Fuentes de generación de energía (segunda parte)
1- ¿Cuáles son las fuentes de energía?
- Energía Solar Fotovoltáica
El sistema de aprovechamiento de la energía del Sol para producir energía eléctrica se denomina conversión fotovoltaica.
Las células solares están fabricadas de unos materiales con unas propiedades específicas, denominados semiconductores.
Para entender el funcionamiento de una célula solar, debemos de entender las propiedades de estos semiconductores.
Propiedades de los semiconductores.
Los electrones que se encuentran orbitando al rededor del núcleo atómico no pueden tener cualquier energía, solamente unos valores determinados, que son denominados, niveles energéticos, a los que se pone nombre: 1s, 2s, 2p,3s, 3p.
Las propiedades químicas de los elementos están determinadas por el número de electrones en su última capa y por electrones que faltan para completarla. En el silicio, material que se usa para la construcción de una célula solar, en su última capa, posee cuatro electrones y faltan otros cuatro para completarla.
Cuando los átomos de silicio se unen a otros, comparten los electrones de las últimas capas con la de los átomos vecinos, formando lo que se denomina enlace covalente. Estas agrupaciones dan lugar a un sólido de estructura cristalina.
De la forma, que los electrones de un átomo no pueden tener cualquier energía, los electrones de un cristal tampoco pueden tomar cualquier energía.
Teniendo en cuenta que en el átomo sus propiedades se determinan en la última capa, ahora son agrupaciones de capas, llamadas bandas de energía, y que definen las propiedades electrónicas de un cristal.
Las dos últimas capas ocupadas por electrones reciben el nombre de banda de conducción y banda de valencia. Estas están separadas por una energía denominada gap.
Para poder entender esto describiremos los tipos de materiales existentes, eléctricamente hablando:
- Conductores, disponen de unos electrones de valencia poco ligados al núcleo y que pueden moverse con facilidad dentro de la red cristalina respondiendo a un estímulo externo
- Semiconductores, sus electrones de valencia están más ligados a sus núcleos que los conductores, pero basta suministrar una pequeña cantidad de energía para que se comporten igual que estos
- Aislantes, los electrones de valencia están fuertemente ligados al núcleo y la energía a suministrar para poder desprenderse del átomo sería excesivamente grande
Llegando a este punto, podemos decir que a cierta temperatura, algunos electrones tendrán energía suficiente para desligarse de los átomos, a estos electrones libres se les denomina "electrones" y se les asocia con los niveles energéticos de la banda de conducción.
A los enlaces que han dejado vacíos se les denomina "huecos" para entender mejor este racionamiento diremos que los "huecos" se comportan de la misma forma que partículas con carga positiva.
Si pusiéramos un cristal de estas características, lo único que conseguiríamos sería calentar el cristal, ya que los electrones se moverían dentro del propio cristal, se generarían pares electrón-hueco, que constan de un electrón que se mueve y deja un hueco, a ese hueco irá otro electrón próximo, generando otro hueco y así sucesivamente.
Para generar una corriente eléctrica hace falta un campo magnético, que se consigue con la unión de dos cristales semiconductores, uno de tipo p y otro de tipo n.
Estos semiconductores se obtienen con un cristal semiconductor muy puro, introduciéndoles impurezas (dopado).
Una de las regiones se dopa con fósforo, que tiene cinco electrones de valencia, uno más que el silicio, de forma que ésta región dopada muestra una afinidad por los electrones mayor que el silicio puro. A ésta región se le denomina de tipo n.
La otra región de dopa con boro, que tiene tres electrones de valencia, uno menos que el silicio, de forma que ésta región muestra una afinidad por los electrones inferior que el silicio puro. A ésta región se le denomina de tipo p.
De esta forma, teniendo un cristal semiconductor de silicio formado por una región de tipo p y otra región de tipo n, se consigue una diferencia de potencial que hace que los electrones tengan menos energía en la zona n que en la zona p. Por ésta razón los electrones son enviados a la zona n y los huecos a la zona p.
Cuando inciden fotones sobre este tipo de semiconductor, unión p-n, es cuando entonces se rompen algunos enlaces, generándose de esta forma pares electrón-hueco.
Las células solares, para poder suministrar energía al exterior, van provistas de unos dedos o mallas de metalización frontal, que consisten en partes metálicas por la que circula al exterior la corriente eléctrica generada.
Si esta generación se produce a una distancia de la unión menor que lo que se denomina longitud de difusión, estos pares serán separados por el fuerte campo eléctrico que existe en la unión, moviéndose el electrón hacia la zona n y el hueco hacia la zona p. De esta forma se da una corriente de la zona n a la zona p.
Si estos electrones consiguen ser recolectados por la malla de metalización, obtendremos energía eléctrica.
Si la longitud de difusión es muy corta, el par electrón-hueco, se recombinará, lo cuál dará origen a calor.
Por supuesto esto siempre que la célula esté iluminada.
De todas formas no todos los fotones incidentes generan electricidad, hay factores que hacen que existan pérdidas en esta generación.
- Energía de fotones incidentes, hay veces que los fotones incidentes no disponen de la energía necesaria para romper un enlace covalente y crear un par electrón-hueco, y otras, el fotón tiene demasiada energía, lo cual se disipa en forma de calor
- Recombinación, es el hecho de que los electrones liberados ocupen un hueco próximo a ellos
- Reflexión, parte de la radiación incidente en la célula es reflejada
- Malla de metalización, estos contactos eléctricos en el exterior de la célula, disminuye la superficie de captación
- Resistencia serie, es el efecto Joule producido por el paso de electrones a través del silicio, la malla de metalización y resistencia de los contactos de conexión eléctricas al circuito exterior
- Resistencia paralelo, tiene origen en las imperfecciones de la unión p-n, creando fugas de corriente
Estas células conexionadas entre sí, y montadas en un módulo o panel es lo que llamamos panel solar. Cuyas características eléctricas vienen determinadas por el número y forma de conexión de las células.
Conexión serie, conexionadas de forma que el lado p sea conectado con el lado n de otra célula, así sucesivamente, quedando cada extremo con un lado n y otro p.
Las tensiones generadas de cada célula se suman, la corriente es el valor de una célula.
Conexión paralelo, conexionados todos los lados de tipo p, por un lado, y los de tipo n por otro.
La tensión generada es la de una célula y la corriente es la suma de todas.
Conexión mixta, es la conexión en serie y en paralelo de las células.
Donde la tensión generada es la suma de las tensiones de células en serie y la corriente es la suma de todas las células en paralelo.
Itotal = I por número de células en paralelo
Vtotal = V por número de células en serie
Existen varios tipos de paneles fotovoltaicos, que se diferencian bien por su tecnología de fabricación de células o por su aplicación.
- Silicio monocristalino
- Silicio policristalino
- Silicio amorfo
- Policristalinos de lámina delgada
- Paneles para el espacio
- Sulfuro de cadmio y sulfuro de cobre
- Teluro de cadmio
- Seleniuro de cobre e indio
- Arseniuro de galio o de concentración
- Bifaciales
- Energía Geotérmica
Nuestro planeta guarda una enorme cantidad de energía en su interior. Un volcán o un géiser es una buena muestra de ello.
Son varias las teorías que tratan de explicar las elevadas temperaturas del interior de la Tierra. Unas sostienen que se debe a las enormes presiones existentes bajo la corteza terrestre; otras suponen que tienen origen en determinados procesos radiactivos internos; por último, hay una teoría que lo atribuye a la materia incandescente que formó nuestro planeta.
Diversos estudios científicos realizados en distintos puntos de la superficie terrestre han demostrado que, por término medio, la temperatura interior de la Tierra aumenta 3 °C cada 100 m de profundidad.
Este aumento de temperatura por unidad de profundidad es denominado gradiente geotérmico.
Se supone que variará cuando alcancen grandes profundidades, ya que en el centro de la Tierra se superarían los 20.000 °C, cuando en realidad se ha calculado que es, aproximadamente, de 6.000 °C.
La forma más generalizada de explotarla, a excepción de fuentes y baños termales, consiste en perforar dos pozos, uno de extracción y otro de inyección.
En el caso de que la zona esté atravesada por un acuífero se extrae el agua caliente o el vapor, este se utiliza en redes de calefacción y se vuelve a inyectar, en el otro caso se utiliza en turbinas de generación de electricidad.
En el caso de no disponer de un acuífero, se suele proceder a la fragmentación de las rocas calientes y a la inyección de algún fluido.
Es difícil el aprovechamiento de ésta energía térmica, ocasionado por el bajo flujo de calor, debido a la baja conductividad de los materiales que la constituyen; pero existen puntos en el planeta que se producen anomalías geotérmicas, dando lugar a gradientes de temperatura de entre 100 y 200 °C por kilómetro, siendo estos puntos aptos para el aprovechamiento de esta energía.
Energía geotérmica
Tipos:
- Hidrotérmicos: tienen en su interior de forma natural el fluido caloportador, generalmente agua en estado líquido o en vapor, dependiendo de la presión y temperatura. Suelen encontrarse en profundidades comprendidas entre 1 y 10 km
- Geopresurizados: son similares a los hidrotérmicos pero a una mayor profundidad, encontrándose el fluido caloportador a una mayor presión, unos 1.000 bares y entre 100 y 200 °C, con un alto grado de salinidad, generalmente acompañados de bolsas de gas y minerales disueltos
- De roca caliente: son formaciones rocosas impermeables y una temperatura entre 100 y 300 °C, próximas a bolsas magmáticas
Autor: María Florencia Martinetti.
Editor: Ricardo Santiago Netto (Administrador de Fisicanet)