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  • Alejandro Velez

¡Energía Solar!



Cada diminuta celda solar de unos pocos centímetros cuadrados de área, colocada en un gran panel fotovoltaico, al recibir la luz del sol puede produce típicamente un voltaje de 0.5 voltios y 0.1 Amperios de corriente. Al multiplicar el voltaje por la corriente se obtiene la potencia máxima que podría estar disponible si incide la luz del sol a plena luz del medio día, es decir, a las 12 p.m. En este caso, esta pequeña celda es capaz de generar apenas 50 miliwatios aproximadamente. Como ese valor es muy bajo para activar los electrodomésticos de una casa, es necesario conectar 20.000 de estas pequeñas celdas en paneles fotovoltaicos que ocuparían varios metros cuadrados de área para obtener 1000 Watios (1 kilowatio) de potencia. Con esta potencia podremos mínimamente cocinar un alimento o conectar una pequeña nevera o iluminar la casa; pero no todos al mismo tiempo! Para alimentar simultáneamente todos los electrodomésticos de toda una pequeña casa de habitación se requiere, digamos, unos 3 kW de potencia. Esto exigiría instalar más metros de área de paneles solares. Es bueno aclarar que la dirección de la corriente eléctrica que se produce en las celdas solares es en un solo sentido, de positivo a negativo, corriente directa, D.C. , como la de las baterías comunes. Muy diferente a la corriente alterna (C.A), porque cambia de dirección 60 veces por segundo; va y viene: así funciona la energía eléctrica que recibimos en nuestras casas de las empresas locales de energía las cuales lo hacen de ese modo, es decir, en C.A. para facilitar el transporte a grandes distancias (grandes transformadores) y en forma mas económica (menores perdidas de energía por calentamiento de cables). Si el propietario de los paneles solares desea vender su energía solar a la red, es necesario instalar un dispositivo electrónico llamado inversor el cual toma la corriente proveniente de los paneles solares y lo convierte en corriente alterna la cual quedará 100% compatible con la red de la ciudad en nuestras casas que siempre tiene una tensión eléctrica de 110 voltios y 60 herzios de frecuencia. De esta forma podemos conectar directamente nuestros aparatos a ese inversor.

Dado que la disponibilidad de luz solar en el trópico es de unas 12 horas por día, durante la noche lógicamente cae la potencia a cero y por eso es conveniente cargar baterías durante el día para poder consumir energía en la noche. Esto se consigue con otro dispositivo electrónico, cargador de baterías, conectado a los paneles solares por un lado y por el otro lado a un juego de baterías, un tanto costosas, cuya cantidad se obtiene calculando con base en todos los parámetros del sistema como: cantidad de electricidad almacenable durante las horas de sol y patrones típicos de consumo de nuestra casa, en el tiempo, tanto de energía como de potencia. Si se puede almacenar mucha mas energía en las baterías, se podría no necesitar un pico de potencia mas alto de los paneles, no de energía, pues ya se hubo de almacenar con antelación, y las baterías cubrirían esa exigencia momentánea de potencia, ahorrando en paneles solares: es un compromiso económico.

Utilizar los paneles solares es sencillo, una simple conexión entre los dos bornes del panel, (o si se trata de varios paneles interconectados buscando aumentar el voltaje C.D. conectando paneles en serie, y buscando aumentar la corriente con conexiones en paralelo), y el aparato que se desea alimentar. Se debe respetar el tipo de voltaje C.D. o C.A. y el valor del voltaje y la potencia del equipo a ser instalado. Por ejemplo una pequeña parrilla de 48Voltios D.C. y 20 Amperios nos permitiría cocinar una deliciosa sopa en 20 minutos si disponemos de paneles que nos generen 1 kW. Si el electrodoméstico es de C.A. como un T.V. a 110 Voltios, obviamente se tendrá que conectar el inversor entre el panel solar y el T.V. Idealmente para minimizar el tiempo de cocción requerido por el alimento en nuestro experimento, debemos iniciar la cocción cuando el sol brille completamente y el cielo este libre de nubes ojalá entre las 11 a.m. y la 1 p.m. del día para así obtener la mayor potencia teórica que es aproximadamente 1000 Watios (1 kilo Watio) por metro cuadrado en cualquier superficie de la zona tropical de la tierra, pero desafortunadamente la eficiencia actual de un metro de paneles solares solo llega al 20%, es decir generaría unos 200 watios . En este caso se tendrían que instalar 5 metros cuadrados de paneles para obtener 1 kW. Con el transcurrir de las horas, el sol declina y en la misma superficie de los paneles empiezan a entrar cada vez menos fotones directos hasta las celdas. Cerca a las 6 pm, la potencia que se puede medir con un pequeño multímetro, se hace cada vez menor hasta desaparecer casi completamente. Sin embargo algunos rayos de luz quedan rebotando durante la noche en las cercanías, alcanzando a producir unos poquísimos miliwatios debido a las ondas electromagnéticas producidos por todos los objetos calientes los cuales siempre emiten ondas electromagnéticas en el rango infrarrojo y casi todas las celdas solares son sensibles en esas frecuencias. Todos los rayos de luz del sol son fotones, o paquetes de energía que fluyen como “gotas de energía” por segundo, todas idénticas entre su grupo, tanto el grupo de mas energía como el de menos; la diferencia única es la frecuencia. La onda de mayor energía en el espectro visible es el color azul y la de menor energía es el color rojo y entre estos dos extremos están el resto de colores del arco iris. Nótese que el color blanco es la suma de todos los colores en el ojo y el color negro no existe, no llegan ondas, como lo demostró Newton.

Cuando las ondas electromagnéticas de color verde, por ejemplo, inciden en la celda solar, se detendrán, desaparecerán, como las olas del mar al llegar a la playa, entregando toda su energía a los millones de electrones no afianzados sólidamente a la estructura cristalina que encuentren en su paso; estos electrones le roban la energía al fotón entrante. Con el conocimiento empírico obtenido en el laboratorio y el enorme conocimiento teórico ganado en 100 años de mecánica cuántica, se construyen las celdas solares con dos diminutas laminillas de silicio tratadas químicamente en forma diferente cada una, y soldadas o fundidas entre sí. La capa mas delgada consistente en átomos de Silicio (Si), se forma como una estructura cristalina que utiliza los 4 electrones de valencia del silicio, elemento muy abundante en la naturaleza, para formar un rejilla de átomos tan perfecta como un diamante pero opaca. A continuación muy cerca de una de las caras se inyectan impurezas o átomos diferentes como el Fósforo (P) con un electron de valencia más (5) que el Silicio, aportando muchos electrones en la estructura total que no se agarran firmemente del vecindario. A la laminilla de la base se le hace un proceso contrario, es decir se le inyectan impurezas con átomos como el Boro (B) de solo 3 electrones de valencia para entrometerse en esa estructura dejando claramente falta de electrones en muchos sitios de la estructura, simulando lo que se llama un “hueco”, el cual actúa como si fuera una carga positiva imaginada. La mecánica cuántica explica y modela perfectamente el comportamiento de esta interface mediante ecuaciones muy precisas. En la union o interface donde se funden esas dos laminillas, los millones de electrones “desubicados” o libres, reciben un enorme empujón de energía de muchas de las ondas provenientes del sol (luz de todas las frecuencias o colores) ocasionando una corriente eléctrica con la suficiente fuerza o energía necesaria para empujar todos los electrones de la fila india del circuito eléctrico que se debe mantener conectado, es decir, fluyendo siempre los electrones, y conectada también al electrodoméstico en donde se realizará el trabajo útil que debe desempeñar el panel solar. El trabajo útil consiste en empujar los electrones que encuentren en el camino participando en los procesos de hacer alumbrar un bombillo o hacer girar un motor o subir la temperatura de una resistencia etc. etc. A los electrones se les debe todo el trabajo que nos hacen en todos los dispositivos electrónicos y todas las reacciones químicas que nos facilitan la vida.

Cuando las ondas electromagnéticas de luz que provienen del sol penetran las laminillas mas delgadas de las celdas de cara al sol, excitan fácilmente aquellos electrones mas sueltos de que hablamos antes. Con esa enorme energía ganada, estos electrones se sienten muy atraídos por los “huecos” de carga opuesta ubicados en la laminilla base al otro lado de la interface. Los electrones, o mejor, las cargas eléctricas positivas y negativas de cada lado o zona, al entregarles suficiente energía a esos electrones sueltos empujan literalmente a los vecinos del otro lado de la laminilla en una cadena continua de electrones que se tiene que cerrar necesariamente como un círculo de fichas paradas de dominó que se tumban unas a las otros vaciando y llenando los huecos eternamente hasta el momento en que se atraviese una nube en el cielo o alguien levante el suiche. Ese flujo continuo o circuito cerrado de electrones tiene suficiente energía como para mover por contacto a gran velocidad las moléculas y átomos de metal de una parrilla eléctrica llevándolas a temperaturas altas (color rojo) que permiten cocinar alimentos, mientras lleguen fotones.

Cocinar un plato de sopa puede requerir 1 kW durante una hora, o lo que es lo mismo 2 kW durante media hora. El precio actual de ese kWh en nuestra factura de servicios públicos en Medellin tienen un costo aproximado de unos $ 700 pesos (costo igual para ambas opciones i.e. rápida o lenta) incluye toda la cadena de generación- transmisión- distribución- comercialización. Con los paneles solares de 5 metros cuadrados en total, instalados en el techo de nuestra vivienda, el costo de la energía utilizada para cocinar la sopa seria de $ 0.00 pesos. No olvidar el costo de la inversión en el panel solar y en la parrilla o nevera especial para el voltaje del panel que se compre. Se podría utilizar también solo equipos convencionales a 110 Voltios.

En un futuro cercano nuestras casas dispondrán de contadores de energía inteligentes los cuales dispondrían de la capacidad de acumular y comprar kWh tomados de la empresa local de energía eléctrica (EPM) y de vender los kwh que nuestros paneles inyecten a la red local cuando se presenten sobrantes en nuestra casa, liquidados a unos $300 pesos, correspondientes al costo de generación.

Los precios actuales de los paneles fotovoltaicos en Colombia son de unos $1.500 pesos por Watio. Una instalación completa de 3 kilowatios para una casa pequeña con baterías, inversor, cargador y posibilidad de venta de energía a la red, tendría un valor aproximado de $15.000.000. Como recomendación final se debe diseñar muy bien con todos los datos disponibles de energías, potencias, curvas de consumo en el día, ubicación de paneles evitando sombras y acuerdos previos con la empresa local de electricidad antes de ofrecerle energía.

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