoltáicas. Ellas miden entre 7 y 9 centímetros y son delgadas y de forma rectangular o circular. El Silicio es procesado − tras una elaboración compleja − y se forma con él un cilindro cristalino y sólido. Se trata de un cristal semiconductor muy puro. Este cilindro se corta, a su vez, en finas rodajas que luego siguen un tratamiento químico antes de convertirse en células fotovoltáicas. Luego se conectan alambres a la superficie de la célula: Una al lado cargado positivamente y otra al lado negativo. Así se completa el circuito eléctrico. Cuando la célula se expone a la luz, la electricidad fluye a través del circuito. Para mejorar la eficiencia y la capacidad del sistema, se pueden conectar − también mediante alambres − varias células en una serie. A esto se le llama módulo (module) y también se pueden conectar, a su vez, varios módulos. Mientras más módulos se sumen, mayor es la electricidad que se puede generar. Las células funcionan gracias a lo que se denomina "efecto fotovoltáico" (foto viene de luz; voltáico de electricidad). Al golpear el sol la superficie de la célula, libera electrones del átomo del material. Los electrones, excitados por la luz, se mueven a través del Sicilio. Ciertos elementos químicos agregados a la composición del Silicio permiten establecer la ruta que seguirán los electrones. Ese es el fenómeno fotovoltáico y su consecuencia es la corriente eléctrica directa. Esta corriente puede ser almacenada en "acumuladores" para, si se desea, pueda ser utilizada fuera de las horas de luz. Cada célula (o celda) es capaz de generar de 2 a 4 Amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48 V utilizando como materia prima sólo radiaciones solares. Además, admiten tanto la radiación directa como la difusa, lo que quiere decir que se 5
- 6. puede conseguir energía eléctricas incluso en los días nublados. Por lo tanto, es bastante eficiente. Además es relativamente simple− las celdas fotovoltáicas no tienen partes móviles, no es necesario su mantenimiento y tienen una vida útil de entre 20 y 30 años − y, sin embargo, su fabricación requiere de una tecnología sofisticada que solamente está disponible en algunos países como Estados Unidos, Alemania, Japón y España. Es por esto que, pese a que la conversión directa de la parte visible del espectro solar es quizás la vía más ordenada y estética de todas las que existen para el aprovechamiento de la Energía Solar, desafortunadamente esta tecnología no ha podido desarrollarse por completo. Tipos de sistemas fotovoltáicos Existen distintos tipos de paneles fotovoltáicos. Su clasificación depende de su proceso de fabricación, de su precio, su rendimiento y su aplicación. Se mencionarán todas, pero explicando sólo las más importantes − a mi juicio − y comunes. I. Celdas de Sicilio cristalino Son las celdas que predominan hoy en el mercado mundial. Esto se debe a sus características: madurez, confiabilidad y larga vida útil (de 20 a 30 años). Dentro de ellas se distinguen distintos tipos. • Células de Silicio monocristalino: Son celdas formadas por un solo tipo de cristal. Son bastante caras y difíciles de conseguir. Son escasas. Consiguen muy buenos rendimientos − mejores que cualquier otro tipo de célula − superiores al 30%. • Células de Silicio policristalino: Son de Silicio, mezclado con Arsenio y Galio. Son más sencillas de conseguir y tienen un rendimiento menor que las anteriores, pero nada despreciables, de un 15% aproximadamente. No duran tanto tiempo como las anteriores, pero son perfectas para lugares en los que las condiciones ambientales hagan que, por muy duradera que sea la célula, se rompa igual...La alta montaña o el desierto son ejemplos. II. Celulas amorfas: "Baja durabilidad, pero bajo costo". Son las más baratas, pero las menos duraderas y rendidoras. Su eficiencia es de un 6% y tiende a cero con su envejecimiento. Proporcionan una cantidad de energía muy baja. Se construyen a base de evaporar encima de un cristal el material semiconductor o fotoreactuvo y colocar un par de electrodos en cada una de las unidades correspondientes. • Paneles policristalinos de lámina delgada • Paneles para el espacio: El primer uso que se le dio a la energía fotovoltáica... • Paneles de Sulfuro de cadmio y sulfuro de cobre. • Teluro de cadmio • Seleniuro de cobre e indio • Arseniuro de galio o de concentración • Paneles bifaciales Componentes de sistemas fotovoltáicos Los componentes de un sistema fotovoltáico dependen del tipo de aplicación que se considere y de las características de la instalación. Para el caso de un sistema autónomo, los componentes necesarios para que funcione correctamente y tenga una elevada fiablidad son: Placas fotovoltáicas, acumuladores eléctricos, regulador de carga e inversor. En cambio, las instalaciones conectadas a la red de distribución eléctrica se caracterizan por no incorporar acumuladores, ya que la energía que se envía a la red no necesita acumularse. El principal elemento de una instalación fotovoltáica son las placas solares. Un conjunto de paneles 6
- 7. fotovoltáicos que puedan captar el sol es la parte de la instalación a la que se le llama generador. Estas placas son las que producen electricidad en forma de corriente continua. La utilización de acumuladores está motivada por el hecho de que la intensidad solar varía a lo largo del día y del año y así varía también la producción de electricidad del sistema. Sin embargo, las necesidades del hombre no varían en ese mismo orden, y por tanto, necesita acumular energía de manera constante para cuando no la tenga disponible. Con este fin se utilizan generalmente acumuladores eléctricos, ya que es el sistema más económico y eficiente de que se dispone. Esto es un factor importantem ya que siempre existe el riesgo de quedarse sin energía después de varios días de mal tiempo. En el caso de las instalaciones fotovoltáicas autónomas, existe un regulador de carga que protege a los acumuladores de carga contra la sobrecarga y la descarga. Si se da sobrecarga, pone las placas en cortocircuito de manera tal que la corriente se vaya hacia los acumuladores; en cuanto a la descarga excesiva corta automáticamente el suministro cuando la cantidad de energía eléctrica del acumulador se pone por debajo de un nivel mínimo de seguridad. Un buen sistema regulador permite aprovecha al máximo la energía (permitiéndo que el sistema trabaje siempre en su punto máximo de eficiencia), proteger las baterías y alrgar la vida de un sistema. Además, las instalaciones fotovoltáicas autónomas tienen convertidores que permite trasformar la corriente continua en corriente alterna. Veamos un par de elementos más: Inversor y euipos de ilunicación. Los equipos de iluminación deben ser de elevado rendimiento y de bajo consumo; lámparas electrónicas, fluorescentes, lámparas de vapor de Sodio, etc. Un equipo fluorescente soporta mejor que una lampara incandescente las variaciones de la tensión continua de alimentación. Una variación de la tensión de un 20% puede destruir la lámpara incandescente, pero ser soportada perfectamente por un equipo fluorescente. La mayoría de los electrodomésticos convencionales necesitan, para funcionar, corriente alterna a 220V y 50 Hz de frecuencia. Para poder disponer de este tipo de corriente hay que añadir a la instalación un inversor que permita transformar la corriente continua a corriente alterna (de 12 ó 24 V a 220V y 50Hz de frecuencia, que es lo que, como ya dijimos, permite que funcionen los equipos en la casa que son para lo cual se necesita la energía). El otro tipo de sistemas fotovoltáicos − aquellos conectados a la red eléctrica − no tienen ni reguladores ni acumuladores. Se utilizan onduladores de corriente que permiten adecuar la corriente alterna a la de la red. Cómo se monta un sistema fotovoltáico En el hemisferio sur, los paneles se montan orientados hacia el norte geográfico con una inclinación con respecto al horizonte que corresponde al ángulo indicado para obtener la máxima ganancia durante el invierno. Los paneles pueden montarse sobre el techo de una casa o sobre cualquier estructura adecuada. El lugar que se escoga, debe estar libre de cualquier sombra por prqueña que esta sea. Esto disminuiría ostensiblemente el rendimiento del panel. Come regla general, se orientan los paneles de manera tal que la superficie colectora se encuentre perpendicular al sol del mediodía para el mes en el cual se desea la máxima ganancia. Los paneles deben montarse con una distancia mínima de cualquier superficie de aproximadamente 5 cm. para permitir la adecuada circulación del aire por su lado inferior, lo que evitará que se caliente en exceso y esto disminuya su rendimiento. Para que un sistema fotovoltáico realmente pueda prestar un servicio confiable durante toda su vida útil, es necesario darle una gran importancia al correcto montaje del sistema. Cualquier defecto puede inducir a una 7
- 8. reducción ostensible de su eficiencia y de su vida útil, que normalmente debiera ser de entre 20 y 30 años. Principales características de los sistemas fotovoltáicos • Simplicidad • Son livianos y pequeños. Sus dimensiones son muy reducidas y se pueden instalar fácilmente sobre el tejado de las viviendas, entre otros lugares. • Eficiencia • Auscencia de partes móviles (es por esto y por el hecho de que se limpian por la lluvia que...) • No exigen mantenimiento. − Si aumentan las exigencias de consumo, basta con aumentar el número de paneles sin necesidad de intervención de especialistas. • Inalterables al paso del tiempo − Una vez hecha la inversión inicial, no se originan gastos posteriores. El consumo de energía eléctrica es gratuito. • Resistentes a las condiciones climatológicas más adversas: Lluvia, nieve, viento, etc. • No contaminan (ni siquiera acústicamente, ya que no producen ningún ruido). Se dice que no produce desechos, residuos ni basura ni olores, ni vapores, ni ningún tipo de impacto ambiental. La verdad es que me cuesta creer de que sea tan así... • No "descompone el paisaje" con torres, postes o líneas eléctricas. • La electricidad que se obtiene es el forma de corriente continua y generalmente a bajo voltaje, con lo que se evitan los accidentes tan peligrosos que ocurren actualmente con las líneas eléctricas. • No consumen combustible • No necesitan radiación solar directa (funcionan también en días nublados). • La electricidad se produce en el mismo lugar donde se consume. No necesita transformadores, canalizaciones subterráneas ni redes de distribución a través de las calles. • Escasos y nuevos • Caro en costos (precisamente por la característica anterior) • Aplicación hasta el momento reducida • Aplicación potencial (posibilidades) enorme Sistemas fotovoltáicos hoy Cómo ya hemos dicho, lo importante de este tipo de energía es que hoy se está utilizando un porcentaje muy menor de todo el potencial que tiene en realidad. El hombre, por tanto, debe concentrarse en la tarea de seguir perfeccionando los métodos ya existentes y, a la vez, de inventar nuevos métodos para aprovechar el sol. Debe avanzar en hacer de este método algo usual y competitivo, en el sentido de poder ser una alternativa a otros sistemas energéticos. Si se consigue que se siga avanzando en eso y, por tanto, que el precio de las células solares siga disminuyendo − iniciándose así su fabricación a gran escala − es muy probable que en un futuro no muy lejano una buena parte de la electricidad consumida en los países ricos tenga su origen en la conversión fotovoltaica. Este sistema, se entiende, obviamente complementado − y no excluyente − de otras fuentes de 8
- 9. energía convencional. Hoy en día, como ya hemos dicho, este sistema es muy caro. Sus costos han decrecido ostensiblemente desde que fueron aplicados por primera vez en la NASA, pero aún no han alcanzado un precio competitivo en el "mercado de las energías". Son así de caras, esencialmente porque sus los costos de sus materiales y de manufacturarlas son muy altos. Pese a que el Silicio es un material abundante, el tipo que se usa para fabricar estas células debe ser muy puro. Sacarle todas sus impurezas − es decir, su refinamiento − es carísimo. Además, hacer estas células requiere mucho trabajo (capital humano en ese sentido). Estos hechos hacen que sea muy caro el sistema. Sion embargo, se ha ido superando gradualmente. La automatización tanto en el proceso de purificación del material como en la fabricación de células, ha aportado a simplificar el sistema y a abaratar los costos. Los precios de las células ha caído en picada...De 3.500 ptas. Cuando comenzaron a ser fabricadas en los 70 a unas 500 ptas. que cuestan hoy. Eventualmente el aumento de la eficiencia de las células (es decir, la posibilidad de que se necesiten cada vez menos células para generar una misma cantidad de energía) permitirá abaratar aún más los costos (actualmente se está haciendo un enorme esfuerzo por bajar el costo hasta 200 ptas.). Hoy los estudios de investigación de este tipo de energía se basan en dos áreas, fundamentalmente: en aplicaciones y manufactura de células. En lo que se refiere a manufacturas, se estudian tanto las materias primas utilizadas como los métodos de fabricación de células. Hoy se estudia la posibilidad de reemplazar el Silicio por otros materiales semi−conductores, que quizás necesiten un menor refinamiento antes de ser usados en el proceso. En cuanto a la manufactura de las células, lo que se estudia es la posibilidad de métodos más sencillos de purificación del material, de cortar los cilindros de material en finas capas para hacer las células y de una producción más eficiente de células en general. En el año 1995 había en la Unión Europea un total de 66 empresas dedicadas a la producción de células fotovoltáicas y la producción de éstas llegó a los 22 KWp, lo que representa un 30% de la producción mundial en este campo. Sin embargo, aproximadamente un 50% de esta producción se destina a la exportación a países en vías de desarrollo. La UE es el sector dónde más intensamente se ha desarrollado la industria fotovoltáica. Alemania, Italia, Suiza y España son los países más avanzados en este sentido y tienen la potencia instalada más grande. Un estudio realizado por EPIA (Asociación Europea de Industrias Fotovoltáicas) anunció que para el año 2010, la potencia total de los sistemas instalados llegará a ser 70Wp. La tendencia es, claramente marcada hacia un aumento de las aplicaciones conectadas a la red eléctrica e integradas a los edificios. En los primeros años de desarrollo de la energía fotovoltáica, su aplicación se centró en aplicaciones para la señalización. Más tarde el área que ha tenido un mayor crecimiento ha sido la electrificación rural (que se tratará aparte) y hoy, repito, se da una tendencia hacia la implantación de estaciones fotovoltáicas conectadas a las redes, tanto en centrales grandes como en instalaciones pequeñas en edificios. Queda mucho más por avanzar en este campo, pero hay que mencionar que este mercado ha tenido un crecimiento espectácular. En 1992, la producción de placas solares fotovoltáicas llegó a los 58MW duplicándose en 7 años, para al final del siglo, llegar a los 250MW/año. Aplicaciones concretas de hoy Se ha hablado sólo del hecho de que hoy, esta energía es alta en costos, esencialmente por tratarse de algo incipiente y nuevo. Pero no se han mencionado sus aplicaciones. Hoy tiene varias aplicaciones que sí son rentables, aunque aún no podemos referirnos a ella como una fuente de energía común. Hoy se utiliza para sistemas de regadío, estaciones de radio y, sobre todo para proveer energía a cabinas, pueblos, centros médicos u otros sitios tan aislados y remotos, que el costo de la producción de energía fotovoltáica es menor que el costo de producir energía a partir de diesel o, más caro aún, extender cables hasta allá. Sin embargo, como veremos a continuación, mientras más se abaraten los costos de producción de este tipo de energía, más 9
- 10. opciones de aplicaciones va a tener. Para eso, aparentemente, no falta demasiado... Energía Fotovoltáica del mañana Como ya mencionamos, este tipo de energía se perfila actualmente como una posible solución definitiva al problema de electrificación en zonas aisladas, dadas sus características. Especialmente dada su falta de partes móviles y su simplicidad. Gracias a estas propiedades, presenta una clara ventaja sobre otras alternativas, para proveer una solución a problemas de electrificación de determinados sectores, por ejemplo, el campo. Esto es, si analizamos nuestras características geográficas, un hecho bastante relevante y digno de analizar para el caso chileno. Esto, por tener una especial relevancia, se tratará de manera separada. Cómo ya mencionamos, por otra parte, mientras más se abaraten los costos del sistema, más usos se van a encontrar a esta posibilidad energética. Incluso las casas podrán tener instalado este sistema en la parte de sus techos que reciban radiación solar y podrán así proveerse de electricidad. Este sistema serviría no sólo para casas, sino que también para cuadras enteras. Así, barrios completos o sectores comerciales podrían ser abastecidos por una central fotovoltáica. Esto producirá cambios no sólo en la sociedad − por tratarse de la incorporación de una estructura nueva que afectaría lo cotidiano − sino también en las estructuras, por ejemplo, en la legislación (que tendría que mencionar el tema). Aplicaciones incipientes En zonas rurales Las imágenes dicen más que muchas palabras. He aquí ejemplos de diversas aplicaciones de sistemas fotovoltáicos en zonas rurales. Es importante reiterar que esta alternativa se presenta como una solución definitiva para zonas que, por su aislamiento, no pueden disponer de la electricidad necesaria para vivir. En edificios A diferencia de las aplicaciones de electrificación rural, dónde la energía producida se utiliza para el autoconsumo, las centrales fotovoltáicas dan la energía generada directamente a la red eléctrica, como en cualquier otra central convencional de generación eléctrica. Durante los últimos años se ha comenzado a desarrollar fuertemente la instalación de sistemas fotovoltáicos en edificios. Esto se debe más que nada a que sería ilógico no aprovechar las posibilidades arquitectónicas que ofrecen los edificios para instalar estos sistemas. Digamos que ofrecen un habitat bastante ad hoc para aplicar el sistema. Se trata de reales centrales fotovoltáicas pequeñas, pero con la diferencia de que una parte de la energía generada se usa para el autoconsumo del edificio y el excendente es el que se envía a la red. Esto se desarrolla cada vez con más fuerza, pero aún no se aprovecha tanto como se podría... III. Conclusión Lo que vivimos hoy podría calificarse de crisis energética, sin caer en tanta exageración. Decir, sin embargo, que avanzamos hacia un estado crítico no alcanza a ser ni siquiera mínimamente cuestionable...Existen fuentes de energía convencionales: el cárbon, el gas, el petróleo...Ellas producen efectos contaminantes importantes; esto es debido a que se "explotan". No estamos hablando de sobre−explotación, sin embargo y eso es algo importante de notar para seguir mi argumento. El mero hecho de explotar algo − ese nombre: "explotación" − sugiere la idea de tomar algo de la naturaleza y comenzar a darle un uso distinto al que tiene en estado natural. Su estado natural es uno de mera existencia. Al explotarlo se le da un uso con otro fin, orientado a permitir otra existencia (la nuestra como hombres) más que a procurar la suya propia. De hecho, a 10
- 11. veces, atenta contra su vida este "procurarle un servicio al hombre" por personificarlo para clarificar mi punto. En vez de existir, ese elemento de la naturaleza comienza a procurar que el hombre exista. Para ese fin, incluso debe estar dispuesta a dejar de existir como cosa. Tal es el caso de los recursos no−renovables. El sol, en este sentido, no sería explotado. Su mera presencia, su mera existencia ya nos permite aquel uso que lo hace funcional a nuestra actividad y a nuestra vida. No lo transformamos, no lo gastamos. Si no lo usamos, no dura más. Si no lo usamos, sigue existiendo y los que pierden somos nosotros. Está ahí con independiencia de si queremos o no explotarlo y al final sólo podemos usar esa energía que irradia y no explotarla ya que no es necesario...Se nos entrega sola. Es por esto que me parece poco racional el pensar y sofisticar tecnologías para usar y abusar de otros recursos energéticos que se gastan si tenemos esta imponente e ilimitada fuente de energía frente a nuestras narices. Desperdiciarla escapa toda racionalidad y es casi una contradicción con nuestra naturaleza. Sólo una parte insignificante de la energía del sol llega a la tierra en forma de radiación. Pero esa energía − insignificante desde ese punto de vista − es enorme. La cantidad de energía en forma de radiación que llega durante un día a nuestro planeta, es equivalente a la cantidad de energía que serían capaces de generar, funcionando en su plena potencia, 400 millones de centrales eléctricas con una potencia de 500MW.Una superficie de dos kilómetros de ancho por uno de largo del desierto de Atacama, recibe a su vez la misma cantidad de energía que serían capaces de generar, en plena potencia y durante 24 horas de un día el conjunto de todas las centrales hidroeléctricas de Colbún Machicura. Finalmente, el consumo actual de energía del mundo entero, incluyendo el petróleo y sus derivados, el carbón, la madera, la hidroelectricidad, la gneración de plantas atómicas, es el equivalente a 20.000 centrales eléctricas iguales a Colbún Machicura. Esto es, aproximadamente, el 0.0005% de la energía solar que llega a nuestra tierra. Y nosotros no lo estamos aprovechando... Es imprescindible corregir este error "histórico" por llamarlo de alguna manera. Debemos sustituir las fuentes de energía convencional por la energía solar − energía renovable por excelencia − antes de que lleguemos − si es que no estamos ya − a una crisis energética. Si eso pasa, será sólo nuestra culpa, ya que la naturaleza nos ha proveído de lo necesario y somos nosotros quienes no somos capaces de aprovecharlo. IV. Bibliografía Horn, Christof: "Introducción al uso de electricidad solar en comunidades rurales", Instituto de Desarrollo Agropecuario, Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación. Stgo, 1991. Komp, Richard: "Practical Photovoltaics", Ann Arbor, aatec publications, 1983. Maycock, Paul D: "Photovoltaics: Sunlight to electricity in one step", Andover, Brick House Publishing Co., Inc. 1981. Solarex Corp: "Making and Using Electricity from the Sun" (Manual del Technical Staff, traducido al Español). SITIOS VISITADOS EN INTERNET http://geocities.yahoo.com http://gob.mxler/voltaica/calor http://gob.mxler/casainteligente.htm. http://censolar.es/menu2.htm 11
- 12. Además se debe añadir una entrevista personal que sostuve con el Presidente de Solar Co.,Sergio Conrado. 12