Los Colores de la Ciencia

La Energía Solar se presenta cada vez más como una alternativa rentable a las fuentes tradicionales de generación de electricidad o para calefacción. En este artículo presentamos los principios de funcionamiento en los que se basan los sistemas de energía solar utilizados en la actualidad.

Contenidos de este artículo

• Paneles Solares Fotovoltaicos
• Colectores solares para calefacción
• Fuentes y enlaces relacionados

Para hacernos una idea de lo que representa la energía solar, basta con pensar que el consumo energético total de todo el planeta mediante otras fuentes tradicionales de energía -petróleo, carbón, hidroeléctrica, eólica, etc.-, es aproximadamente un 1% de la energía solar que llega a la superficie de la Tierra. Aunque es obvio que no podemos cubrir la superficie de la Tierra con paneles solares, está claro que todavía nos queda mucho para aprovechar todo el potencial de este tipo de energía.

Hoy en día las aplicaciones de la energía solar son variadas y tienen ya usos prácticos nada despreciables: las celdas solares se usan como única fuente 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. La energía solar es también una alternativa práctica en lugares alejados de las redes de distribución normales, y las ventajas ecológicas son innegables.

Paneles solares fotovoltaicos

En los paneles solares para electricidad se usan una serie de celdas que convierten la luz solar en energía eléctrica. El efecto fotovoltaico -o efecto fotoeléctrico- se conoce desde 1839, pero no fue hasta 1905 cuando Albert Einstein explicó este fenómeno, en un trabajo científico que le valió el Premio Nobel de Física en 1921. Ese trabajo fue uno de los pilares de la Mecánica Cuántica, ya que el efecto fotoeléctrico es un fenómeno cuántico que evidencia que la energía contenida en la luz se entrega en forma de paquetes de energía o cuantos.

La Mecáncia Cuántica estudia los fenómenos a escala atómica -tales como la interacción entre la materia y la luz-, y el efecto fotoeléctrico muestra claramente la dualidad onda-partícula de la luz, es decir, que la luz se comporta unas veces como onda y otras como partícula; todo depende del contexto que estemos considerando. Así, la radiación incidente sobre la superficie fotosensible puede ser electromagnética (luz infrarroja, visible, ultravioleta, 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 foto electrones en consideración a su origen). El flujo de electrones es una corriente continua unipolar (que no cambia de sentido), y cuya intensidad es proporcional a la frecuencia (el color) de la luz incidente y es función de la energía de enlace de un electrón a su red atómica, parámetro este último característico del material utilizado.

Una celda solar comercial es un “sandwich” de silicio dopado -mezclado- con fósforo en el lado eléctricamente negativo (el que se expone a la luz) y con boro en el lado positivo. Cuando una celda es expuesta a la luz, si los fotones que llegan a la superficie tienen una energía mayor que la necesaria para liberar a un electrón desde la red de la cual forman parte, surge una corriente de fotoelectrones. Para que esto ocurra, la energía de los fotones debe ser mayor que la energía de enlace de los electrones al material; también tiene que existir una juntura semiconductora que impida la recombinación de portadores positivos y negativos, y la vida media de los portadores debe permitir sostener un flujo de corriente a través de una carga útil.

El silicio es el componente principal de la sílice de las arenas de las playas; después de depurarlo, se fabrican bloques de silicio monocristalino, de los cuales se obtienen obleas que son dopadas con boro y luego con fósforo. Con los contactos eléctricos adecuados se conectan a otras celdas, formando los grandes paneles o módulos solares de uso comercial e industrial. Esos paneles se recubren con vidrios especiales para resistir el impacto del granizo, y se enmarcan en una estructura de aluminio para facilitar su manejo e instalación.

Para aprovechar el máximo de luz solar y obtener un buen funcionamiento, debe mantenerse limpia la superficie del panel. El rendimiento de las celdas solares más modernas supera el 30%, comparado con el 15% de muchos generadores eléctricos.

La energía solar permite el uso de aparatos eléctricos domésticos en hogares alejados de las redes de distribución de electricidad normales. También se puede usar la energía solar para complementar una red de energía eléctrica convencional e incluso, si se da el caso, vender el exceso de producción eléctrica a las compañías suministradoras. A pesar de que la corriente que proporciona una celda solar es corriente continua, se puede hacer la conversión a corriente alterna, así como almacenar la energía obtenida durante el día en baterías para poder aprovecharla por la noche.

Colectores solares para calefacción

Puede parecer contradictorio utilizar la energía solar para calefactar un hogar en invierno, la estación con menos horas de sol. Esa es una realidad, pero, con una instalación de este tipo se consigue entre un 30 y un 50% de las necesidades térmicas de una vivienda. Para ello, se realiza la instalación de unas placas solares llamadas colectores, que absorben el calor del sol y lo transmiten a un circuito cerrado por el que discurre un fluído que, a su vez, transmite el calor al sistema de calefacción.

También puede producirse frío mediante una máquina de absorción, aunque no sea la vía más rentable ni eficiente de producir frío. Es posible refrigerar una vivienda con la misma instalación de suelo radiante con que se calienta en invierno. Para calefactar se hace pasar agua caliente y para refrigerar agua fría.

Una instalación de energía solar térmica concentra el calor del Sol acumulado en unos paneles denominados colectores y la transmite, bien al agua corriente que usamos en nuestras casas para ducharnos, fregar, etc., bien al fluído usado para calefactar mediante radiadores o suelo radiante. Es por tanto, un ingenio que concentra y transmite el calor solar desde un sitio a otro, sin producir electricidad en ningún caso –al contrario que las placas fotovoltaicas, que sí generan corriente eléctrica.

Los colectores absorben el calor y lo concentran gracias al efecto invernadero creado en el interior de la placa, al aislamiento del medio exterior, y a la capacidad de absorción de los cuerpos, -fomentado por el tratamiento químico al que se somete ciertas partes de la placa. En el interior de los colectores existe un circuito cerrado –circuito primario- por el cual discurre un fluído con anticongelante. Este líquido alcanza temperaturas superiores a 100º C en las placas con recubrimiento selectivo, que son el tipo que usamos, y se hace circular, siempre en circuito cerrado, hasta el interior de una cisterna llamada acumulador, donde el tubo adquiere forma de serpentín y entra en contacto directo con el agua que nosotros usaremos posteriormente en nuestra casa –circuito secundario-.

El calor del fluído que atraviesa el serpentín se transmite al agua destinada al consumo que la rodea, aumentando su temperatura. En caso de necesidad, por ejemplo días nublados, se hace uso de un equipo generador auxiliar, generalmente una caldera de gas o gasóleo, para elevar la temperatura los grados que sea necesario. Según la actual normativa, el agua debe salir del acumulador a una temperatura de 60ºC, para evitar peligro de legionella, aunque posteriormente es mezclada con agua fría para rebajar la temperatura hasta 45ºC., que es la temperatura convencional de consumo.

Todo este proceso está controlado por un dispositivo electrónico central que es el que se encarga de automatizar y coordinar la circulación del agua del circuito primario cuando es necesaria mayor aportación térmica, controlar la temperatura de los colectores, garantizar la seguridad del sistema, e incluso en modelos más avanzados, de enviar un correo electrónico avisando de incidencias.

Fuentes y enlaces relacionados

• Paneles solares fotovoltaicos:
  ¿Cómo funcionan las celdas solares?
• Colectores solares para calefacción:
  Soliclima. Energía Solar

Esta entrada fue publicada el Miércoles, 21 de Diciembre de 2005 a las 14:23 y está archivada en Laboratorio.
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