Paneles solares

1999/05/01 Imaz Amiano, Eneko - Elhuyar Zientziaren Komunikazioa Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia berriztagarriak

La superficie de la Tierra no llega más que a una parte de la energía que produce el sol, pero como energía renovable, la energía solar tiene algunas características que la hacen muy interesante para su aprovechamiento: por un lado, es una fuente inagotable de energía gratuita y, por otro, tiene una gran calidad energética, ya que la concentración de la radiación solar permite alcanzar temperaturas de hasta 3.000 ºC, y por último, el sistema de contaminación no presenta una ventaja ambiental lenta.

Sin embargo, la energía solar presenta defectos u obstáculos que se convierten en grandes problemas: No llega a la Tierra de forma continua, sino que se somete a ciclos nocturnos, diurnos y estacionales, así como a condiciones atmosféricas variables (nubes, nieblas, etc.). Por otro lado, antes de su uso y/o almacenamiento, es necesario realizar una transformación a otro tipo de energía (térmica, eléctrica). En este sentido, la transformación y acumulación de energía eléctrica requiere de baterías que, al ser de plomo/ácido, de gel o níquel//cadmio, son contaminantes. En tercer lugar, aunque la energía solar es gratuita, la tecnología para su aprovechamiento es muy cara. Sin embargo, la carestía de este tipo de energía es relativa. Si se compara con los precios actuales de las fuentes de energía tradicionales, es caro, pero el precio real de estas últimas sería mucho mayor si se tuviera en cuenta sus costes ambientales (procesamiento de residuos nucleares, efecto invernadero y lluvia ácida, por ejemplo).

Por último, aunque la producción de energía fotovoltaica es un proceso muy limpio, los productos utilizados en la fabricación de células son tóxicos y su transformación en residuos tras agotar la vida de las células fotovoltaicas (en unos 30 años) puede causar problemas si no se gestiona correctamente. No obstante, hay que tener en cuenta que la mayor parte de los materiales tóxicos que contienen las células son reciclables. Por otro lado, el uso de grandes superficies en el caso de las grandes centrales también ha sido motivo de preocupación, si bien si se compara con el espacio ocupado por la unidad de energía eléctrica producida por las centrales eléctricas tradicionales se puede decir que necesitan una superficie similar.

En cuanto al rendimiento de la conversión energética, ésta es muy baja (en torno al 20%), por lo que pensar que a corto plazo se utilizará mucha energía solar es optimista. Se estima que el 10% de la energía total consumida en los países desarrollados dentro de unas décadas será solar. En cambio, en los países en desarrollo y con fuertes vientos, no son pocos los que afirman que ese porcentaje será bastante mayor.

Usos de la energía solar

Existen dos formas de utilizar la energía solar de forma directa y activa. Por un lado, se puede utilizar para calentar un fluido mediante colectores adecuados. Por otro lado, las células fotovoltaicas permiten transformar directamente la energía solar en energía eléctrica. Ambos procesos no tienen nada que ver tanto en lo tecnológico como en lo de aplicación.

Uso térmico de la energía solar

Este sistema de calefacción no es exclusivo para territorios calientes y, por ejemplo, en Canadá, la industria de calefacción de agua por energía solar se ha convertido en los últimos años en una industria altamente competitiva. También en el País Vasco existen instalaciones ejemplares.

El sistema de obtención de agua caliente solar se podría instalar en cualquier hogar (ver figura 1) y obtener el 75% del agua caliente de esta fuente. También puede utilizarse en polideportivos, piscinas e industria, así como en sistemas de calefacción de edificios. En los hogares, polideportivos y piscinas se utilizan sistemas de baja temperatura. En los procesos industriales, los sistemas más habituales son los que alcanzan una temperatura entre 80ºC y 250ºC. El principio de funcionamiento es muy simple: las placas térmicas captan la energía del Sol y el agua que circula por los tubos bajo la placa se calienta. Como ya se ha comentado, en ocasiones el agua caliente se obtiene para su uso y en otras el líquido de bajo punto de evaporación se convierte en gas para producir energía eléctrica (ver figura 2). En la aplicación de producción de electricidad mediante vapor, las temperaturas a alcanzar son superiores.

Curiosamente, otro campo de aplicación del calor solar es el de la refrigeración. Y es que para conseguir el frío se necesita una fuente de calor, que es lo que ofrecen las placas solares colocadas sobre el tejado. Los países árabes son, entre otros, algunos de los que han empezado a utilizar este sistema de forma efectiva.

Energía fotovoltaica

El sistema de producción de energía eléctrica a partir de las radiaciones solares está basado en la capacidad de las células fotovoltaicas para transformar la energía de los rayos solares en corriente eléctrica. La unidad de producción básica es la célula fotovoltaica, formada por capas de material semiconductor que suministran y captan electrones (ver figura 3).

El conjunto de células fotovoltaicas forma el panel solar. A esto se le llama también módulo y es la unidad básica que se instala para producir energía. Se pueden unir tantas veces como se quiera.

El semiconductor que forma la célula fotovoltaica suele ser de silicio, aunque en la actualidad se utilizan otros materiales. Debido a los rayos solares, algunos de los electrones del conductor son expulsados de la estructura cristalina. No hay que dejarles volver atrás, pero para que vuelvan a los orificios de la región cargados positivamente que han dejado vacíos hay que crear un camino exterior, por ejemplo, con un hilo metálico que une ambas regiones. Los electrones se desplazarán a lo largo de la rosca generando corriente eléctrica.

El silicio monocristalino es el semiconductor más utilizado en la actualidad, ya que es el más eficiente (rendimiento en torno al 23%), pero tiene un alto coste de producción. Por ello, los investigadores han tenido que buscar nuevos caminos. Por un lado, se encuentra el silicio policristalino, más económico pero de menor rendimiento (15-17%). Las capas finas de silicio amorfo (0,001-0,002 mm) son la tercera opción, económica pero de menor rendimiento (12% en laboratorio). También se han investigado y desarrollado láminas finas de otros materiales como el cobre/indio/diselenio “sandwiches” (CuInSe), el dióxido de titanio (TiO) y el teluro de cadmio, entre otros. Se podrían obtener capas finas de técnicas electroquímicas baratas (mediante baños). Las capas de dióxido de titanio, desarrolladas recientemente, son de gran interés por su transparencia y por lo tanto pueden ser utilizadas como ventanas.

Hasta la crisis del petróleo, la energía fotovoltaica que comenzó a desarrollarse en los años 50 se utilizó sobre todo en los satélites. Actualmente, además de los satélites, está disponible en tres ámbitos principales: a) en pequeños productos de consumo como las calculadoras, los relojes; b) para los que viven lejos de la red eléctrica y c) para el suministro de la red eléctrica.

En Navarra, a diferencia de las propiedades particulares y en cuanto a energía fotovoltaica, la potencia instalada actualmente es de 96 kW, la mayor en Gerinda con 320 paneles, mientras que en la térmica la superficie instalada es de 6.000 m2. En la Comunidad Autónoma del País Vasco, sin embargo, en cuanto a energía fotovoltaica se ha instalado alrededor de 59 kW y en cuanto a energía térmica, unos 580 m2.

¿Dónde podemos utilizar la energía solar?

Hoy en día la utilización de energía solar por parte de los particulares es bastante difícil, ya que los edificios existentes no están pensados para ello. Sin embargo, hay cosas que se pueden hacer, sobre todo en obras de reforma o nuevas construcciones. Por ejemplo, en instalaciones generales en edificios de calles con varias plantas, la energía eléctrica se puede obtener a través de la energía solar, pero probablemente las fuerzas deberían ir encaminadas al ahorro energético mediante el diseño y los materiales de aislamiento. Sin embargo, en casas únicas se pueden hacer más cosas. La construcción de una nueva vivienda de este tipo sería en torno al 15% más cara que la de una "normal" cuando se construye (12 millones costará 13 millones), ya que el principal incremento de gasto se debe a un mayor número de elementos de aislamiento. Después, dependiendo del consumo, necesitaremos más o menos tiempo para amortizar esa diferencia.

En cualquier caso, habrá que tener en cuenta que para que una instalación autónoma de este tipo sea económicamente rentable (teniendo en cuenta precios de mercado y dejando a un lado criterios ambientales, ya que no están incluidos en los precios), para que un hogar u otro tipo de instalación pueda acceder a la energía lumínica deberá estar a una distancia mínima de 1,5 km. del punto más cercano. Además, en los casos en los que sea posible, conviene poner algún sistema auxiliar que se ponga en marcha cuando la irradiación solar sea insuficiente o cuando la demanda sea demasiado elevada. Todo ello sin tener en cuenta el beneficio ambiental.