Cèl.les Solars

L'energia del Sol

Donat que gairebé tota l'energia que utilitzem cada dia te relació amb el Sol.
Per exemple.
.- L'energia hidroelèctrica es pot generar donat que el Sol evapora l'aigua dels oceans i forma els núvols que duran la pluja que omplirà els embassaments.
.- L'energia eòlica es produeix quan el Sol escalfa parts de l'atmosfera i provoca desplaçaments d'aire, anomenats vents
.- Els combustibles fòssils es varen produir per la descomposició de plantes que fa milions d'anys emmagatzemaren energia solar en forma de compostos del carboni.
.- L'energia que consumim per moure els nostres músculs prové de les fruites i verdures que mengem, o de carns d'animals que a la vegada també menjaren les plantes. Les quals degut a l'energia solar varen convertir el biòxid de carboni amb aigua i materials nutritius.

L'energia que arriba del Sol és immensa . Ja que en un sol dia la Terra en rebria una quantitat propera a 12 000 vegades de la que consumeix tota la seva població, incloent-hi els combustibles fòssils, energia hidroelèctrica, ...
Però, encara que en sigui molta i gratuïta, la seva captació i conversió fins formes apropiades és encara difícil i econòmicament important, inclòs amb tecnologia moderna .

Des de fa anys, el potencial tèrmic del sol s'aprofita a les cases d'alguns països com Japó i Israel, per substituir el consum d'electricitat o gas, utilitzant pannells de vidre o plàstic sobre tuberies d'aigua per escalfar-la. Però la possibilitat important és la de produir electricitat amb petites cèl·lules fotovoltaiques fabricades amb materials semiconductors.

Actualment la tecnologia fotovoltaica en escala industrial encara no es troba en condicions de substituir les fonts convencionals d'energia com la hidroelèctrica, tèrmica, o nuclear, però si hi considera un futur.
De fet, en alguns països ja s'utilitza com a complement energètic; per exemple, per alimentar en zones desèrtiques i muntanyenques als radiotelèfons, bombes de regadius, electrodomèstics, … Inclòs, ja es comenta que també cotxes, avions, iots petits inclourien pannells de cel·les solars. En fi s' en parla molt del Sol com a generador d'electricitat, encara que ja son bastants els anys en que comença a utilitzar-se en calculadores, rellotges, i ràdios.

L'energia solar té com avantatges, la possibilitat de producció centralitzada o individual, on els usuaris la podrien condicionar a les seves necessitats. En canvi el mètodes actuals necessiten de grans instal·lacions, (les centrals elèctriques ), i grans infrastructures per transportar l'energia amb considerables impactes ecològics.

Tot recordant les histories, entre les bases de les civilitzacions, hi va ser l'aprofitament de l'energia i el desenvolupament de sistemes per a convertir-la en treball, considerant-hi aquí a partir de l'utilització del foc per l'humanitat.
A l'energia se la defineix com la capacitat que posseeixen els cossos, sistemes, .. per a produir un treball. Així doncs un treball efectuat sobre un cos o sistema de cossos provocarà un augment la energia d'aquests. Per exemple en corbar un arc s'hi emmagatzemaria energia en forma anomenada elàstica que es manifestaria per poder llançar-hi la fletxa.
En aquest procés es produeix només la cessió d'energia entre els components del sistema ( des de la persona a l'arc que es tiba, i des de l'arc a la fletxa) . Aquesta situació s'explicaria com un principi de la conservació de l'energia, ja que d'energia ni s' en crearia ni s' en destruiria, si no que es transformaria d'un tipus o estat a uns altres.


Conceptes de la física clàssica

Amb la física mecànica d'en Isaac Newton, el terme energia fou aplicat com una mesura de la capacitat de produir un treball; però el concepte d'energia" prové almenys des de Galileu del segle 17, qui afirmà que quan un pes es aixecat amb una politja, la força "F" que s'hi fa multiplicada per la distància "d" recorreguda es manté constant i se l'anomenava " treball ", ( T = F . d ) .

A finals del segle 17 , en Isaac Newton definí les bases d'un nou concepte de la física, i proposà el concepte de força com una magnitud que provoca els moviments dels objectes, cossos, .. De fet ell forà el qui reconegué que la força "F" resultaria del producte de la massa "m" d'un objecte per l'acceleració "a" que s'hi produeix ( F = m . a ) i com que si la força provoca un desplaçament es comptabilitza un treball T = F.d , ja tenim així relacions entre energia, treball, força, desplaçament, massa, acceleració .

Els científics i filòsofs posteriors a Newton, substituïren la noció de la forçà per les energies associades a elles com causes originaries dels fets físics. Segons els seus principis, les intercanvis de energia entre els diferents sistemes són responsables d'aquests fenòmens i es manifesten en diverses formes convertibles entre sí. Així doncs, es considerava l'energia des de un punt de vista físic, com un fluid present de manera intrínseca en els diferents cossos.
Aquest fluid rebria el nom de "calòric", i s'utilitzava para explicar tant els intercanvis de temperatura entre diversos objectes com las transferències d'energia. Però no va ser fins segle 19 que es demostrà que no existia cap fluid que es intercanviaria entre els cossos, sinó que tots aquests fenòmens es podien explicar en base a l'aplicació d'energia a un sistema, o a l'extracció d'energia del mateix sistema.

La revolució de la mecànica quàntica

.
Al segle 20 apareix una nova teoria que obligà a modificar substancialment el concepte d'energia i les seves relaciones d'intercanvi entre els cossos. La relativitat física definida per Einstein, considera que l'energia i la massa son diferents manifestacions de una propietat única, lo que modifica el tradicional principi de conservació de l'energia. Així, l'energia pot passar als altres estats i inclòs convertir-se en massa, i a l'invers.

En experimentes nuclears a altíssimes temperatures, els científics han verificat un fenomen de transformació de massa en energia pura, malgrat tot ha estat impossible produir la conversió en sentit contrari. Però del qualsevol manera, quant l'anàlisi no inclou processos nuclears podrà acceptar-se el principi de conservació, que considera el calor com única via de trànsit d'energia de un sistema aïllat. Dit en altres paraules, quant no s'involucren ni reacciones nuclears ni velocitats properes a les de la llum, totes les fórmules tradicionals de la mecànica clàssica desenvolupades por Newton siguin tenen validesa universal.

 

A què ens porta això?


A concloure que amb el nostre ambient quotidià el principi de la conservació de l'energia deu complir-se i al mateixa vegada això ens porta a preguntar-nos:
Quanta energia lluminosa que arriba en un dia solejat sobre el sostre, el paviment, la terra, ... es perdrà en forma de calor ?

El problema de la humanitat, llavors no és l'absència de fonts d'energia , ja que amb la del Sol n'hi hauria prou per totes les necessitats; la qüestió es desenvolupar una tecnologia eficient que permetria transformar-la directament en treball o en altres formes d'energia. Justament, una alternativa que se ha desenvolupat gràcies al progrés en els materials semiconductors ho son les cel·les solars.

La cel·la solar


Quant parlem de cèl.les d'energia solar, de vegades ens imaginem una tecnologia molt moderna , desenvolupada entre els últims 20 o 30 anys, però això no es així: el primer experiment registrat respecte a la conversió d'energia solar en electricitat data 1839, quant el científic francès Antonie-Cesar Becquerel va descobrir l' efecte fotovoltaic en experimentar amb un elèctrode sòlid en una solució electrolítica. Segons les seves observacions, es generava un corrent elèctric quan la llum arribava a l'elèctrode, i no hi havia corrent en la foscor. Encara que els valors de l'efecte a efectes pràctics no eren alts, donà les bases dels futurs experiments.
50 anys després, un investigador anomenat Charles Fritts va construir el que estrictament parlant va ser la primera cel·la solar. Per això va utilitzar un element poc conegut anomenat seleni, el qual va recobrir amb una capa quasi transparent d'or. Amb aquesta millora va aconseguir un dispositiu que produïa energia elèctrica en ser il·luminat amb la llum solar, encara que la conversió era insuficient (és calcula que convertia en electricitat menys de l'1% de l'energia solar que l'hi arribava), d'immediat va fer veure als científics el potencial d'una font d'energia barata, segura i gairebé inesgotable.I

Inclòs a finals del segle 19, quan encara els cotxes no passaven de ser una curiositat, molts investigadors varen opinar que amb el desenvolupament de l'energia fotovoltaica es podrien evitar les enormes emissions de fum que es produïen en les grans maquines de vapor que impulsaven a la indústria d'aquells temps.

El fenomen va començar a rebre més atenció per part de la comunitat científica al 1905. Gràcies a un treball de Albert Einstein, qui per primera vegada va explicar de manera apropiada la seva naturalesa (un detall poc conegut es que Einstein va rebre el premi Nobel de física, al 1921, per explicar l' efecte fotoelèctric i no per la teoria de la relativitat, com pensen molts).

Les investigacions varen continuar, i per la dècada dels anys 30 ja s'havien descobert altres materials que podien utilitzar-se en la generació de l'energia elèctrica a partir de la llum solar, essent el més prometedor una combinació de coure i un semiconductor amb base d'òxids de coure; tot i això, el seleni segueix sent el material per excel·lència per la fabricació de cel·les solars, inclòs es va començar a arribar al públic no especialitzat, sobre tot als aficionats de la fotografia, mitjançant mesuradors de llum per calcular el temps d'exposició i obertura de la lent de la camera fotogràfica "exposímetres".

Tot i això, es va aconseguir a principis dels anys 40 una cel·la solar més eficient,. Al 1 941 Russel Ohl va mostrar la primera cel·la solar amb base de silici, un material econòmic, abundant i relativament fàcil d'obtenir (el silici es un dels principals components de la Terra, i s'obté amb facilitat l'arena). Amb aquest material per primera vegada van obtenir eficiències al voltant del 3 o 4%, és a dir, solament es podia transformar en energia elèctrica aquest percentatge del total d'energia solar incident sobre la cel·la: una magnitud molt baixa, sens dubte, però ja susceptible d'aplicacions pràctiques.

L'augment de l'índex d'eficiència va representar una gran avanç amb comparació amb les tradicionals cel·les de seleni. Tan avantatjós va ser que el disseny va perdurar durant 30 anys, fins que tres científics nord-americans els laboratoris Bell _ en G.L Pearson, Daryl Chapin i Calvin Fuller varen desenvolupar una cel·la de silici que proporcionava una eficiència del 6%. Van ser aquestes cel·les solars les primeres que començaren a utilitzar-se massivament en diverses aplicacions.

Amb l'aparició de nous materials, com el arsènic de gali (un semiconductor ideal per aplicacions optoelectròniques), la eficiència de les cel·les solars s'ha incrementat considerablement, els nous dispositius poden convertir-ne al voltant de 20-25% de la llum solar directament en energia elèctrica, i si en el disseny de la cel·la solar s'hi incorporen elements òptics que concentren la llum en els elements fotovoltaics, aquesta eficiència pot elevar-se a prop del 40%.

L'energia fotovoltaica és una alternativa real i viable per la substitució de algunes fonts tradicionals; per exemple, és la font principal de subministrament energètic de les sondes espacials o els satèl·lits artificials; i ja s'utilitza des de fa temps en rellotges de polsera, calculadores electròniques, ràdios portàtils, joguines, ....

Que és l' efecte fotovoltaic ?


El efecte fotoelèctric consisteix en la emissió d'electrons que experimenten determinades substàncies, per exemple els metalls alcalins en incidir a sobre d'ells radiacions de l'espectre visible.
Des de el segle 19, els físics coneixen un fenomen segons que quant un raig de llum ultraviolada pur es llança sobre una placa de metall, esta expel·leix electrons, i si una llum de freqüència més baixa, per exemple groc o roig, cau sobre aquella placa, esta també expel·leix electrons però i menors velocitats, i si la font de llum es canvia més lluny, reduint-la a un petit resplendor, el número d'electrons expel·lits és menor però la seva velocitat segueix sent la mateixa. Resumint : la força amb que els electrons son expel·lits de la placa metàl·lica depèn únicament del color de la llum (es a dir, de la freqüència) i no de la seva intensitat. I va ser Einstein qui al 1905 explica satisfactòriament aquest fenomen.
Ell va suposar que aquests efectes peculiars, solament podrien explicar-se sí es parteix de la llum esta composta per partícules individuals o granulats d'energia a qui s' en diu "fotons", i que quant una d'aquestes partícules colpeja a un electró l'acció es semblant al xoc de boles de billar. Einstein també va pensar que els fotons de radiacions violada, ultraviolada i altres radiacions de alta freqüència, tenen més energia que els fotons de llum roja e infraroja, de menor freqüència, i que la velocitat amb que els electrons sortiran de la placa de metall es proporcional a la magnitud de l'energia continguda cada fotó. Això explicaria perquè en canviar la freqüència de la llum, canvia la velocitat amb que els electrons s'arranquen de la placa.

Com funciona una cel·la solar?


Per les explicacions d' abans, queda clar que una cel·la o cèl·lula solar és un dispositiu que capta la llum solar y la transforma en energia elèctrica a través de un efecte fotoelèctric intern, anomenat també fotovoltaic (a la categoria de dispositius fotovoltaics pertanyen també los fotodiodes i els fototransistors).

Les cel·les solars típiques, estan constituïdes per una placa prima de silici tipus P, sobre aquesta superfície es crea per difusió un altra capa prima de silici tipus N. En la part inferior, hi ha un revestiment metál.lic i a la part superior amb una sèrie de contactes metàl·lics.
La capa prima de silici semiconductor, s'obté a partir de barres cilíndriques de material de alta puresa, aquests es tallen amb discs anomenats waffers "~ neules " i son la base de pràcticament tots els circuits integrats moderns.

Però, el silici pur te un comportament aïllant, això es, no permet el pas de grans corrents elèctrics a traves d'ell. Per convertir-lo en una cel·la fotovoltaica, el material haurà de passar primer per un procés de dopatge amb impureses de diversos materials, els quals li confereix el grau de conducció necessari per convertir-lo en semiconductor. Les impureses més utilitzades són el bor que te com a característica principal la propietat d'acceptar un electró en la seva òrbita de valència, i el fòsfor que pot cedir un electró.

Una vegada obtingut la neula de silici, es atacat amb impureses de tipus P d'un costat i de tipus N de l'altre, formant-se al seu centre una unió (junció) amb els dos materials.
Com a conseqüència, apareix al material un camp elèctric d'aproximadament 0.6 volts (per al cas del silici), donat que els electrons sobrants que procedeixen del silici tipus N traspassen al silici tipus P i omplen els buits que allí sobren, quedant àtoms ionitzats a un i a l'altre costat de la unió, però que són immòbils ja que queden fixats en les seves posicions dins de la malla cristal·lina .
En incidir llum directa sobre la superfície del material, els fotons exciten als materials semiconductors, hi comencen a desenganxar-se electrons del material tipus P, provocant la creació de parelles electró-forat (buit); això és, que els electrons arribin a la zona tipus N i els buits o forats arriben a la zona tipus P, dins de la zona dominada pel camp elèctric. Si els connectors de la cela estan connectades o el circuit extern associat es tanca, circularà la corrent des del pol positiu (part inferior de la cèl·lula) al negatiu ( la cara que agafa directament la llum), generant-se un voltatge de 0.6 volts.

Les celes s' interconectarien formant mòduls capaços de proporcionar energia elèctrica a sistemes d'emmagatzematge (bateries), i a les càrregues o equips als que es connecten per a fer-los funcionar. Actualment les celes solars es fabriquen d'acord amb els següents paràmetres:


· Gruix de la cela : 0.2 a 0.3 mm
· Gruix de l' emissor: 0.0002 a 0.0005 mm
· Gruix de capa antireflexant: 0.000075 a 0.00008 mm
· Àrea total coberta per l'enreixat : menor del 10%


La raó per la que es requereix que l'espessor de la cela sigui de 0.2 a 0.3 mm ( es a dir, entre dos i tres dècimes de mil·límetre), és que el total de la radiació visible que prové del Sol pot ser absorbida només amb espessors de silici d'aquest ordre. Això representa una desavantatge amb comparació amb el nou tipus de celes que es fabriquen en pel·lícula fina, per les quals són suficients els espessors d'ordre de 0.001 a 0.003 mm ( amb el consegüent estalvi de material).

Tot i així, aquestes cel·les encara ofereixen la eficiència que caracteritza al de silici cristal·lí; d'aquí que encara estiguin en desenvolupament, però amb un gran possibilitat per baixar els costos de la energia fotovoltaica. Per la seva part, devia el seu índex de refracció, el silici pur reflexa quasi el 30 % del espectre solar; en aquestes circumstàncies, es necessita una capa intermèdia no absorbent que permeti l'acoblament entre el silici i l'aire que redueixi la reflexió de la llum incident. No obstant hi ha els que segueixen pensant que l'alt preu del silici en forma cristal·lina és un obstacle per aconseguir relacions eficiència/cost adients ;si fora el cas s'aspiraria a millorar-ne les cel·les actuals.
Actualment subsisteix la necessitat de continuar investigant fins trobar una tècnica competitiva en la relació eficiència i el cost de les cel·les; i també hi ha laboratoris que investiguen el desenvolupament de cel·les solars de tipus molecular.

Components de cel·les


Un altre aspecte important a prendre en compte, que el corrent generat per mitjà de sistemes fotovoltaics és del tipus continu, a diferencia del que sol haver-hi a les nostres cases que és el corrent altern, i per tant depenent de l'aplicació s'haurà de convertir el corrent continu amb altern, al convertidor que s'encarrega d'això es diu <<inversor>>. En altres paraules, un petit sistema fotovoltaic que funcioni de forma autònoma, en general estirà constituït per les celes solars, regulador, inversors, equips de protecció ... i bateries.

El pannell de mòduls (que és responsable de proporcionar l'energia elèctrica a partir de la radiació solar rebuda al lloc en qüestió) consisteix en un cert número de mòduls que tenen de interconnectar-se en sèrie i/o en paral·lel.
Es connectaran en sèrie si es requereix alts voltatges (ja que, per exemple, alguns inversors demanden que el voltatge d'entrada sigui de 48 volts, mentre que altres només accepten 12 volts de CC)
Es connectaran en paral·lel quan es necessiten grans intensitats (de manera que la suma de les corrents individuals pugui proporcionar la intensitat sol·licitat).

En general, un pannell consta de varis conjunts de mòduls en paral·lel que es connecten entre si en sèrie o a l'invers. L'aparell fotovoltaic no necessàriament ha de proporcionar la potència sol·licitada per càrrega, sinó, més bé assegurar que l'energia total generada sigui igual a la consumida. Per exemple, un motor de 1500 watts que treballa durant dos hores diàries consumeix 3 Kw.h per dia; aquesta càrrega pot ser proporcionada per un pannell d'aproximadament 900 watts (màxim) que estaria exposat a 5 hores de radiació solar màxima, en promedi, cada dia (això sense considerar les pèrdues d'energia del sistema). I per emmagatzemar l'energia per ser consumida per la nit, existeix una varietat de bateries recarregables, tipus plom - àcid, níquel- cadmi, plata -zinc, plata -cadmi. Essent les més comuns actualment les de plom-àcid i les de niquel-cadmi.

Avantatges de les celes solars


Entre les avantatges que com a font d'energia elèctrica ofereix un sistema fotovoltaic, podem anomenar :


1. La conversió d'energia solar en elèctrica, es fa de forma directa e instantània; es a dir, no es requereixen de processos intermedis. Diríem que es tracte d'una forma d'energia neta, doncs no hi ha generació de gasos o de residus.


2. L'energia fotovoltaica es modular, el que permet escales variables d'aplicació i generació; i per això es pot fer servir per alimentar un rellotge, un cotxe, un satèl·lit, una casa o una central de gran potència; i a més, és possible generar energia al lloc on es necessita i per la quantitat requerida, el que és molt útil en àrees molt aïllades a on hi ha poca població.


3. La instal·lació de sistemes generadores d'energia amb base de fotocel.les és senzilla; a més requereix d'un manteniment mínim, doncs no hi ha parts mòbils que es desgastin. Normalment, n'hi ha prou en posar aigua destil·lada a les bateries i amb certa freqüència netejar la pols que s' acumularia als mòduls.


4. Els avanços en el desenvolupament de mòduls fotovoltaics, han permès que aquests arribin fins els 20 o 25 anys de vida. Aquest és un factor molt important en la comparació amb el període d'aprofitament de les fonts d'energia tradicionals.


Desavantatges de les celes solars


1. El seu cost.


2. La petita densitat d'energia obtinguda per una unitat d'àrea. No obstant, s'esperen a mig termini millores tecnològiques per la baixada dels costos de producció de les cel·les.


3. La producció d'energia solar depèn de l'horari, i no es possible per ara, emmagatzemar-la en escala industrial per a usos posteriors. A més, en zones boscoses o molt tapades per núvols, aquesta tecnologia podrà no ser molt competitiva o crear problemes en desabastir d'energia. Així és un factor important a l'hora de dissenyar un sistema d'alimentació d'aquest tipus, la relació entre la quantitat de llum rebuda i el temps en que la fotocel.la està il·luminada.

La radiació que rebem del Sol té 2 components :


1. La radiació directa que és la que rebem els dies sense núvols quan el Sol es troba al zenit (punt més alt a l'horitzó).
2. La radiació difosa, ja que en dies amb núvols hi ha reflexions en les muntanyes, dispersió a través dels núvols i així te un espectre de colors diferent del de la radiació directa.

En general, serà difícil predir exactament la intensitat lluminosa que rebrem del Sol, ja que això depèn de lloc geogràfic considerat. Però lo important és el promedi de la energia al llarg d'un dia determinat. I com aquest promedi varia segons les estacions de l'any, s'acostuma a calcular-ne estadísticament els promedis per mes i any i així calcular el nombre de cel·les solars que es necessitarien per produir una determinada quantitat d'energia elèctrica, a partir de les dades de la radiació solar rebuda en un lloc determinat.

Conclusió


Els sistemes d'energia solar són una de les més importants fonts alternatives o complementàries d'energia, segons les condicions de la seva aplicació. Els governs, les universitats i les empreses tenen de propiciar les investigacions per augmentar l'eficiència d'aquests sistemes de generació d'energia, doncs les tecnologies basades en hidrocarburs han generat problemes seriosos per la vida. A més, seria molt avantatjós que poguéssim produir a les llars l'energia que necessitem.