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En esta entrada hablaremos de cómo actúa un fotón cuando incide en la superficie de una célula solar fotovoltaica por semiconductores con uniones PN. Para ello empezaremos con lo básico, que es conocer qué son las bandas de energía de una estructura cristalina:

Bandas de energía

En un átomo, los electrones se encuentran en unos determinados niveles de energía. Estos niveles están cuantizados. Cuando hablamos de una estructura cristalina, en vez de niveles simples tenemos agrupaciones de niveles energéticos muy juntos, que se denominan bandas. Estas bandas energéticas determinan las propiedades electrónicas del cristal. En este caso nos centraremos en las dos capas últimas capas del cristal, y por tanto, las más energéticas: la banda de conducción (la más energética) y la banda de valencia (la segunda más energética).

Al exponer una célula fotovoltaica al sol, los fotones contenidos en la luz solar inciden sobre ella. Cada uno de esos fotones puede crear un par electrón-hueco en el semiconductor, es decir, dotar a un electrón de la suficiente energía para promocionarse de la banda de valencia a la banda de conducción.

Las bandas energéticas de valencia y de conducción se encuentran separadas por una cantidad de energía denominada energía de gap (E_G). Entonces, para que un electrón pueda alcanzar la banda de conducción desde la banda de valencia, necesita que un fotón le proporcione una energía mayor o igual a la E_G. Al fenómeno de creación de pares electrón-hueco se le conoce como generación. Cuando un electrón llega a la banda de conducción puede entonces circular por un circuito exterior, lo que hace posible la formación de una corriente eléctrica. Así, la placa fotovoltaica funciona como generador eléctrico. Asociado al proceso de generación tenemos la recombinación, que es el proceso contrario en el que un electrón libre ocupa un hueco. Con cada recombinación se pierde un electrón excitado y por tanto disminuye el rendimiento de la célula solar.

En la siguiente imagen podemos apreciar gráficamente el proceso de creación de un par electrón-hueco, cuando un fotón proporciona una energía mayor o igual que la energía de gap a un electrón y lo promociona desde la banda de valencia a la banda de conducción, y e l proceso de recombinación, cuando un electrón excitado ocupa un hueco.

Una de las condiciones más importantes de un posible emplazamiento para un parque eólico es la velocidad media del viento registrada en ese lugar a lo largo del año. Hay lugares “privilegiados” para la instalación de parques eólicos pues presentan unas características muy favorables:

• Aseguran unos buenos niveles (medio-elevados) de intensidad de viento.
• La dirección predominante del viento es estable a lo largo del año. Por ejemplo, las zonas dominadas por corrientes marinas como el estrecho de Gibraltar o Galicia, o los valles en los que el viento queda encauzado como el valle del Ebro.
• Son zonas elevadas y directamente expuestas al viento.

Ahora comentaremos algunos de los factores que pueden causar variaciones en la velocidad del viento y de qué manera esto puede afectar al buen trabajo de los aerogeneradores de un parque eólico.

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Parque eólico

Es necesario llevar a cabo un estudio de impacto ambiental antes de la construcción de un parque eólico. Es evidente que el primer punto importante es la prohibición de la construcción de parques eólicos en cualquier zona protegida. Aparte de eso, es importante estudiar si la zona escogida es atravesada por alguna ruta de aves migratorias, ya que el movimiento de las palas de los aerogeneradores puede conllevar la colisión de algunas aves. Actualmente, este problema es menor, ya que los nuevos aerogeneradores son de baja velocidad de rotación.

Otro problema derivado es el ruido producido por las palas al girar, que puede molestar a la fauna local o a las poblaciones cercanas y el llamado “efecto discoteca”, que puede ser causa de estrés, y que se produce cuando el sol está por detrás de los molinos y las sombras de las palas de proyectan sobre ventanas o jardines.

Durante la fase de construcción del parque eólico, debido a las dimensiones de los componentes que hay que trasladar, y a la propia maquinaria, se hace necesaria la habilitación o construcción de viales o pasos. Esto tiene diversos efectos secundarios como la destrucción de la cubierta vegetal, la emisión de gases contaminantes, la perturbación de la fauna local,… Además, la continua presencia de los operarios durante la construcción y toda la vida útil del parque eólico para su mantenimiento, también puede afectar de forma negativa a la fauna.

Hoy en día, el uso de energías renovables a nivel doméstico se ha convertido en una buena y eficiente alternativa para obtener electricidad, agua caliente, calefacción en invierno o aire acondicionado en verano. Por ejemplo,

• Energía solar térmica: Se puede instalar en viviendas apartadas o urbanizaciones para el abastecimiento de agua caliente y calefacción. Se consigue un ahorro importante, ya que proporciona entre un 60% y un 80% del agua caliente y calefacción que se utiliza a nivel doméstico. Además, estos sistemas suelen tener una larga vida de útil y su uso y mantenimiento son sencillos para el usuario.
• Energía solar fotovoltaica: Se instalan paneles fotovoltaicos en los tejados para generar electricidad para el propio consumo o para la venta a la red general.
• Energía eólica: A nivel doméstico, se pueden utilizar mini-aerogeneradores para aprovechar la energía del viento. Una de las alternativas más útiles es instalar aparatos que combinan al mismo tiempo el uso de la energía solar y la eólica. Así, será posible cubrir las necesidades energéticas domésticas casi al 100%.
• Biomasa: En este caso, la opción son estufas y calderas que consumen pellets. Los pellets son un combustible ecológico de muy alto rendimiento calórico que consiste en pequeños cilindros de madera prensada sin ningún tipo de aditivo químico. Estos cilindros se forman a partir de residuos de madera reciclada que provienen de la industria maderera, por lo que no se cortan árboles para fabricar pellets.

VENTAJAS

• Al estar hablando de una zona aislada, el impacto sonoro no causará molestias en ninguna población.
• Igualmente, se elimina el impacto visual creado por los aerogeneradores al no estar cerca de ningún núcleo poblado.
• La recuperación de la zona es casi completa una vez haya finalizado la fase de explotación del parque y puede hacerse en poco tiempo y con un coste razonable.

INCONVENIENTES

• El coste del cableado para la conexión a la red eléctrica es muy elevado, dada la cantidad de kilómetros que puede separar el parque eólico del punto de conexión más cercano.
• El coste de transporte de todos los materiales y las grandes piezas para la construcción de los aerogeneradores. Implica la construcción de carreteras y vías que den acceso a la zona y que causan alteraciones en el suelo y la vegetación.
• El impacto sonoro puede perturbar a la fauna de la zona, no acostumbrada a este tipo de sonidos “no naturales”.
• La presencia de personas y vehículos durante la construcción del parque y de técnicos durante su fase de explotación pueden también afectar a la fauna.
• Aunque la dimensión del problema es cada vez menor porque la velocidad de rotación de las palas es baja, es necesario asegurarse que la zona no está atravesada por ninguna ruta de aves migratorias, ya que las palas pueden causar la muerte de las aves.
• La situación del parque, en un lugar aislado, puede causar retrasos a la hora de llevar a cabo reparaciones o labores de mantenimiento, ya que el desplazamiento de los técnicos hasta la zona puede ser lento o más dificultoso de lo habitual.

El rendimiento de las células fotovoltaicas depende en gran medida de las variaciones de temperatura. Por ejemplo, el aumento de temperatura en las células solares supone un incremento en la corriente, pero también una importante disminución de la tensión, por lo que la potencia del panel disminuye y con ello la eficiencia. Se calcula que el descenso de la eficiencia es del orden del 0,3%-0,5% (dependiendo del tipo de célula: silicio o arseniuro de galio) por cada grado de incremento de la temperatura.

Como una posible solución a este problema, se han desarrollado los paneles solares híbridos, que integran la energía solar fotovoltaica y térmica en un único panel solar. La idea es que el exceso de calor existente en las células fotovoltaicas se transfiere a un absorbedor de temperatura que calienta un fluido portador, como en las aplicaciones de energía solar térmica. Se puede, entonces, utilizar dicho calor para la producción de agua caliente, climatización, etc. en el caso de estar instalado en un edificio de viviendas, o para la refrigeración del propio panel fotovoltaico, mejorando así su rendimiento para la producción de electricidad.

Teóricamente, la energía máxima extraíble del viento es independiente del número de palas y viene determinada por la Ley de Betz. Esta ley se basa en la idea de que un aerogenerador ralentiza el viento al pasar por el rotor hasta 2/3 de su velocidad inicial. Esto significa que no es posible aprovechar toda la energía cinética del viento.

La Ley de Betz postula: “Sólo puede convertirse menos de 16/27 (aproximadamente el 59%) de la energía cinética del viento en mecánica usando un aerogenerador.” En la práctica la potencia máxima extraíble oscila entre el 40% y el 50%.

La potencia generada por un aerogenerador depende en gran medida de la velocidad del viento, pero también del área barrida por las palas por lo que actualmente la tendencia es hacer los aerogeneradores cada vez más altos (a más altura mayor velocidad del viento) y con palas más largas (mayor superficie de barrido de las palas). En la siguiente figura podemos ver gráficamente la evolución de los aerogeneradores:

Respecto al número de palas hay que destacar que los rotores tripala han demostrado su eficacia y eficiencia, y se han convertido en los más utilizados en todo el mundo:

- Un mayor número de palas permite obtener sistemas más equilibrados y estables. Así, un rotor de tres palas es mucho más estable que uno bipala o monopala, es decir, presenta un equilibrio mucho mejor de fuerzas giroscópicas y sufre menos vibraciones.

- Cuanto menor es el número de palas mayor es la velocidad de giro, por lo que, en una situación de fuertes vientos, es más conveniente un aerogenerador tripala que uno bipala a fin de evitar que la velocidad de giro alcanzada por el rotor sea demasiado elevada. Una velocidad de rotación muy alta puede generar problemas de ruido y más desgaste en algunas piezas del aerogenerador, además de aumentar la probabilidad de daños a la avifauna.

La construcción de un parque eólico supone una gran inversión y son necesarios varios años de operación para recuperarla. Según datos de EGA (Asociación Eólica de Galicia), el coste de levantar un parque eólico tipo de 23,2MW es de aproximadamente un millón de euros por MW.

Este coste se puede desglosar en cinco categorías:

1. La obra civil.
2. La infraestructura electromecánica.
3. Los aerogeneradores.
4. La contribución al refuerzo de la red eléctrica.
5. Otros gastos: licencias, estudios de impacto ambiental, proyectos de ingeniería, etc.

En la siguiente imagen, extraída de la página web de la EGA,  puede verse de forma gráfica la repartición de coste por MW instalado en Galicia:

Salta a la vista que los aerogeneradores suponen la mayor parte de la inversión (más del 70%), seguidos de la infraestructura electromecánica (aproximadamente el 14%), la obra civil (cerca del 8%), la contribución al refuerzo de la red (alrededor del 5%) y gastos varios (menos del 3%).

Datos de la misma asociación eólica nos indican que los costes anuales relativos a la gestión y mantenimiento del parque ascienden a unos 17.500€ por MW.

Con todos estos datos, podemos calcular que la construcción de un parque eólico de 23,2MW tiene un coste aproximado de 23 millones de €, y dado que su vida útil suele rondar los 20 años, el coste de mantenimiento y gestión ascenderá a unos 8 millones de €. A estos gastos de explotación habría que añadir los de alquiler de terrenos, seguros, impuestos,… que fácilmente supondrán otros dos millones y medio de € durante la vida útil del parque.

Para decidir cuál es el ángulo de inclinación más adecuado para los colectores solares es preciso estudiar la posición del Sol en cada momento. La inclinación óptima es la que permite que los rayos solares incidan de forma perpendicular sobre los captadores, especialmente a las horas de mayor intensidad de radiación, es decir, al mediodía solar. Diversos estudios han señalado que una buena referencia es la latitud del lugar, de manera que aconseja que los ángulos de inclinación tomen valores entre latitud ±20º. El ángulo exacto dependerá del uso del sistema térmico solar:

- Si se supone un uso continuado a lo largo del año, para producción de ACS por ejemplo, el ángulo de inclinación debe ser igual a la latitud.

- Si el uso va a ser fundamentalmente durante el invierno, para calefacción, el ángulo adecuado será de latitud + 10º.

- Si el uso principal será en el periodo estival, para climatización de piscinas por ejemplo, el ángulo de inclinación debe ser de latitud – 10º.

Hay que decir que pequeñas variaciones de ±10º sobre el ángulo de inclinación ideal apenas afectan al rendimiento general del equipo solar.

De la misma forma, es común orientar los paneles hacia el Sur en lugares situados en el hemisferio Norte y hacia el Norte en localizaciones del hemisferio Sur.

Los diferentes tipos de captadores solares se pueden clasificar en:

1. Captadores de baja temperatura

Son colectores solares sin concentración que normalmente proporcionan calor por debajo de los 80ºC. Los captadores de baja temperatura más usuales son los colectores solares planos. En líneas generales, un colector solar plano consiste en una caja plana metálica con una superficie que absorbe la energía procedente del Sol y calienta con ella un fluido que pasa por debajo de la placa. Este tipo de colectores pueden llevar o no una capa protectora, normalmente un vidrio, que limita las pérdidas de calor.De esta manera se subdividen en colectores solares planos con cubierta, utilizados fundamentalmente para producción de agua caliente sanitaria y calefacción, o sin cubierta, más económicos y de menor rendimiento, usados habitualmente para la climatización de piscinas.

2. Captadores de media temperatura

Una solución intermedia entre los colectores de baja temperatura y los de media temperatura es el colector de vacío. Suele constar de una doble cubierta cerrada herméticamente en la que se ha hecho el vacío, logrando así minimizar las pérdidas de energía por convección. De esta forma puede alcanzar temperaturas de hasta 120ºC. Este tipo de colectores son más caros y sus aplicaciones principales son la producción de ACS y climatización de piscinas.

Los captadores de media temperatura trabajan a temperaturas entre 100ºC y 250ºC, por lo que permiten la producción de vapor. Para alcanzar estas temperaturas es preciso utilizar técnicas de concentración de la radiación solar, habitualmente mediante la reflexión con espejos. Las principales aplicaciones de los sistemas de media temperatura son la producción de vapor para procesos industriales y la producción de electricidad.

3. Captadores de alta temperatura

Alcanzan temperaturas extremadamente altas, que en algunos casos pueden alcanzar los 2000ºC. Son evidentemente los sistemas más caros y con mayor rendimiento. Su principal aplicación es la producción de electricidad. Uno de los sistemas de concentración más empleados son los espejos parabólicos, que a su vez pueden ser lineales de disposición cilíndrica en los que el fluido se calienta al recorrer la línea situada en al foco de la parábola, o puntuales de disposición esférica, con forma de plato y que consiguen altas temperaturas en lugares donde el espacio es más limitado. Otro tipo de sistemas de alta temperatura son las centrales térmicas solares, formadas por un campo de espejos, llamados helioestatos, orientados de tal manera que todos reflejan la radiación solar que reciben hacia una caldera independiente situada en lo alto de una torre central.