La mayor parte de los recursos energéticos que aprovecha la Tierra (combustibles fósiles, hidráulica, eólica, biomasa y solar) tienen su origen en la energía solar que nos llega por radiación.
El Sol es una de las 1011 que se supone pueden existir en nuestra galaxia, Vía Láctea, la cuál tiene forma de disco, con un radio que se aproxima a los 50000 años-luz. La forma del Sol es esférica, con un radio de unos 700000 km, y una masa de 2x1030 kg, unas 333000 veces la de la Tierra. En él se centra el 99% de la masa total del Sistema Solar, describiendo los nueve planetas órbitas elípticas alrededor de él.
La luz emitida por el Sol proviene de las reacciones atómicas de fusión que se producen en su interior, fundamentalmente las que trasforman hidrógeno en helio, liberando al mismo tiempo grandes cantidades de energía. Cada segundo el Sol irradia en todas las direcciones del espacio una energía de 4x1023 kW, de la cuál 1,7·1014 kW llegan a la Tierra de manera efectiva, pero incluso esta pequeña fracción de energía (0,000000046 % del total emitido) equivale a 5000 veces el total del consumo energético de la población mundial.
Se estima que el Sol tiene más de 6000 millones de años de vida, y aún existe suficiente hidrógeno en su interior para garantizar otros 4000 millones de años al ritmo actual.
La constante solar
Al extenderse por el espacio en todas las direcciones, la energía radiante procedente del Sol se reparte sobre la superficie esférica de la Tierra. La intensidad en un punto de dicha superficie, al repartirse la energía solar sobre una área cada vez mayor, será más pequeña cuanto mayor sea el radio de la misma, es decir, cuanto mayor sea la distancia de dicho punto al Sol. Así la radiación se debilita a medida que la distancia aumenta. En la figura 2 se representa el valor de la irradiancia para cada mes del año.
Como ser observa, existe una variación considerable debido a la órbita elíptica que se explicará en el siguiente apartado. El valor máximo de radiación se producirá el 21 de diciembre con un valor de 1413 W/m2, y el mínimo se producirá el 21 de junio con un valor de 1321 W/m2. Si lo que se quiere es tener una media de la irradiancia solar extraterrestre su valor es 1367 W/m2, y se denomina constante solar.
La Célula Solar
Para que tenga lugar el efecto fotovoltaico es necesario que los fotones tengan una energía mayor que un valor mínimo determinado, que se denomina ancho de banda prohibida (“gap” o Eg). A este valor mínimo de energía se expresa en electrón-voltios y su valor es 1eV= 1.602·10-19. Los fotones que superan este valor mínimo de energía pueden ser absorbidos en las proximidades de la superficie o bien pueden penetrar más en el interior del material. Este hecho es debido a que la absorción de los fotones sigue una ley exponencial determinada por el coeficiente de absorción, que depende de la energía del fotón y del tipo de material. Así, en función del coeficiente de absorción se tiene una primera clasificación de los semiconductores: si el coeficiente de absorción varía fuertemente con la energía del fotón incidente, se dice que son materiales de “gap” directo. Si por el contrario varía suavemente, se habla de materiales de “gap” indirecto.
Los fotones incidentes son absorbidos más cerca de la superficie para valores mayores del coeficiente de absorción. Una conclusión importante de este comportamiento es que los materiales de “gap” directo necesitan menos espesor de material para absorber los fotones solares, que el necesario en los materiales de “gap” indirecto. La tabla 2 muestra el espesor de material que se requiere para absorber el 90% de la energía del espectro solar.
Material Eg (eV) Espesor para absorber el 90% (mm)
Silicio 1,11 150,0
Fosfuro de Indio 1,25 0,8
Arseniuro de Galio 1,40 2,0
Teluro de Cadmio 1,45 10,0
Sulfuro de Cadmio 2,43 1,0
Tabla 2: Características de algunos semiconductores
La inmensa mayoría de células solares que se comercializan actualmente están fabricadas con silicio, que es elemento sólido más abundante de la Tierra. Para obtenerlo se utiliza como materia prima un material tan abundante como es la arena. El silicio de arena debe purificarse, para lo cual se funde a una temperatura de 1400 °C, se eliminan las impurezas y se deja cristalizar formando un bloque de silicio puro cristalizado. Este bloque se corta en finas capas de menos de medio milímetro, llamadas obleas, que se pulen y se tratan químicamente. Posteriormente estas obleas se dopan o contaminan ligeramente con fósforo por una cara y boro por la otra, con lo que, con lo que se crean dos zonas en la oblea, llamadas respectivamente zona n i zona p (figura 5). La descompensación de electrones causada por la introducción en el silicio de estas impurezas origina la aparición de un campo eléctrico en la región de unión de ambas zonas. Esta disposición característica, junto a los contactos que se disponen en ambas caras de la oblea y una capa antirreflectante para aumentar el porcentaje de la energía solar absorbida, dan lugar a la célula solar o célula fotovoltaica, tal y como se ve en la figura 6.
El mencionado campo eléctrico es el que hace posible que los electrones tiendan a moverse siempre en una dirección determinada cuando reciben la suficiente energía para escaparse de la célula. Esta energía es proporcional a los fotones que chocan con los electrones libres que hay en el silicio.
La corriente de electrones, recogida mediante contactos metálicos dispuestos convenientemente en ambas caras de la célula es recogida a través de un circuito externo.
Los contactos metálicos son distintos en las dos caras. En la capa n (la exterior y visible) deberá ser lo más estrecho posible, con el fin que tape poca superficie de la célula, ya que si no impediría la llegada de luz sobre la parte activa de ésta, pero no tan estrechos que aumenten demasiado su resistencia. Por ello tiene forma de parrilla. En la parte p ( la cara interior), el contacto metálico cubre toda la superficie. En el mercado existen diversos tipos de células de silicio:■Silicio monocristalino: en el que sus enlaces todos tienen una dirección determinada. Es más eficiente (hasta un 16 % y en algunos tipos comerciales hasta el 19 % ), más duradero y más costoso. A simple vista es de un color azul oscuro homogéneo.
■Silicio policristalino: sus enlaces tienen varias direcciones. Menos eficiente (de un 3-4 % menos que el anterior), menos duradero y menos costoso. Es de un color azul eléctrico heterogéneo
■Silicio amorfo: no tiene estructura cristalina, se deposita sobre vidrio y permite espesores muy delgados, hasta el punto de ser estudiada la posibilidad de dejar pasar la luz. Es muy económico, al utilizar poco silicio, pero se degrada más fácilmente que los anteriores disminuyendo su potencia. Es de un color marrón o gránate. Su rendimiento se sitúa sobre el 10 % en las células comerciales.
La Esfera Celeste
Es una experiencia cotidiana observar al Sol salir por el Este, elevarse más o menos en cielo, según la época del año, y finalmente ocultarse por el Oeste. En realidad sabemos que no es el Sol el que se mueve, sino que su aparente movimiento se debe a que la Tierra gira sobre si misma. Para los efectos prácticos que nos interesan, es lo mismo suponer que la Tierra permanece inmóvil y es el Sol el que gira a su alrededor. De manera que una representación del movimiento respecto a la Tierra sería imaginar una esfera con la Tierra fija en su centro, esta esfera recibe el nombre de Esfera Celeste, y cada uno de sus puntos representa una dirección del cielo vista desde la Tierra. Entonces se puede interpretar que el Sol gira alrededor de la Tierra formando un círculo con un ángulo de 23.45º con el ecuador celeste, que lo recorrerá anualmente. La figura 5.5 representa la Esfera Celeste.
La posición del Sol sobre la Esfera Celeste vendrá determinada por sus coordenadas mediante la altura solar y el ángulo acimutal :
■La altura solar o inclinación (a) del panel es el ángulo que forman los rayos solares sobre la superficie horizontal. El ángulo se mide desde 0º a 90º positivamente hacia el cenit y negativamente hacia el nadir (mirar figura 5.5). A veces también se usa el ángulo cenital que es el complementario de la altura(z).
■El ángulo acimutal o acimut (Y), es el formado por la proyección sobre el plano horizontal de la línea Sol-Tierra (el rayo), con la línea norte-sur. En el hemisferio norte se mide desde la dirección sur y es positivo hace el oeste, y en el hemisferio sur se mide desde la dirección norte y es positivo hacia el este.
De esta manera se define el Sol en cada una de las posiciones de la Esfera Celeste.
Movimientos de la Tierra
La Tierra tiene dos movimientos diferentes que lleva a cabo al mismo tiempo. Uno de rotación alrededor de un eje que pasa por los polos, llamado eje polar, con una velocidad aproximada de una vuelta por día; y otro de traslación alrededor del Sol describiendo una órbita elíptica en la que el Sol ocupa uno de los focos. El plano que contiene esta órbita se llama plano de la elíptica y tarda 365’25 días al año en recorrerlo por completo. en la figura 5.3 se representa las cuatro posiciones de la Tierra, dos de solsticio y dos de equinoccios.
El eje polar, sobre el que gira la Tierra, mantiene una dirección aproximadamente constante y forma un ángulo de 23.45 grados (23º27’) con el plano de la elíptica, denominado oblicuidad de la elíptica. Debido a esta oblicuidad, el ángulo formado por el plano ecuatorial de la Tierra con la recta que une los centros de la Tierra y el Sol está cambiando permanentemente entre +23.45 grados y –23.45 grados. Este ángulo se denomina declinación solar (d). Si se considera que la Tierra gira alrededor del Sol con velocidad angular constante, una expresión con exactitud suficiente para calcular d es:
donde n es el número del orden del día dentro del año, y varía de 1 a 365 desde el 1 de enero (n=1) hasta el 31 de diciembre (n=365).
Radiación sobre una superficie horizontal
Una superficie horizontal Ah recibe la misma irradiancia que la superficie An normal a la radiación directa, verificando que:
Figura 3: Radiación sobre una superficie horizontal.
donde Id es la irradiancia directa extraterrestre (fuera de la atmósfera) sobre la superficie inclinada y Id’ la irradiancia directa extraterrestre sobre una superficie horizontal. Pero lo que realmente interesa es lo que pasa con esta irradiancia directa al llegar a la Tierra. En la atmósfera se absorbe, se dispersa y se refleja fundamentalmente por los gases que constituyen la misma, el vapor de agua y el polvo y partículas que hay en suspensión. Estos factores hacen que la irradiancia alcance como máximo los 1100 W/m2, valor que se alcanza en condiciones muy buenas (días despejados y aire transparente). Una vez penetra la irradiancia directa en la atmósfera, se puede diferenciar tres componentes representadas en la figura 5.7.
■Radiación difusa, que es la que la que sufre cambios en su dirección en su paso por la atmósfera debido principalmente a la reflexión y a la dispersión. No tiene una orientación determinada y llega desde todas las direcciones, rebota en los objetos. Es la que permite ver en los sitios donde hay sombra.
■Albedo o radiación reflejada, es aquella radiación directa y difusa que se recibe por reflexión en el suelo u otras superficies próximas. Depende principalmente del poder de reflexión del terreno. Una superficie nevada refleja más radiación que un bosque tupido.
Radiación Solar
El espacio está atravesado por diferentes tipos de radiaciones electromagnéticas emitidas por los cuerpos celestes, entre los que destaca el Sol. Todas ellas constituyen lo que denominamos espectro electromagnético. La energía emitida viaja en forma de ondas electromagnéticas, únicas ondas que no necesitan medio material para su propagación, a una velocidad de c=300000 km/s. Dichas ondas se caracterizan por su longitud de onda, l, o por su frecuencia, n, las cuales están directamente relacionadas por la expresión c= l·n En concreto, la radiación solar tiene una longitud de onda comprendida entre 0.3 y 3mm. Entre estas longitudes tenemos el ultravioleta, poco abundante pero muy energético; el visible, el único capaz de captar el ojo humano; y el infrarrojo, muy abundante pero poco energético. En la figura 5.1 se ha representado la intensidad radiante (irradiancia) en función de la longitud de onda, con valores comprendidos entre 0.2mm y 2.4mm. La irradiancia se define como la cantidad de energía incidente que llega a una superficie determinada en un tiempo determinado, normalmente expresado en kW·h/m2 o en kJ/m2 . Los valores de irradiancia son extraterrestres, es decir, captados en el espacio por la NASA.
Datos de la radiación solar
Si se suman las tres variables de radiación se obtiene la irradiación global. El último estudio publicado de la Generalitat de Catalunya ha sido el “Atlas de Radiació Solar a Catalunya” elaborado por un equipo de trabajo de la UPC. En este estudio se han recogido más de 100000 registros procedentes de 83 estaciones para elaborar un atlas en función de la zona, utilizado el método de Liu Jordan (1960). En la figura 5.8 se representa en MJ/m2 la media anual de la irradiación total diaria:
Figura: Niveles de irradiación total media diaria en Cataluña.
Para observar la diferencia que existe entre la radiación difusa y la directa, el atlas proporciona un gráfico de la ciudad de Barcelona en función de los días del año. Como se observa en la figura 5.9, la difusa es siempre inferior a la directa, y que los mínimos relativos de ésta corresponden a los máximos de la difusa.
Se define q como el ángulo que forma la perpendicular del plano con el rayo solar. En todo sistema solar se intentará que q sea mínimo para poder obtener la máxima radiación posible. Pero este valor de ángulo dependerá de:
Latitud del punto donde estás situado (f). Barcelona se encuentra a 41º. - Declinación solar, variable a lo largo del año (d), vista anteriormente. - Inclinación de la superficie(b), según se coloquen las placas solares respecto a la horizontal.
Geométricamente, el problema de ángulos se simplifica en:
Q=F-B-D
Figura: Irradiación diaria en función del día del año. Se aprecia una diferencia considerable entre la radiación global y la difusa.
Por un lado la declinación solar variará de –23.45º a +23.45º y además se sabe que la media anual es d=0º. Por el otro, interesa que el ángulo q sea nulo para que exista la mayor aproximación posible al rayo solar. Por lo tanto, si se considera d=0º, se obtiene un ángulo óptimo teórico de . Para una posición fija de los paneles la inclinación de éstos ha de ser igual a la latitud. Otra manera de visualizar la variación angular de la tierra es la figura 5.10, que representa todo el recorrido del Sol durante el año.
