Energía solar como energía e industria


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    Buenas, este es el primer hilo sobre enrgías renovables de la serie de hilos sobre recursos energéticos que estoy realizando.

    Anteriormente subí tres hilos sobre energías no renovables (petróleo, gas natural y carbón) si alguien quiere echarles un vistazo, por favor pedidlo en un comentario y con mucho gusto le paso el enlace.

    Este tema se divide en dos: energía solar fotovoltaica y solar térmica.

    ~ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. ~

    La base de casi todas las energías renovables proviene de el Sol, por ejemplo las mareas es el principal elemento de la energía mareomotriz y se produce gracias a la atracción Sol-Tierra-Luna, el viento tan necesario para la energía eólica se produce gracias a que el sol calienta las masas de aire haciendo que asciendan y las masas frías ocupen su lugar generando las rachas de viento y la energía de biomasa no es más que la energía solar almacenada por la fotosíntesis. Además es uno de los requisitos indispensables para el desarrollo de la vida.

    El Sol es un reactor nuclear donde se da la fusión de hidrógeno para formar helio a una velocidad de 4*10⁶ ton/s a una temperatura aproximadamente de 6000°C. Su irradiancia es de 1000W/m² y su radiación puede ser de dos tipos, directa donde la radiación llega directamente a la superficie sin que se desvíe o sea devuelta por los fenómenos de reflexión o dispersión y la radiación difusa cuando parte de dicha radiación ha sido reflejada.

    Aproximadamente del 100% de la radiación el 25% es absorbido por el vapor de agua y el ozono, otro 25% es rejado por las nubes. El 50% restante llega a la superficie terrestre donde un 45% lo absorbe la superficie terrestre y la vegetación para la fotosíntesis y el otro 5% es reflejado, que con el 25% anterior procedente de las nubes forman el albedo (suma de toda la radiación que ha sido reflejada).

    IMG_20160727_180555.png

    La historia de la energía fotovoltaica comienza en 1839 cuando Alexandre-Edmond Becquerel descubre el efecto fotovoltaico en los dispositivos de base de selenio, fundamental para las células fotovoltaicas.

    220px-Alexandre_Edmond_Becquerel,_by_Pierre_Petit.jpg

    Pero no es hasta 1954 en los laboratorios Bell cuando desarrollan la primera célula fotovoltaica en base de selenio que proporcionaba un 6% en eficiencia, (actualmente aproximadamente 19%,20%, 21%).

    laboratorios-bell2.jpg

    Para ello necesitaron conocer la física de los dispositivos en base de silicio, estudiar y realizar mapas de irradianzas y desarrollar equipos de medida de la radiación solar.
    Para poder realizar todo aquello necesitaban un gran aporte económico que consiguieron de las ayudas del gobierno de inversión, que se fomentará en momentos de “crisis de combustibles fósiles”.

    Dicho momento llegó en 1973 cuando la Organización de Países Árabes Exportadores de Petróleo (que agrupaba a los países árabes miembros de la OPEP más Egipto, Siria y Túnez) con miembros del golfo pérsico de la OPEP (lo que incluía a Irán) decidieron no exportar más petróleo a los países que habían apoyado a Israel durante la guerra de Yom Kipur, que enfrentaba a Israel con Siria y Egipto. Esta medida incluía a Estados Unidos y a sus aliados de Europa Occidental.

    Aun así no fue hasta los años 80 cuando la industria comenzó a madurar basándose en las células de unión “p-n” de silicio.

    Las células fotovoltaicas consisten en la unión de dos finas láminas de materiales semiconductores con diferentes propiedades.

    • ~Semiconductor tipo-n:~ constituido por silicio cristalino que ha sido “dopado” con pequeñas cantidades de impurezas (normalmente fósforo), por lo que en cierta manera, el material presenta un exceso de electrones libres.

    • ~Semiconductor tipo-p:~ constituido por silicio cristalino que ha sido “dopad” con unas pequeñas cantidades de impurezas (normalmente boro), por lo que en cierta manera presenta un déficit de electrones libres. O lo que es lo mismo tiene un exceso de “huecos”.

    Si unimos ambos semiconductores obtenemos la unión p-n. Este conjunto creará un campo eléctrico en la región de la unión y hará que las partículas cargadas negativamente se muevan en una dirección determinada, y que las partículas cargadas positivamente se muevan en dirección contraria. Sin embargo, la unión p-n en realidad no es tan abrupta, sino que existe una zona de difusión entre ellas.

    En el siguiente video viene de manera muy detallada y extendida este fenómeno para el que esté interesado en conocer más sobre él.

    La Unión PN. ¿Cómo funcionan los diodos? (Versión en castellano) – 10:37
    — fmgomezcampos

    La luz puede ser considerada como un flujo de pequeñas partículas llamadas fotones. Cuando los fotones procedentes de la luz con una longitud de onda adecuada caen en la unión p-n, ellos pueden transferir su energía a algunos de los electrones presentes en el material, “promocionándolos” a un estado de mayor energía, Es decir, “saltan” de la banda de valencia hacia la banda de conducción donde se encuentran en un “estado excitado” y pueden moverse libremente, creando una corriente eléctrica.

    Industrialmente todas las células se miden en condiciones estándar: 100w/m², espectro AM 1.5g y 25°C. En los aspectos más importantes de la célula fotovoltaica encontramos:

    • ~Isc:~ intensidad de cortocircuito. Es la máxima intensidad a voltaje cero.

    • ~Voc:~ voltaje de circuito abierto. Es el máximo voltaje a intensidad cero.

    • ~Pmp:~ punto de máxima potencia, definidos por sus coordenadas Imp y Vmp.

    • ~Fill Factor (FF)~: cociente entre el rectángulo de máxima potencia y el rectángulo intrínseco entre el voltaje de circuito abierto y la corriente de corto circuito. Esta cantidad nos da una idea de la calidad de la celda.

    i-v.png

    A continuación dejo el enlace a un PDF de una ficha técnica de la empresa Sunpower para que podáis ver como son más o menos.

    http://www.sunpowercorp.es/cs/Satellite?blobcol=urldata&blobheadername1=Content-Type&blobheadername2=Content-Disposition&blobheadervalue1=application%2Fpdf&blobheadervalue2=inline%3B+filename%3Dsp_E20_327_310_ds_ES_A4Yuk_505821A_web.pdf&blobkey=id&blobtable=MungoBlobs&blobwhere=1300288712846&ssbinary=true

    En los videos siguientes viene muy bien explicado y se pueden ver como se forman las células fotovoltaicas como los paneles que las contienen.

    Células:

    Cómo se fabrica una celda solar (oblea solar) ? – 03:54
    — Seedtek

    Paneles:

    Fábrica de paneles fotovoltaicos GadirSolar HD – 08:09
    — gadirsolar

    celda-solar-fotovoltaica-monocristalina-27931-2481361.jpg

    En una celula fotovoltaica las dos líneas verticales que se ven se llaman buses y las finas líneas horizontales son fingers (dedos), ambos son de plata ya que es un elemento altamente conductor. Esta parte es la frontal y en la que se encuentra el exceso de electrones (semiconductor tipo n), mientras que en la parte interior se encuentra el exceso de huecos (semiconductor tipo p) con una capa de BSF (back surface field) de aluminio junto con otros dos buses de plata.

    ~ENERGÍA SOLAR TÉRMICA~

    La energía solar térmica podemos separarla en dos grupos por un lado tenemos la energía solar térmica a baja temperatura y por otro a media-alta temperatura.

    ~Energía solar térmica a baja temperatura.
    ~
    Uno de los componentes principales es el vidrio ya que es el que permitirá entrar la radiación solar en el dispositivo y bloqueará la salida de la radiación infrarroja de alta longitud de onda.

    La transparencia es una propiedad fundamental de los vidrios para las aplicaciones solares porque tiene una alta transparencia en el rango de luz visible y en el infrarrojo de baja longitud de onda y una baja transparencia en el infrarrojo de alta longitud de onda.

    Industrialmente se están realizando múltiples esfuerzos para mejorar el índice de refracción: aumentando la transmitancia en el rango del visible y disminuir la reflexión disminuyendo el contenido en hierro. Además hay polímeros que podrían sustituir al vidrio, haciendo además que los dispositivos solares sean más ligeros, pero se deterioran con cierta facilidad ante la luz ultravioleta, disminuyendo la vida útil de los equipos.

    Otro concepto fundamental para la energía solar térmica es el mecanismo de pérdida de calor. El calor fluirá a través de cualquier sustancia donde la temperatura cambie.
    La velocidad del flujo de energía dependerá de la diferencia de temperatura entre ambas zonas, el área total disponible y la propiedad de los materiales.

    Existen tres mecanismos de flujo de calor:

    • ~Conducción:~ Consiste en el flujo de calor mediante el contacto de dos cuerpos con una diferencia de temperatura.

    • ~Convección:~ Consiste en la transmisión de calor en un fluido por movimiento de capas desigualmente calientes.

    • ~Radiación:~ radiación térmica a la emitida por un cuerpo debido a su temperatura en forma de ondas electromagnéticas.

    perdida de calor.png

    En cuanto a los colectores solares, existen una gran variedad de dispositivos. Los más comunes son los siguientes:

    • ~Panel sin cubierta de vidrio:~ adecuado para calentar agua de piscinas, ya que necesita poco aumento de temperatura respecto al ambiente.

    • ~Colectores solares planos:~ son los más comunes para acondicionamientos de agua caliente sanitaria e industrializados. A mejor diseño, mayor diferencia de temperatura entre absorbedor y aire externo. Tiene una lamina metálica que normalmente es de cobre, una capa absorbedora de color negro (refleja el 10% de la radiación incidente) o una superficie selectiva de alta absorción y baja emisividad para el infrarrojo de alta longitud de onda que minimiza las perdidas.

    • ~Colectores solares planos de aire:~ no son tan comunes y son utilizados en aplicaciones espaciales.

    • ~Colectores de tubo de vacío:~ el material absorbedor se encuentra dentro del tubo en condiciones de vacío alcanzando altas temperaturas.

    colectores.png

    Si hablamos de tipos de instalaciones encontramos dos grupos, las instalaciones directas y las indirectas.

    • ~Directas:~ existe un único circuito de circulación del agua. El agua que calienta el captador solar va a ser la misma que se consume, pero por cuestiones de sanidad no está permitido su instalación.

    Un tipo de sistema directo es el de termosifón donde mediante una conexión al agua de red hace que entre ésta directamente al captador y al calentarse se modifica su densidad haciendo que ascienda y se dirija el punto de consumo.

    En el siguiente video se ve el funcionamiento de este tipo de sistema.

    Funcionamiento calentador solar de agua – 01:11
    — Scientificprotocols

    • ~Indirectas:~ existe más de un circuito.

    En el circuito principal circula un fluido caloportador que se mueve a través de un circuito cerrado desde el captador hasta el intercambiador de calor del depósito de almacenamiento.

    En el circuito secundario el agua de red entra en el dispositivo de almacenamiento y el fluido caloportador le cede su energía calorífica.

    En el siguiente video se bastante claro este sistema:

    Colector Solar – 01:47
    — Constructora Pocuro

    ~Energía solar térmica y generación de electricidad a media-alta temperatura.~

    Este sistema consiste en producir energía eléctrica mediante la radiación solar de forma indirecta mediante la concentración de dicha radiación solar ya sea en un punto como en las centrales torre o en una línea como en el sistema cilindro parabólico.

    La primera planta piloto de central solar de torre se construyó en 1980. Un año más tarde Solar One (Barsow, California) ya proporcionaba 10Mw potencia solar/año. Más tarde en los años 90 se cambió el fluido caloportador de Solar One de aceites sintéticos a sales fundidas permitiendo alcanzar mayores temperaturas (aproximadamente 500°C)

    En España la plataforma Solúcar de Avengoa en Sanlucar la Mayor es la plataforma solar y centro de I+D+i mas grande de Europa operando comercialmente 183Mw. Además Gemasol de Torresol Energy en Sevilla lleva operativa desde 2011 y es capaz de abastecer a 27500 hogares.

    El funcionamiento de las centrales torre consiste en una torre que recibe luz solar concentrada. Usa un conjunto de espejos planos, móviles (llamados heliostatos) para enfocar los rayos del sol sobre una torre colectora.

    Los diseños iniciales usaban estos rayos enfocados para calentar agua y utilizaban el vapor resultante para impulsar una turbina. En lo diseños más nuevos usan sodio líquido y actualmente se encuentran en operación sistemas que usan como fluidos de trabajo sales fundidas. Estos fluidos de trabajo tienen una alta capacidad calorífica, que pueden ser usadas para almacenar energía antes de usarla para hacer hervir el agua que producirá vapor utilizado para impulsar las turbinas. Estos diseños también permiten la generación de energía eléctrica incluso cuando el sol no está iluminando.

    sevillana.jpg
    Plataforma Solúcar - Sanlucar la Mayor, Sevilla

    americana.jpg
    Solar two - Barsow, California

    El funcionamiento de una central solar con sistema cilindro parabólico consiste en un reflector parabólico lineal que concentra la luz sobre un receptor posicionado a lo largo de la línea focal del reflector. El receptor es un tubo posicionado directamente sobre el medio del espejo parabólico y está relleno con un fluido de trabajo. El reflector sigue al sol durante las horas diurnas en un solo eje. Un fluido de trabajo (por ejemplo, sales fundidas) es calentado a una temperatura entre 150 – 350 °C cuando fluye a través del receptor y luego este es usado como fuente de calor para abastecer un sistema generador.

    solar_cilindros_parabc3b3licos.gif

    termosolar-foto2.jpg

    En un comentario de otro hilo comenté cuanto espacio necesitaba España para abastecer su consumo de petroleo tan sólo con energía soalr térmica y fotovoltaica, por lo que vuelvo a indicarlo aquí:

    Consumo de petroleo de España 59.3Mtep/año.

    Para igualar dicha producción se necesitan aproximadamente 1419 parques, cada uno de ellos ocupa 9.16km2 por lo que el espacio necesario sería 12998.44 km2.

    Si la superfie española es de 504645km2 un 2.55% de ella debería estar cubierto de parques solares. Es decir, aproximadamente Cadiz y Málaga (7435.85km2 y 7308km2 respectivamente) deberian estar cubiertas al completo de parques solares.

    Una vez más espero haberlo hecho lo mejor posible y que os haya gustado. Gracias :blush:



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    E=m(c^2)



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    @Maskulinismho dijo:

    E=m(c^2)

    Tal vez querías decir que:

    E=mc2E=mc^2

    :sirdance: http://exo.do/topic/15427/tutorial-latex-en-exodo



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    @dehm dijo:

    Tal vez querías decir que:
    E=mc2E=mc^2
    :sirdance: http://exo.do/topic/15427/tutorial-latex-en-exodo

    Eso es para burgueses.



  • 4

    @esgarramanter dijo:

    Mientras haya retraso franquista en españa, dificil lo tenemos

    Edit: no es nada personal, pero siempre que hay una multi tocahuevos hace un monografico para que le den repu



  • 5

    @esgarramanter dijo:

    Edit: no es nada personal, pero siempre que hay una multi tocahuevos hace un monografico para que le den repu

    Al menos es una cuenta que aporta algo que no es copypaste, sino que lo redacta para el foro, creo yo que se gana más que muchos la reputación que se le da.



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    @esgarramanter dijo:

    Edit: no es nada personal, pero siempre que hay una multi tocahuevos hace un monografico para que le den repu

    Cómeme la polla, ya sólo el abrir un hilo no debería ser motivo de queja con el panorama que impera, pero además uno currado como este...




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