Energía solar: tipos de energía, celdas solares fotovoltaicas, funcionamiento y construcción

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1 Energías Alternativas ENTREGA 1 Energía solar: tipos de energía, celdas solares fotovoltaicas, funcionamiento y construcción La energía solar es la energía obtenida mediante la captación de la luz y el calor emitidos por el Sol. La radiación solar que alcanza la Tierra puede aprovecharse por medio del calor que produce a través de la absorción de la radiación, por ejemplo en dispositivos ópticos o de otro tipo. Es una de las llamadas energías renovables, particularmente del grupo no contaminante, conocido como energía limpia o energía verde. Si bien, al final de su vida útil, los paneles fotovoltaicos pueden suponer un residuo contaminante difícilmente reciclable al día de hoy. La potencia de la radiación varía según el momento del día, las condiciones atmosféricas que la amortiguan y la latitud. Se puede asumir que en buenas condiciones de irradiación el valor es superior a los 500 watt por cada metro cuadrado de superficie sobre el nivel del suelo. A esta potencia se la conoce como irradiancia. Las celdas o células solares son dispositivos que convierten energía solar en electricidad, ya sea directamente vía el efecto fotovoltaico, o indirectamente mediante la previa conversión de energía solar a calor o a energía química. La forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia del fotovoltaje o del potencial entre las capas. Este voltaje es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de producir trabajo útil. Elaborado por Horacio Daniel Vallejo Tipos de Energía Antes de comenzar con el desarrollo de la energía solar, veremos una introducción a los distintos tipos de energía, su definición y cómo se las emplea: En física, energía se define como la capacidad para realizar un trabajo. Si miramos a nuestro alrededor se ve que las plantas crecen, los animales se mueven y que las máquinas y herramientas hacen muchas tareas. Todas estas actividades necesitan energía. La energía es una propiedad de los objetos y sustancias y que se ve en las transformaciones que ocurren en la naturaleza. La energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo. La energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica. La figura 1 muestra 6

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3 Energías Alternativas un esquema que ejemplifica el ciclo de la energía. El Concepto de Energía En la física, la ley universal de conservación de la energía, que es la base para el primer principio de la termodinámica, indica que la energía ligada a un sistema aislado permanece en el tiempo. No obstante, la teoría de la relatividad especial establece una equivalencia entre masa y energía por la cual todos los cuerpos, por el hecho de estar formados de materia, contienen energía; además, pueden poseer energía adicional que se divide conceptualmente en varios tipos según las propiedades del sistema que se consideren (figura 2). Por ejemplo, la energía cinética se cuantifica según el movimiento de la materia, la energía química según la composición química, la energía potencial según propiedades como el estado de deformación o a la posición de la materia en relación con las fuerzas que actúan sobre ella y la energía térmica según el estado termodinámico. La energía no es un estado físico real, ni una sustancia intangible sino sólo una magnitud escalar que se le asigna al estado del sistema físico, es decir, la energía es una herramienta o abstracción matemática de una propiedad de los sistemas físicos. Por ejemplo, se puede decir que un sistema con energía cinética nula está en reposo. Se utiliza como una abstracción de los sistemas físicos por la facilidad pa- Dentro del sol, enormes presiones comprimen a los átomos de hidrógeno, que se convierten en hielo y liberan mucha energía. Ciclo de la energía Si desaparece el sol, no podría seguir la tierra. Los rayos solares calientan la atmósfera, evaporan mares y ríos y forman nubes y lluvias. Las plantas usan la energía solar para convertir el agua y el dióxido de carbono del aire en azúcares y oxígeno (fotosíntesis) Algunas plantas sirven como combustible (leña y carbón vegetal) Los restos de plantas fósiles forman carbón mineral. Las centrales eólicas aprovechan la energía del viento para obtener electricidad. Las pilas hechas en fábricas, producen corrientes eléctricas El agua de las represas mueve los generadores de electricidad Las células fotoeléctricas de ciertas calculadoras y edificios transforman la luz en electricidad Los herbívoros se alimentan de plantas. Plantas y animales alimentan al hombre Las fábricas funcionan con carbón, petróleo Los restos fósiles de algunos animales marinos forman y electricidad. petróleo, que almacenan la energía que aquellos tomaron de las plantas. Con petróleo se genera electricidad. Los autos y otros vehículos funcionan con derivados de petróleo Luz y aparatos que funcionan con corriente eléctrico (audios, heladeras, etc) Figura 1 ra trabajar con magnitudes escalares, en comparación con las magnitudes vectoriales como la velocidad o la posición. Por ejemplo, en mecánica, se puede describir completamente la dinámica de un sistema en función de las energías cinética, potencial, que componen la energía mecánica, que en la mecánica «newtoniana» tiene la propiedad de conservarse, es decir, ser invariante en el tiempo. Figura 2 8 Matemáticamente, la conservación de

4 Energías Alternativas la energía para un sistema es una consecuencia directa de que las ecuaciones de evolución de ese sistema sean independientes del instante de tiempo considerado, de acuerdo con el teorema de Noether. Clasificación de la Energía La energía también es una magnitud física que se presenta bajo diversas formas, está involucrada en todos los procesos de cambio de Estado físico, se transforma y se transmite, depende del sistema de referencia y fijado éste se conserva. Por lo tanto, todo cuerpo es capaz de poseer energía, esto gracias a su movimiento, a su composición química, a su posición, a su temperatura, a su masa y a algunas otras propiedades. En las diversas disciplinas de la física y la ciencia, se dan varias definiciones de energía, por supuesto todas coherentes y complementarias entre sí, todas ellas siempre relacionadas con el concepto de trabajo. Por ejemplo la energía mecánica es la combinación o suma de los siguientes tipos: Energía cinética: relativa al movimiento. Energía potencial: la asociada a la posición dentro de un campo de fuerzas conservativo. Por ejemplo, está la Energía potencial gravitatoria y la Energía potencial elástica (o energía de deformación, llamada así debido a las deformaciones elásticas). Una onda también es capaz de transmitir energía al desplazarse por un medio elástico. En electromagnetismo se estudia a las siguientes energías: Energía electromagnética, que se compone de: Energía radiante: la energía que poseen las ondas electro - magnéticas. Energía calórica: la cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede desprender al producirse una reacción química de oxidación. Energía potencial eléctrica, que se compone de: Energía eléctrica: resultado de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos. En la termodinámica están: Energía interna, que es la suma de la energía mecánica de las partículas constituyentes de un sistema. Energía térmica, que es la energía liberada en forma de calor, obtenida de la naturaleza (energía geotérmica) mediante la combustión. En la teoría de la relatividad se estudia: Energía en reposo, que es la energía debida a la masa según la conocida fórmula de Einstein, E = mc 2, que establece la equivalencia entre masa y energía. Energía de desintegración, que es la diferencia de energía en reposo entre las partículas iniciales y finales de una 9

5 Energías Alternativas desintegración. Al redefinir el concepto de masa, también se modifica el de energía. En física cuántica, la energía es una magnitud ligada al operador «hamiltoniano». La energía total de un sistema no aislado de hecho puede no estar definida: en un instante dado la medida de la energía puede arrojar diferentes valores con probabilidades definidas. En cambio, para los sistemas aislados en los que el «hamiltoniano» no depende explícitamente del tiempo, los estados estacionarios sí tienen una energía bien definida. Además de la energía asociadas a la materia ordinaria o campos de materia, en física cuántica aparece la: Energía del vacío: un tipo de energía existente en el espacio, incluso en ausencia de materia. En química aparecen algunas formas específicas no mencionadas anteriormente, como ser: Energía de ionización, una forma de energía potencial, es la energía que hace falta para ionizar una molécula o átomo. Energía de enlace, es la energía potencial almacenada en los enlaces químicos de un compuesto. Las reacciones químicas liberan o absorben esta clase de energía, en función de la entalpía y energía calórica. Si estas formas de energía son consecuencia de interacciones biológicas, la energía resultante es bioquímica, pues necesita de las mismas leyes físicas que aplican a la química, pero los procesos por los cuales se obtienen son biológicos, como norma general resultante del metabolismo celular. La energía potencial es la que se le puede asociar a un cuerpo o sistema conservativo en virtud de su posición o de su configuración. Si en una región del espacio existe un campo de fuerzas conservativo, la energía potencial del campo en el punto (A) se define como el trabajo requerido para mover una masa desde un punto de referencia (nivel de tierra) hasta el punto (A). Por definición el nivel de tierra tiene energía potencial nula. Algunos tipos de energía potencial que aparecen en diversos contextos de la física son: La energía potencial gravitatoria asociada a la posición de un cuerpo en el campo gravitatorio (en el contexto de la mecánica clásica). La energía potencial gravitatoria de un cuerpo de masa m en un campo gravitatorio constante viene dada por: donde h es la altura del centro de masas respecto al cero convencional de energía potencial. La energía potencial electrostática V de un sistema se relaciona con el campo eléctrico mediante la relación: La energía potencial elástica asociada al campo de tensiones de un cuerpo deformable. La energía potencial puede definirse solamente cuando existe un campo de fuerzas que es conservativa, es decir, que cumpla con alguna de las siguientes propiedades: El trabajo realizado por la fuerza entre dos puntos es independiente del camino recorrido. El trabajo realizado por la fuerza para cualquier camino cerrado es nulo. Se puede demostrar que todas las propiedades son equivalentes (es decir que cualquiera de ellas implica la otra). En estas condiciones, la energía potencial en un punto arbitrario se define como la diferencia de energía que tiene una partícula en el punto arbitrario y otro punto fijo llamado potencial cero. La energía cinética es un concepto fundamental de la física que aparece tanto en mecánica clásica, como mecánica relativista y mecánica cuántica. La energía cinética es una magnitud escalar asociada al movimiento de cada una de las partículas del sistema. Hecha una primera clasificación, en el siguiente capítulo, comenzaremos a desarrollar cada uno de estos conceptos. Continuará... 10

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