Celdas Solares y Celdas de Energia(Megapost)


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Celdas Solares

Las celdas solares (o paneles fotovoltaicos, como se les conoce a veces) están en todos lados ahora. Desde calculadoras de bolsillo, hasta vehículos, casas particulares, proyectos gubernamentales, y satélites espaciales, su uso se está masificando. Su capacidad de generar electricidad solamente con la luz solar las hace muy útiles en una variedad de situaciones.

A pesar que las celdas solares, o celdas fotovoltaicas, existen desde hace mucho tiempo, es solo recientemente que avances tecnológicos han permitido utilizarlas de manera eficaz, y a un precio razonable. El reciente aumento en el precio de petróleo ha creado una demanda increíble por métodos alternativos de energía, con lo cual las celdas solares han experimentado un nuevo auge.

En este artículo, veremos como funcionan las celdas solares, cuáles son sus ventajas y desventajas, y cuáles son los usos principales que se les ha dado a la fecha.


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Fundamentos de una celda solar

Una celda solar o panel fotovoltaico convierte energía proveniente de la luz en energía eléctrica. El término celda solar se utiliza normalmente para especificar aquellas celdas que utilizan luz proveniente del sol, mientras que se especifica una celda fotovoltaica cuando no está definida la fuente de la luz a utilizar.

Ya que la mayor fuente de luz que conocemos es el Sol, casi siempre se utiliza la luz solar para generar electricidad, además que es una fuente de luz totalmente gratis. al menos durante las horas que dura un día (estas horas pueden variar dependiendo de la ubicación geográfica y física de la celda). La desventaja principales es que no es posible generar energía durante horas de la noche. Existen varias maneras de solucionar estos problemas, pero primero veamos una breve reseña de la historia de las celdas solares.



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Historia de las celdas solares o fotovoltaicas

El efecto foto-voltaico utilizado en las celdas solares fue reconocido por primera vez por Alexandre Becquerel. Sin embargo, no fue sino hasta 1883 cuando se construyó la primera celda solar, por Charles Fritts. Este último produjo una celda solar solo 1% eficiente (es decir, solo podía aprovechar el 1% de la energía en la luz, el otro 99% era desperdiciado). Fue hasta 1954 cuando los Laboratorios Bell, descubrieron que ciertos semiconductores, cuando eran contaminados a propósito, se volvían extremadamente sensibles a la luz.

Este último descubrimiento llevó a la creación de celdas solares que eran eficientes a un 6%, lo cual ya las hacía viables para ciertas aplicaciones. Este avance hizo posible que se lanzara al espacio en 1958 el primer satélite con celdas solares, el Sputnik 3. En la actualidad, y debido a constantes avances en el área, se ha logrado obtener hasta un 42% de eficiencia en conversión de energía.


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Componentes básicos de una celda solar

Toda celda solar moderna consta usualmente de los siguientes componentes:


Placa de vidrio, que permite ingresar la luz, pero protege a los semiconductores en la celda de los elementos.
Plancha de semiconductores tipo n y tipo p. El tipo n tiene una concentración de electrones mucho más alta que la del tipo p, y ambos están contaminados a propósito con átomos de otros elementos como el boro y el galio.
Trayectoria por donde pueden circular los electrones para ir del semiconductor tipo n al tipo p. Esto es usualmente dos capas que rodean a la plancha de semiconductores, que actúan como un conductor de electrones entre las dos capas de semiconductores.
Finalmente, usualmente se le agrega una capa anti-reflectiva entre la placa de vidrio y el semiconductor, para minimizar la pérdida de luz por reflejo.


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Funcionamiento de una celda solar

Pero, cómo logra la celda solar convertir luz en energía eléctrica? El secreto está en los fotones que son parte de todo rayo de luz. Los fotones no son más que la partícula elemental de toda señal electromagnética, así como los átomos son la partícula elemental de toda la materia. Todo fotón contiene una cantidad infininetismal de energía (4x10-19 joules, si estás interesado), y toda luz visible al ojo humano lleva grandes cantidades de fotones. Es la energía contenida en toda esta masa de fotones la que aprovecha la celda solar para convertir a electricidad.

El siguiente es el proceso básico, repetido millones de veces, que permite a una celda solar generar energía eléctrica:

Los fotones pegan en la superficie de la celda, usualmente de vidrio. Ese permite pasar la luz a la capa de semiconductor n.
Los átomos en la capa de semiconductores tipo n se excitan, "soltando" electrones, lo que genera un exceso de electrones en la misma.
La capa de semiconductor tipo p tiene deficiencia de electrones, lo cual atrae a los electrones excitados provenientes de la capa tipo n. En términos eléctricos, se genera una diferencia de potencial entre ambas capas de semiconductor, mejor conocido como voltaje.
Ya que la única manera de llegar del semiconductor tipo n al p es a través del cable que une a ambas, los electrones escogen esta vía. Esto causa un campo eléctrico en este cable, y esta es la corriente eléctrica que estamos buscando.


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Manufactura de celdas solares

En la actualidad, la mayoría de celdas solares se construyen en módulos rígidos de 36 celdas o más, conectadas en serie y en paralelo, para generar el voltaje y corriente que se necesita. Al mismo tiempo, después de la capa de vidrio, se le pone una capa antireflectiva al silicón, lo que minimiza la luz desperdiciada por el reflejo. Finalmente, alrededor de ambas capas de silicón, se ponen los contactos que componen los polos positivo y negativo de la celda solar.

Aunque este diseño funciona muy bien para edificios y terrazas, que es donde usualmente se colocan estas celdas, es un problema cuando se intentan adaptar a botes y/o vehículos, por lo que actualmente se trabaja también en maneras de hacer celdas solares flexibles, las cuales puedan adaptarse fácilmente a las curvas aerodinámicas de automóviles y barcos. Estos también podrían hacer menos frágiles las celdas planas, minimizando el riesgo de dañarse, y bajando sus costos de instalación.



Eficiencia de las celdas solares

Como mencionamos al principio, la eficiencia de las celdas solares es bastante baja. Las primeras convertían menos del 1% de la luz recibida en energía eléctrica. Esto ha ido mejorando poco a poco, y actualmente se logra normalmente entre un 15% y 25% de eficiencia en las mejores celdas disponibles comercialmente. Algunas celdas de materiales avanzados han logrado llegar a un 42% de eficiencia, pero no en procesos industrializados de producción, sino en condiciones controladas en laboratorio.

Aunado a la baja eficiencia de las celdas solares, está el hecho que son relativamente caras producirlas. Se estima que, en la actualidad, una instalación doméstica de celdas solares cuesta aproximadamente $9/watt. Esto quiere decir que, para poder proveer energía para una bombilla de 100 watts, se necesitaría invertir $900, y esto solamente proveería energía de día. Para evitar esto, usualmente los sistemas de celdas solares se instalan junto con sistemas automáticos de baterías y conmutación, los cuales permiten almacenar energía cuando no se utiliza durante el día, y poder utilizarla durante la noche, cuando es más necesaria. Toda esta complejidad, sin embargo, agrega costos adicionales, así como delays por mantenimiento.

Finalmente, existen diversos problemas: Si aún una pequeña parte de la celda solar la cubre alguna sombra, la eficiencia de la celda en su totalidad se vé disminuida drásticamente. Además, para maximizar la generación eléctrica, se debe optimizar su ángulo y orientación dependiendo de la ubicación geográfica y hasta los patrones de clima del lugar donde se instalará. Si no se toma todo esto en cuenta, la celda solar no generará lo suficiente para justificar su instalación y uso.


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Conclusión

En resumen, las celdas solares tienen la posibilidad de ayudarnos a depender menos de los combustibles fósiles, pero todavía hace falta mucha investigación para llegar a un punto en el cual sea relativamente barato hacer el cambio. Por ahora, las celdas solares tienen aplicaciones en mercados muy específicos, donde exista abundancia de luz solar todo el año, y la luz eléctrica sea demasiado cara. Sin embargo, para la mayoría de nosotros, todavía quedan unos años antes de que estas tecnologías estén al alcance de nuestro bolsillo.



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Celdas de energía


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En un mundo tan industrializado como en el que actualmente vivimos, la energía eléctrica es una herramienta esencial y tendemos a buscar sustitutos que nos brinden un respaldo de energía para áreas críticas, o para generar servicios locales de energía en áreas que son inaccesibles a líneas de energía.

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Uno de estos sustitutos son los sistemas a base de Celdas de Energía (Fuel Cells), de los que han sido instalados más de 2500 alrededor del mundo, en hospitales, hospicios de ancianos, hoteles, edificios de oficinas, escuelas, etc.

Pero qué son estas Celdas de Energía y cómo funcionan? Lee este artículo y descubre los beneficios que nos dan estas celdas al proveernos de energía.

En principio, una celda de energía funciona como una batería. A diferencia de una batería, una celda de energía no se agota o requiere recargar.

Es un dispositivo que genera la electricidad por una reacción química. Cada celda de energía tiene dos electrodos, un positivo llamado Cátodo y un negativo llamado Ánodo. Las reacciones que producen la electricidad ocurren gracias a los electrodos. Cada celda de energía también tiene un electrolito, que lleva las partículas cargadas eléctricamente de un electrodo a otro y finalmente un catalizador, que hace reaccionar los electrodos.

El hidrógeno es el combustible básico de las celdas de energía, pero también requieren del oxígeno para funcionar. Para que los tengamos presente: una celda de energía genera una cantidad diminuta de electricidad directa (corriente continua). En la práctica, muchas celdas de energía se reúnen por lo general en una batería para producir un nivel más alto de energía o electricidad. Celda o batería, los principios son los mismos.


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La primera celda de energía fue construida en 1839 por el señor Guillermo Grove, juez y científico galés. Pero el verdadero interés por el funcionamiento de la celda de energía como un generador práctico de energía no comenzó hasta los años 1960, cuando el programa espacial estadounidense eligió las celdas de energía sobre la energía nuclear que era más arriesgada y la energía solar que era más cara. Las celdas de energía alimentaron de energía la nave espacial Apolo y Géminis, y además de esto proporcionaron la electricidad y el agua para el trasbordador espacial.

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Celda de energía primitiva

En la página siguiente veremos los diferentes tipos de Celdas de Energía.




TIPOS DE CELDAS DE ENERGIA


Alcalina



Las celdas de energía de alcalina funcionan con hidrógeno comprimido y oxígeno. Ellos generalmente usan una solución de hidróxido de potasio (por medios químicos, KOH) y el agua como su electrolito. Su eficacia es aproximadamente del 70 por ciento, y su temperatura de operación es 150 a 200 grados C, (aproximadamente 300 a 400 grados F). La energía producida por este celda se extiende de 300 vatios (W) a 5 kilovatios (Kw.).

Estas celdas de energía alcalinas fueron usadas en la nave espacial de Apolo para proveer tanto electricidad como agua potable. Ellas requieren combustible de hidrógeno puro, sin embargo, sus catalizadores hechos de electrodo platino son caros. Y como en cualquier contenedor lleno de líquido, pueden producirse fugas.


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Carbonato Fundido

Las celdas de energía de Carbonato Fundido (MCFC) usan compuestos de sal expuestos a altas de temperaturas (como sodio o magnesio) carbonatos (por medios químicos, CO3) que funcionan como electrolito. Los rangos de eficacia son del 60 al 80 por ciento y tienen una temperatura de operaciones de aproximadamente 650 grados C (1,200 grados F).

Increíblemente, han sido construidas unidades con capacidad de producir energía hasta de 2 megavatios (MW) y existen diseños para unidades de hasta 100 MW.


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Acido Fosfórico



Las celdas de energía de Acido Fosfórico (PAFC) usan el ácido fosfórico como electrolito. Su eficacia es del 40 a 80 por ciento, y su temperatura de operaciones está entre 150 a 200 grados C (aproximadamente 300 a 400 grados F).

Las celdas de ácido fosfórico existentes tienen la capacidad de producir energía hasta de 200 Kw., y han probado algunas de hasta 11 MW.

Toleran una concentración de monóxido de carbono aproximadamente del 1.5 por ciento, que incrementa el porcentaje de combustibles que pueden usar. Si se usara gasolina como combustible, se debe quitar el azufre, ya que no son compatibles químicamente.

Para su correcto funcionamiento son necesarios unos electrodo-catalizadores a base platino, ya que sus partes internas deben ser capaces resistir el ácido corrosivo.


Membrana de Cambio de Protón (PEM)


Estas celdas trabajan con un electrolito de polímero con la forma de una hoja delgada y permeable. La eficacia es aproximadamente el 40 a 50 por ciento, y la temperatura de operaciones es aproximadamente 80 grados C (aproximadamente 175 grados F).

La capacidad de producción de energía de estas celdas generalmente se extienden de 50 a 250 Kw. La parte sólida, el electrolito flexible no se gotea o se quiebra. Estas celdas funcionan en una temperatura bastante baja y pueden ser convenientes para casas y coches. Para esto, el combustible que usan debe ser purificado, y generalmente se usa un catalizador de platino en ambos lados de la membrana interior, lo cual aumenta los costos.


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Óxido sólido (SOFC)


Las celdas de óxido sólido usan un compuesto difícil, hecho a base de cerámica de metal (como calcio o circonio) y óxidos (por medios químicos, O2) que funcionan de electrolito. La eficacia es aproximadamente el 60 por ciento, y las temperaturas de operaciones son aproximadamente 1,000 grados C (aproximadamente 1,800 grados F).

La capacidad para generar energía está a la altura de 100 Kw. En tales temperaturas no se requiere que un transformador extraiga el hidrógeno del combustible, además de eso, el calor de desecho puede ser reciclado para hacer electricidad adicional, sin embargo, la alta temperatura que emite limita la capacidad de las unidades SOFC y tienden a ser bastante grandes, aunque los electrolitos sólidos no pueden fugarse como en otro tipo de celdas de energía, pueden rajarse.


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BENEFICIOS



Ninguna otra tecnología generadora de energía tiene una combinación de beneficios como lo pueden ofrecer las celdas de energía. Entre estos beneficios se incluyen:

Centrales Eléctricas


Los sistemas de generación de energía que utilizan las celdas de energía a base de combustible de hidrocarbonos al día de hoy consiguen una eficacia del 40 por ciento. Ya que las celdas de energía funcionan silenciosamente, reducen la contaminación acústica así como la contaminación del aire y cuando la celda de energía se sitúa cerca del punto de uso, su calor de desecho puede ser ocupado para objetivos beneficiosos (cogeneración).


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Telecomunicaciones


Con el uso de las computadoras, el Internet, y las redes de comunicación constantemente en aumento, viene la necesidad por obtener una red de energía más confiable, y la celda de energía ha probado ser un 99.9999% confiable. Las celdas de energía pueden reemplazar baterías para proveer energía de 1 a 5 KW en sitios de telecomunicaciones sin ruidos o emisiones, y son durables, proveyendo energía en lugares donde es más costoso acceder o son sujetos a las inclemencias del tiempo. Dichos sistemas podrían ser usados para proveer energía de primera o de respaldo para aparatos de telecomunicación, torres para celulares, y otros sistemas electrónicos.


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Transporte


Vehículos: Todos los fabricantes de vehículos poseen hoy en día un prototipo que funcione con base a celdas de energía, cuyo funcionamiento se está probando en estos momentos, y muchas de estas empresas han iniciado arrendamientos para hacer pruebas en grandes cantidades. La comercialización esta aún muy por debajo de lo esperado (algunos fabricantes dicen que saldrán en el 2012 y algunos aún después) pero cada demostración ayuda a que esta fecha esté aun más cerca.

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Buses: Durante los últimos cuatro años, se han realizado más de 50 demostraciones de autobuses con funcionamiento a base de celdas de energía en el norte y sur de América, Europa, Asia y Australia. Las celdas de energía son sumamente eficientes, además que el sistema a base de celdas de energía es mucho más silencioso que los sistemas a base de diesel, y ayudan a reducir la contaminación acústica.


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Motos: A pesar de su tamaño, las motocicletas son centrales eléctricas de contaminación. Las motos impulsadas por gasolina, producen emisiones de su escape mucho mayores a las esperadas, lo cual es completamente desproporcionado para su pequeño tamaño. Las motocicletas a base de celdas de energía de hidrógeno, eliminarían las emisiones – En India y Asia donde la mayoría de las poblaciones las utiliza - sería una gran aplicación para demostrar las ventajas de las celdas de energía.


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Generador de Energía Portátil
Los generadores de energía portátiles a base de celdas de energía pueden proveernos de esta donde la energía eléctrica no esté disponible, además son silenciosas, y no solo nos librarían de las emisiones de contaminación auditiva, sino que no molestaríamos a nuestros vecinos con ruidos excesivos. Estos generadores podrían ser usados como respaldos de emergencia y en misiones militares, ya que los soldados llevan un equipo pesado al campo de batalla. Además de estos beneficios son mucho más ligeras que las baterías y duran más.


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Consumo ElectrónicoLas celdas de energía cambiarían el mundo de la telecomunicación, proveyendo energía a los teléfonos celulares, computadoras portátiles y agendas electrónicas durante más tiempo que las baterías. Las compañías de telefonía han demostrado que las celdas de energía pueden proveer de energía por 30 días sin recarga y a las computadoras portátiles por 20 horas. Otras aplicaciones son la fabricación de micro-celdas de energía que proveerían de energía a compaginadores, videograbadoras, herramientas eléctricas portátiles, y energía para dispositivos remotos como audífonos, detectores de humo, alarmas antirrobo, cerraduras para hoteles y lectores métricos. Estas celdas de energía en miniatura generalmente son hechas a base de metanol, un alcohol de madera barato que también se usa como limpia brisas.

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El Talón De Aquiles: Los obstáculos para las celdas de energía.


Es importante recordar que las celdas de energía no son baterías. Mientras que comparten similares características tales como la capacidad de cambiar energía química en energía eléctrica, las celdas de energía requieren de combustible de hidrógeno para continuar funcionando. El oxígeno es fácil de encontrar, por razones obvias (el que flota en el aire) y el hidrógeno (mientras que es el elemento más abundante del universo) se debe cultivar a partir otras moléculas. El hidrógeno libre es volátil y duro al almacenar.

El hidrógeno se puede extraer de varios diversos combustibles:


• Las Obras clásicas: el gas natural, la gasolina, el gas diesel y el propano, todos contienen las cantidades masivas de hidrógeno que se pueden utilizar en una celda de energía.

• Gas Verde: los gases y los combustibles renovables también ofrecen hidrógeno, estos combustibles pueden ser etanol, metanol, gas del terraplén, bio-gas, y metano.

• Agua: es la molécula más abundante en la tierra. Con electrólisis, el oxígeno y el hidrógeno pueden ser separados y ponerlos conjuntamente al uso.

• Exótico: hay formas muy exóticas de extraer combustible de hidrógeno, éstas incluye cáscaras del cacahuete, algas, y el compuesto del boro hidruro de sodio (altamente corrosivo, tóxico, inflamable, y altamente agua-reactivo).


Actualmente, los costos del hidrógeno son cerca de $3.00 por galón. Pero antes de 2010, el departamento de transporte promete reducir el costo a un dólar. El costo del hidrógeno es dependiente sobre todo en el sistema de la entrega. El hidrógeno se puede bombear a través de líneas de pipa (esto se emplea ya en ajustes industriales). La mejor alternativa para aprovisionar de hidrógeno sería la colocación de estaciones de expendio que se accionarán por vía solar, viento, o energía hidroeléctrica y usar esa electricidad para separar el hidrógeno del agua usando electrólisis. Hay ya dos de estas estaciones que funcionan en California meridional.

Las Baterías a base de Celdas de Energía, a la vuelta de la Esquina


Con la popularización de los ordenadores portátiles y de los teléfonos móviles, las baterías son una presencia constante (y un constante engorro) en la vida de muchas personas. Aunque las nuevas baterías de iones de litio tienen muchas ventajas, todavía es necesario disponer de electricidad para cargarlas, y alcanzan el límite de su rendimiento. En comparación, las baterías con base a celdas de energía sólo necesitan una pequeña cantidad de alcohol para proporcionar varias horas de funcionamiento.

El fabricante de ordenadores LG dispone desde diciembre pasado de un modelo de portátil que se alimenta con una batería que consume alcohol o gas natural. Panasonic y Toshiba también tienen modelos parecidos que funcionan con metanol y proporcionan una autonomía de 20 horas.


¿Baterías o cartuchos de recarga?


Aunque el combustible sea muy barato y accesible, el plan de negocio de estas compañías parece apuntar a que habrá que comprar cartuchos de recarga, esperando que sean compatibles unos con otros.

Según un estudio realizado, el mercado de las baterías con base a Celdas de Energía podría crecer a un ritmo del 23%, alcanzando los 3,500 millones de dólares de volumen en el 2010.

Una aproximación diferente es la de la compañía Medis Technologies, que ha desarrollado el Power Pack 24/7, una caja del tamaño de un paquete de tabaco. Cuando la batería del móvil empiece a flojear, se conecta el aparato al 'Power Pack' y se obtienen 30 horas más de conversación. También sirve para reproductores MP3 u ordenadores portátiles, aunque cuanto mayor sea el consumo, menos durará la carga.

Mientras que la mayoría de las celdas de energía que utilizan metanol requieren un catalizador de platino, Power Pack es desechable, ya que utiliza como combustible boro hidruro de sodio, que permite usar catalizadores más baratos. La empresa Medis espera que cada unidad cueste unos 15 dólares.

Muchos desafíos técnicos y de ingeniería aguardan para las Celdas de Energía, científicos y desarrolladores trabajan duro en ellos. El mayor problema de las celdas de energía es que aún son demasiado caras. Una razón clave es que no se han construido aun las suficientes para que sean usadas en economías de escala.



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