8/14/2019 Para transformar la energa solar en energa Elctrica

1/5

Para transformar la energa solar en

energa Elctrica

Conocimientos previos:Podramos decir que hay tres tipos de materiales capaces de conducirla energa elctrica: Conductores, semiconductores y superconductores.

Metales: Existen dos formas de aadir energa a un metal. A travsde los electrones libres o a traves de los iones. Las energas msbajas absorbidas corresponden al infrarrojo y producen elcalentamiento del metal por excitacin de los iones que vibranalrededor de sus posiciones medias fijas. Los electrones libresabsorben los fotones de mayor energa y por ello, los metales sonopacos a la radiacin visible. Los metales tienen niveles energticosque son ocupados por los electrones. Cuando la energa que se le da almetal es suficientemente grande los electrones abandonan estos nivelesinferiores y se van a los superiores, cuando superan el niver defermi de energa. La energa que necesita un electrn para escapar delnivel de fermi al vaco se denomina funcin trabajo. Por tanto esposible calcular el nmero de electrones que sern excitados por unadeterminada energa incidente, pues slo aquellos electrones quetienen niveles energticos vacos al alcance sern capaces de ganarenerga. El metal se queda energa en forma de calor, como msresistencia elctrica tenga el metal ms energa se va a quedar.Los Conductores son los materiales usados convencionalmente en laaccin de transportar la energa elctrica. Los materiales msconocidos y usados por su baja resistividad elctrica son el cobre, laplata, el oro y el platino. Digamos que un cable elctrico es como untubo que transporta agua. Dentro de este tubo hay muchas impurezas que

obstruyen el paso de la corriente que hacen que se pierda energa. Lacorriente elctrica funciona igual: En este caso las impurezas son lospropios tomos. stos estn colocados en estructuras ms o menoscbicas, cuando hay corriente elctrica los electrones que viajan atravs de estas estructuras a veces chocan contra los tomos delelemento hacindolo vibrar. A estos niveles microscpicos la vibracinsignifica calor, calor que se escapa y se pierde, energa perdida.Adems como ms vibran las estructuras ms electrones inciden sobrelos tomos, ms vibran las estructuras y ms se calienta el material.Si lo que se pretende es obtener calor entonces no hay problema, perosi lo que se pretende es conducir la electricidad con la mayoreficiencia posible entonces tendremos que recurrir a la ley de Ohmpara evitar estas prdidas energticas. Para hacer eso sencillamente

se aumenta la tensin de la corriente disminuyendo la intensidad.

Semiconductores: Los semicon-ductores son unos materiales muyespeciales que conducen mejor laelectricidad que un aislante peropeor que un conductor. A bajastemperaturas se comportan comoaislantes al aumentar su resistividadpero a altas temperaturas suresistividad baja espectacularmente

8/14/2019 Para transformar la energa solar en energa Elctrica

2/5

hasta acercarse a la de los metales. Una cosa muy importante a teneren cuenta es lo que se llama energa de banda prohibida que aparece enlos diodos semiconductores, que es la energa mnima necesaria parahacer pasar un electrn de una lado a otro del diodo, en puntosposteriores explicar el funcionamiento de los diodos semiconductores.stos se utilizan mucho en electrnica para construir

microprocesadores de seales lgicas para computadoras y ordenadores.En la fotografa puede verse un microchip que contiene centenares ymiles de diodos semiconductores que realizan las funciones lgicas quese le mandan. Tan solo mide 0.6 cm^2

Superconductores: Lossuperconductores son ms raros an, sucaracterstica principal es la ausenciatotal de resistividad elctrica, por lotanto son el elemento perfecto paratransportar energa elctrica puesto queno producen prdidas por calor, elproblema es que por el momento slo sehan encontrado materiales

superconductores que funcionan a muybajas temperaturas, y el coste es muchoms elevado que las prdidas que seproducen. Los superconductores se quierenutilizar para construir trenes de

levitacin electromagntica y monorales, pero por el momento elelevado coste impide la progresin de esta tecnologa de lossuperconductores.Podramos comparar estos tres elementos con un ro. En los materialesconductores hay un puente muy grande por el que los electrones puedencruzar fcilmente. En los materiales semiconductores, los electrones

tienen un puente que se ensancha cuando hay mucho calor y se estrechacuando hace fro, pero sea como sea el grosor del puente, solamentepueden viajar en un sentido. Si un fotn o cuanto de luz incide sobreellos puede darles a veces la energa necesaria para saltar el ro sinnecesidad de puente, los materiales dopantes del diodo semiconductorson como piedras en el ro a travs de las cuales los electronestambin pueden cruzar lo. Ms abajo explicar esto del dopaje.Finalmente en los superconductores no hay puente ni ro ni nada, loselectrones pueden vagar libremente por donde quieran sin que nadie ninada se lo impidan, slo hay un problema que siempre tiene que hacermucho fro.Energa solar fotovoltaica:

Quizs el hombre en las ltimas dcadas (y de alguna otra forma en elltimo siglo) lo que ha estado buscando es transformar la energa msvaliosa de las que existen en la tierra, la energa ms extendida yomnipresente; en la energa que podemos transformar en todos los otrostipos que conocemos; se trata de transformar la energa solar enenerga elctrica, y de ah en energa rotativa, cintica,electromagntica, calorfica, luminosa... o cualquiera que queramos.Desde que se descubri el efecto fotoelctrico lo nico en lo que sehan centrado los cientficos es en conseguir los mejores rendimientosen la transformacin de la energa solar por ste mtodo, no hanbuscado otras formas de hacer lo mismo, pero es que a lo peor no hayninguno ms.

8/14/2019 Para transformar la energa solar en energa Elctrica

3/5

La transformacin susodicha se basa en la consideracin de la energaluminosa como cuantos de energa llamados fotones y en la teoracuntica de Max Planck.

El efecto fotoelctrico ocurrecuando un material en concreto esirradiado con energa luminosa y

genera corriente elctrica. En undiodo luminoso o Led como el de lafotografa ocurren los dos efectostanto el de crear luz conelectricidad como el de crearelectricidad con la luz.Durante muchos aos se ha buscado lamejor forma de generar corrienteelctrica a partir del efectofotoelctrico buscando materialescon estas propiedades. Parece serque el silicio convenientementemodificado es el mejor candidatopara esto. Cuando digoconvenientemente modificado hablo delo que se conoce como el dopado delsilicio. Se ha descubierto queconstruyendo diodos semiconductoresde silicio los rendimientosascienden por encima del 30%, y..Cmo se hace esto?, Bien: Un diodo

est formado, como su nombre indica por dos partes. Una parte positivay la otra negativa en la positiva el material se encuentra falto deelectrones y a la negativa le sobran. Cuando estas dos partes se unenforman lo que se llama diodo semiconductor. Las caractersticasprincipales de ste elemento son que la corriente elctrica slo puedecircular hacia un sentido, por eso se llama semiconductor. Otra es quea medida que aumenta la temperatura y a diferencia de los materialesconductores el rendimiento aumenta. La ltima es que tambin produceefecto fotoelctrico.

El silicio por s solo no tiene nielectrones de ms ni de menos, tienecuatro electrones en la ltima capa y yaest, entonces... Cmo se llega a tenerun silicio positivo y otro negativo? Puesa travs del dopado. El dopado consisteen introducir otros materialescontaminantes en menor cantidad o

impurezas en un material madre como es eneste caso el silicio. As si introducimosfsforo en el silicio conseguiremos tenerun electrn de ms cada vez, puesto queel fsforo tiene cinco electrones en laltima capa y obtendremos silicio

negativo, por contra si introducimos aluminio tendremos un electrn demenos o hueco ya que el aluminio tiene tres electrones en la ltimacapa.

ste proceso podramos compararlo con una mesa debillar americano. Las bolas de billar (incluida

la negra) seran los electrones del silicio y loselectrones sobrantes de los materiales dopantes;el tapete verde sera la lnea que une el silicio

8/14/2019 Para transformar la energa solar en energa Elctrica

4/5

positivo con el negativo; a travs de los agujeros iramos a parar ala corriente elctrica y unos guisantes representan los fotones de laluz. Pues bien el efecto fotoelctrico es como si cogisemos guisantesy los hicisemos chocar contra las bolas de billar para intentar quese desplazaran hasta el agujero o hueco ms cercano e incorporarse asa la corriente elctrica.Dispositivos:Hay diferentes dispositivos de conversin directa de energas solar

ene energa elctrica como por ejemplo convertidores termoelctricos,convertidores termoinicos y los fotovoltaicos. De estos tres slo losfotovoltaicos tienen futuro ya que los otros dos son ineficaces enaplicaciones terrestres a gran escala.Convertidores fotovoltaicos:Son los ms avanzados de todos los convertidores de energa cuntica yconstituyen el ms prometedor camino hacia la potencia electro-solar.ste proceso es llamado tambin proceso de fotoemisin interna. Se

produce fundamen- talmente por fotoemisin que posee un umbralinferior a la absorcin de fotones y la luz pasa de ser luz a serelectricidad sin pasar antes por un estadio de energa trmica. Aparte de las clulas fotovoltaicas existen otras, pero la fotovoltaicaes la nica que posee una absorcin ptica muy alta y una resistenciaelctrica los suficientemente baja como para poder convertir laenerga solar en energa til de modo econmico. Gracias a que hay unaamplia eleccin de semiconductores con el intervalo apropiado deabsorcin espectral, podemos seleccionar un material apropiado queabarque el espectro solar. stos semiconductores se hacen uniendopartes positivas y negativas de silicio, que actualmente es el que msrinde. Todas las clulas solares actuales tienen en comn trescaractersticas: 1. Un absorbente ptico que convierte los fotones en pares electrn-hueco.2. Un campo elctrico interno que separe estas cargas.3. Contactos en los extremos del semiconductor para la conexin conuna carga externa.La parte de los convertidores que absorbe los fotones es elsemiconductor que se elige de forma que tenga una banda prohibidasimilar a la del espectro solar. No podramos coger una clula solarcon un valor bajo de energa de banda prohibida aunque pareciera loideal para que absorbiese casi todo el espectro, pero la fuerzaelectromotriz de la clula est limitada por la energa de bandaprohibida, y si sta es pequea la energa electromotriz tambin lo

ser. Es poco probable que un fotn tenga el doble de energa que elnivel de fermi por eso siempre slo habr un slo par electrn-huecopor fotn absorbido y la energa en exceso del fotn se disipa. Hay diferentes tipos de clulas solares en cuanto proceso defabricacin, rendimiento y precio se refiere:Clulas Monocristalinas:Son clulas formadas por un slo tipo de cristal, son bastante caras ydifciles de conseguir. A pesar de eso, consiguen unos rendimientosmuy buenos, los ms grandes, superiores al 30%.

8/14/2019 Para transformar la energa solar en energa Elctrica

5/5

Clulas policristalinas: Se construyen bsica-mente con

silicio, mezclado con arsenio y galio, son un agregado de materiales,casi que es como un bizcocho: renes los ingredientes, los mezclas,los pones en un molde y luego en el horno a una temperaturadeterminada. Son ms sencillas de conseguir y consiguen unosrendimientos nada despreciables (15%). No duran tanto tiempo pero sonperfectas para lugares en los que por las condiciones ambientales,aunque las clulas sean muy duraderas se rompan igualmente, como laalta montaa, los desiertos etc.Clulas amorfas: Las ms baratas, menos duraderas y conrendimientos muy bajos de alrededor de un 6% que tienden a cero con elenvejecimiento. Son las utilizadas en calculadoras y aparatos por elestilo ya que la energa que proporcionan es muy baja. Se construyen abase de evaporar encima de un cristal en una cmara de efluvios el

material semiconductor o foto-reactivo y colocar un par de electrodosen cada una de las unidades correspondientes.