El futuro de la energía solar
1994/05/01 Otaolaurretxi, Jon Iturria: Elhuyar aldizkaria
El año pasado en julio en la sede de la Unesco en París, reunidos expertos de todo el mundo, analizaron la evolución de la energía solar hasta 2005. Es interesante conocer la situación actual en células fotovoltaicas. Sorprendentemente, el sector que fabrica y utiliza la mayor parte de las células sin subvención es la calculadora más pequeña de Japón. Otro de los campos es el de los paneles industriales formados por células fotovoltaicas que aprovechan la energía solar en los tejados de las casas.
Paneles solares
El rendimiento de las placas fotovoltaicas es normalmente del 14%, es decir, la placa aporta como energía eléctrica el 14% de toda la energía calorífica obtenida del sol. Los investigadores consiguen habitualmente un rendimiento de laboratorio del 20% y con la ayuda de sistemas sofisticados pueden llegar a alcanzar entre 30 y 40%.
En la actualidad la energía fotovoltaica en el mundo de la costa i se emplea en torno a los veinte mil millones de pesetas (mil millones de libras). Esta cantidad es poco significativa en comparación con la que se utiliza para otros tipos de energía, como la utilizada para la investigación de la fusión termonuclear, pero se espera que dentro de unas décadas el 10% de la energía consumida en los países desarrollados sea solar. En cambio, en los países en desarrollo y en los que el sol pega fuerte, este porcentaje será bastante mayor.
El uso de paneles solares comenzó hace quince años, pero ahora se utilizan para alimentar a miles de bombas, frigoríficos, lámparas y sistemas de comunicación.
En la actualidad más de 30.000 casas disponen de placas solares en sus tejados. En Estados Unidos existen también centrales de hasta ocho megavatios que intentan
introducir su producción en la red eléctrica.
Ventajas e inconvenientes
La producción mundial de células fotovoltaicas aumenta un 20-30% cada año y se duplica en cuatro años. Antiguamente la energía fotovoltaica provocó grandes sueños. Algunos pensaban que iba a ser el sustituto de la energía nuclear, pero según el refrán vasco, la creencia corrupta la mitad. La energía fotovoltaica tiene grandes ventajas. Los generadores son silenciosos, limpios, sin apenas mantenimiento, sin agua y sin piezas mecánicas. Además, el material para la fabricación de estas células (sílice) es muy abundante, representando el 20% de la superficie terrestre.
Sin embargo, no se puede negar que existen desventajas. Estas placas también funcionaban durante el día, y la producción depende de la intensidad de los rayos solares, es decir, mayor en verano y menor en invierno. Colocar paneles de gran superficie. En Euskal Herria, por ejemplo, a mediodía el módulo de metro cuadrado proporciona una potencia de alrededor de 100 vatios. Comparando costes, cada vatio producido por el panel es más caro que el producido en las grandes centrales térmicas, y mucho más caro que el producido en las centrales hidroeléctricas.
Sin embargo, existen territorios en los que estas comparaciones no son posibles. En la zona del desierto del Sahara, por ejemplo, hay numerosos núcleos aislados sin conexión a la red eléctrica. Los que viven aislados en el monte, las estaciones meteorológicas remotas y algunos puntos alejados de la red eléctrica son los adecuados para colocar estos paneles. Cuando se necesita energía eléctrica en estos lugares, la opción es instalar paneles fotovoltaicos, un generador diesel, pilas secas Ia. Sin duda, la opción más ecológica es la de los paneles fotovoltaicos. Es por ello que se conceden subvenciones en esta materia para la investigación de científicos.
Tres líneas de investigación
Las investigaciones se realizan principalmente en tres vías diferentes. El primero es mejorar la posibilidad de silicio monocristalino o policristalino. El objetivo es reducir las pérdidas de rendimiento en todas las etapas del proceso. En física de semiconductores es necesario mejorar la separación electrón/agujero. Probar nuevos sistemas de adelgazamiento de láminas de silicio. En los sistemas de corte utilizados actualmente se desperdicia la mitad del material y además la lámina es finalmente demasiado gruesa. Sale una lámina de 150 micras y bastaría con 30 micras. Un nuevo sistema consiste en la aplicación de una fina capa de silicio a partir de la fase vapor o líquida. Astropower de New Jersey ofrece módulos de 120 vatios con 18 células de 675 cm 2 producidas por este procedimiento.
En cada una de estas células, cuando el fotón toca el electrón, éste se suelta del átomo. Entonces tenemos un electrón libre de carga negativa y un “agujero” de carga eléctrica positiva. Si el procedimiento es continuo y se consigue orientar la circulación de los electrones, es posible convertir el calor en corriente eléctrica. El problema es impedir que el electrón libre se sitúe en otro “agujero”. Así funcionan las células fotovoltaicas. Todos tienen forma de sándwich. En el centro se encuentra la membrana de silicio llamada intrínseco (i).
Hacia el sol hay una fina capa de silicio (p) dopada en boro. El átomo del boro tiene tres electrones en la capa externa y el silicio cuatro. Presenta membrana (n) dopada por la cara opuesta al sol con fósforo o arsénico (cinco electrones en la capa externa del átomo). Mediante este sistema (enlace en p-i) se consigue separar los electrones y los “agujeros” liberados por los fotones por un campo eléctrico. Se genera una corriente eléctrica que se almacena en dos electrodos. Una de ellas es transparente y se conecta a la cara del sol. El otro es metálico y está fijado a la resina de encapsulado.
Actualmente se están estudiando enlaces en p-i y enlaces múltiples para mejorar el rendimiento.
La segunda línea de investigación es la del silicio amorfo. Cuando descubrieron que una fina capa de silicio amorfo desordenado podía tener características de semiconductores dopados con 10 hidrógeno, los científicos se mostraron esperanzadores en los años 80. La tecnología del silicio cristalino funcionará aprovechando los residuos de la industria microelectrónica. Se trata de un silicio que es descartado por no tener una pureza suficiente para los circuitos electrónicos. A pesar de los esfuerzos realizados en la fabricación de silicio de menor pureza para la placa solar, los costes son elevados y las industrias fabricantes de células fotovoltaicas temen su escasez. Actualmente consumen alrededor de 600 toneladas de silicio al año, pero para que en el año 2000 el 1% del consumo mundial de electricidad sea solar, se necesitan 1 80.000 toneladas.
Sin embargo, a partir del gas silano en el reactor de plasma se puede obtener corriente con capas de una única micra de silicio y se consumiría menos material. Por eso los científicos han empezado a investigar este camino. Los problemas no tardan en aparecer. Por ejemplo, el rendimiento es del 3 al 5%. Se espera que dentro de unos años el rendimiento sea de 10 y que el precio se reduzca considerablemente.
La tercera línea de investigación recoge todas aquellas alternativas a las dos anteriores. Otros materiales que no son silicio, como el sulfuro de hierro, el teluriuro de cadmio, los sandwiches cobre/indio/diselenio, etc. De hecho, tendrían mayores rendimientos y si se pueden obtener capas finas de técnicas electroquímicas baratas (mediante baños). Los problemas se deben al desconocimiento de estos materiales y al desconocimiento de la contaminación que pueden generar.
En las células actuales, muchos de los fotones recogidos son demasiado energéticos. Por ello, la utilización de células sucesivas galio arseniuro/indio/fósforo supondría eliminar al máximo la energía de los rayos solares, ya que cada material es especializado para un determinado nivel energético. La instalación de lentillas de fresnel y la concentración de luz en una pequeña superficie mejoran notablemente el rendimiento. Las primeras sesiones de esta técnica se han realizado con dos células apiladas, pero también se van a iniciar con cuatro.
Mediante el control de las capas a nivel del átomo de la, los materiales de alta pureza deben depositarse con cuidado para que el rendimiento sea del 40% i. Recientemente Boeing ha conseguido un rendimiento del 30% con este tipo de células en tandem y en ambiente espacial. Las investigaciones se están realizando para los satélites, ya que mejorando el rendimiento se liberan menos peso o más potencia. Se espera que algún día se monten centrales que funcionen en el espacio con energía solar.
Hoy en día, dos mil millones de personas en el mundo viven lejos de la red eléctrica (sobre todo en el tercer mundo) y ahí está el mercado de células fotovoltaicas. La conexión de los paneles, el regulador, el conversor y la batería permitirá disponer de energía eléctrica. Sobre todo en África e India tienen mucho interés en este tema.
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