O futuro da enerxía solar

1994/05/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia berriztagarriak

O ano pasado en xullo na sede da Unesco en París, reunidos expertos de todo o mundo, analizaron a evolución da enerxía solar até 2005. É interesante coñecer a situación actual en células fotovoltaicas. Sorprendentemente, o sector que fabrica e utiliza a maior parte das células sen subvención é a calculadora máis pequena de Xapón. Outro dos campos é o dos paneis industriais formados por células fotovoltaicas que aproveitan a enerxía solar nos tellados das casas.

Paneis solares

O rendemento das placas fotovoltaicas é normalmente do 14%, é dicir, a placa achega como enerxía eléctrica o 14% de toda a enerxía calorífica obtida do sol. Os investigadores conseguen habitualmente un rendemento de laboratorio do 20% e coa axuda de sistemas sofisticados poden chegar a alcanzar entre 30 e 40%.

Na actualidade a enerxía fotovoltaica no mundo da costa i emprégase ao redor do vinte mil millóns de pesetas (mil millóns de libras). Esta cantidade é pouco significativa en comparación coa que se utiliza paira outros tipos de enerxía, como a utilizada paira a investigación da fusión termonuclear, pero se espera que dentro dunhas décadas o 10% da enerxía consumida nos países desenvolvidos sexa solar. En cambio, nos países en desenvolvemento e nos que o sol pega forte, esta porcentaxe será bastante maior.

O uso de paneis solares comezou hai quince anos, pero agora utilízanse paira alimentar a miles de bombas, frigoríficos, lámpadas e sistemas de comunicación.

Na actualidade máis de 30.000 casas dispoñen de placas solares nos seus tellados. En Estados Unidos existen tamén centrais de até oito megawatts que tentan introducir a súa produción na rede eléctrica.

Vantaxes e inconvenientes

A produción mundial de células fotovoltaicas aumenta un 20-30% cada ano e duplícase en catro anos. Antigamente a enerxía fotovoltaica provocou grandes soños. Algúns pensaban que ía ser o substituto da enerxía nuclear, pero segundo o refrán vasco, a crenza corrupta a metade. A enerxía fotovoltaica ten grandes vantaxes. Os xeradores son silenciosos, limpos, sen apenas mantemento, sen auga e sen pezas mecánicas. Ademais, o material paira a fabricación destas células (sílice) é moi abundante, representando o 20% da superficie terrestre.

Con todo, non se pode negar que existen desvantaxes. Estas placas tamén funcionaban durante o día, e a produción depende da intensidade dos raios solares, é dicir, maior no verán e menor no inverno. Colocar paneis de gran superficie. En Euskal Herria, por exemplo, ao mediodía o módulo de metro cadrado proporciona una potencia de ao redor de 100 watts. Comparando custos, cada watt producido polo panel é máis caro que o producido nas grandes centrais térmicas, e moito máis caro que o producido nas centrais hidroeléctricas.

Espérase que o 10% da enerxía total consumida nos países desenvolvidos sexa solar durante décadas. En cambio, nos países en desenvolvemento e nos que o sol pega forte, esta porcentaxe será bastante maior.

Con todo, existen territorios nos que estas comparacións non son posibles. Na zona do deserto do Sahara, por exemplo, hai numerosos núcleos illados sen conexión á rede eléctrica. Os que viven illados no monte, as estacións meteorolóxicas remotas e algúns puntos afastados da rede eléctrica son os adecuados paira colocar estes paneis. Cando se necesita enerxía eléctrica nestes lugares, a opción é instalar paneis fotovoltaicos, un xerador diesel, pilas secas Ia. Sen dúbida, a opción máis ecolóxica é a dos paneis fotovoltaicos. É por iso que se conceden subvencións nesta materia paira a investigación de científicos.

Tres liñas de investigación

As investigacións realízanse principalmente en tres vías diferentes. O primeiro é mellorar a posibilidade de silicio monocristalino ou policristalino. O obxectivo é reducir as perdas de rendemento en todas as etapas do proceso. En física de semiconductores é necesario mellorar a separación electrón/buraco. Probar novos sistemas de adelgazamento de láminas de silicio. Nos sistemas de corte utilizados actualmente desperdíciase a metade do material e ademais a lámina é finalmente demasiado grosa. Salgue una lámina de 150 micras e bastaría con 30 micras. Un novo sistema consiste na aplicación dunha fina capa de silicio a partir da fase vapor ou líquida. Astropower de New Xersei ofrece módulos de 120 watts con 18 células de 675 cm 2 producidas por este procedemento.

En cada una destas células, cando o fotón toca o electrón, este sóltase do átomo. Entón temos un electrón libre de carga negativa e un “buraco” de carga eléctrica positiva. Se o procedemento é continuo e conséguese orientar a circulación dos electróns, é posible converter a calor en corrente eléctrica. O problema é impedir que o electrón libre sitúese noutro “buraco”. Así funcionan as células fotovoltaicas. Todos teñen forma de sándwich. No centro atópase a membrana de silicio chamada intrínseco (i).

Cara ao sol hai una fina capa de silicio (p) dopada en boro. O átomo do boro ten tres electróns na capa externa e o silicio catro. Presenta membrana (n) dopada pola cara oposta ao sol con fósforo ou arsénico (cinco electróns na capa externa do átomo). Mediante este sistema (enlace en p-i) conséguese separar os electróns e os “buracos” liberados polos fotóns por un campo eléctrico. Xérase una corrente eléctrica que se almacena en dúas electrodos. Una delas é transparente e conéctase á cara do sol. O outro é metálico e está fixado á resina de encapsulado.

Actualmente estanse estudando enlaces en p-i e enlaces múltiples paira mellorar o rendemento.

A segunda liña de investigación é a do silicio amorfo. Cando descubriron que una fina capa de silicio amorfo desordenado podía ter características de semiconductores dopados con 10 hidróxeno, os científicos mostráronse esperanzadores nos anos 80. A tecnoloxía do silicio cristalino funcionará aproveitando os residuos da industria microelectrónica. Trátase dun silicio que é descartado por non ter una pureza suficiente paira os circuítos electrónicos. A pesar dos esforzos realizados na fabricación de silicio de menor pureza paira a placa solar, os custos son elevados e as industrias fabricantes de células fotovoltaicas temen a súa escaseza. Actualmente consumen ao redor de 600 toneladas de silicio ao ano, pero para que no ano 2000 o 1% do consumo mundial de electricidade sexa solar, necesítanse 1 80.000 toneladas.

Antes de pasar á fotograbación, a célula de silicio policristalino recúbrese de resina fotosensible.

Con todo, a partir do gas silano no reactor de plasma pódese obter corrente con capas dunha única micra de silicio e consumiríase menos material. Por iso os científicos empezaron a investigar este camiño. Os problemas non tardan en aparecer. Por exemplo, o rendemento é do 3 ao 5%. Espérase que dentro duns anos o rendemento sexa de 10 e que o prezo se reduza considerablemente.

A terceira liña de investigación recolle todas aquelas alternativas ás dous anteriores. Outros materiais que non son silicio, como o sulfuro de ferro, o teluriuro de cadmio, os sandwiches cobre/indio/diselenio, etc. De feito, terían maiores rendementos e si pódense obter capas finas de técnicas electroquímicas baratas (mediante baños). Os problemas débense ao descoñecemento destes materiais e ao descoñecemento da contaminación que poden xerar.

Nas células actuais, moitos dos fotóns recolleitos son demasiado enerxéticos. Por iso, a utilización de células sucesivas galio arseniuro/indio/fósforo suporía eliminar ao máximo a enerxía dos raios solares, xa que cada material é especializado paira un determinado nivel enerxético. A instalación de lentes de contacto de fresnel e a concentración de luz nunha pequena superficie melloran notablemente o rendemento. As primeiras sesións desta técnica realizáronse con dúas células apiladas, pero tamén se van a iniciar con catro.

Mediante o control das capas a nivel do átomo da, os materiais de alta pureza deben depositarse con coidado para que o rendemento sexa do 40% i. Recentemente Boeing conseguiu un rendemento do 30% con este tipo de células en tandem e en ambiente espacial. As investigacións están a realizarse paira os satélites, xa que mellorando o rendemento libéranse menos peso ou máis potencia. Espérase que algún día se monten centrais que funcionen no espazo con enerxía solar.

Hoxe en día, dous mil millóns de persoas no mundo viven lonxe da rede eléctrica (sobre todo no terceiro mundo) e aí está o mercado de células fotovoltaicas. A conexión dos paneis, o regulador, o conversor e a batería permitirá dispor de enerxía eléctrica. Sobre todo en África e India teñen moito interese neste tema.