Energía Solar Fotovoltaica y Geotérmica: Principios, Fabricación y Aplicaciones

Energía Solar Fotovoltaica

Fotovoltaica: 1839, Becquerel descubre el efecto fotovoltaico. 1954, primera célula solar fotovoltaica en los laboratorios Bell, con un rendimiento del 6%. Actualmente, el crecimiento es limitado por la falta de silicio de calidad en el mercado. Fabricación de células fotovoltaicas: Japón lidera frente a Europa y EE. UU.

Semiconductor: materiales que tienen una banda de valencia y otra de conducción, pudiendo un fotón arrancar un hueco a la banda de conducción. Pueden ser tipo P (exceso de huecos, carga positiva) o tipo N (exceso de electrones).

Efecto fotovoltaico: la zona N (neutra) junto a la zona P pierde electrones y va siendo más positiva; la zona P, al perder huecos, es cada vez más negativa. Aparece una diferencia de potencial entre las zonas N y P, separadas por la zona de unión que es neutra; la tensión que aparece crea una barrera de potencial que se opone a la ley de difusión. Son de silicio con dopajes (exceso de carga negativa). El exceso de carga tiene que estar en la parte superior, ya que el fotón tiene que arrancar la carga.

Módulos de 36 células, con una potencia P = 50-150 Wp. Panel diseñado para transformar una radiación de 1000 W/m². El voltaje es constante y aumenta con el número de módulos; la intensidad varía con la temperatura, la irradiancia, la velocidad del viento, etc. Paneles híbridos funcionan con agua o aire y aprovechan el calentamiento del panel fotovoltaico para calentar el fluido. La eficiencia del panel fotovoltaico llega como máximo al 18% y el no híbrido al 20%. Los paneles fotovoltaicos llevan dos capas, una de PVC aislante y otra de vidrio que le otorga resistencia mecánica, y un marco de aluminio.

Fabricación de Células Fotovoltaicas de Silicio

• 1ª fase: obtención del silicio.
• 2ª fase: cristalización (método Czochralski).
• 3ª fase: obtención de obleas.
• 4ª fase: fabricación de células y módulos.

Módulos Fotovoltaicos de Concentración

Consisten en concentrar la luz en una célula más pequeña, reduciendo la cantidad de silicio por otros materiales más baratos. Funcionan bien con luz directa, desaprovechan la difusión y necesitan un sistema de seguimiento solar. Su eficiencia alcanza el 40%.

Energía Geotérmica

Profundidad de 5 a 35 km con temperaturas de 15 a 800 ºC dependiendo del manto; gradiente térmico de 25 ºC/km.

Clasificación

• Según entalpía / temperatura: alta entalpía (H > 220 ºC); media entalpía (H entre 150 y 220 ºC); baja entalpía (H < 150 ºC).
• Tipo de fase predominante: vapor; vapor más líquido; líquido a más de 150 ºC.

Yacimientos Geotérmicos

Subsuelo con capas rocosas porosas e impermeables que atrapan agua y vapor de agua a alta temperatura y presión.

• Bombas de calor: perforación de 100-300 metros en forma de U, se extrae el calor contenido en la roca para climatizar una vivienda.
• Sistemas hidrotermales: perforación de hasta 3 km, se inyecta agua fría y se obtiene agua caliente por otro tubo; el agua caliente se reinyecta.
• Hot-Dry Rock (HDR): se inyecta agua fría en roca fracturada caliente, se puede usar para generar electricidad y se reinyecta el agua fría.
• Yacimientos marinos: alta entalpía, salto térmico no muy grande pero con una masa de agua enorme; yacimientos costosos por la corrosión de los materiales.
• Yacimientos magmáticos: sistemas de roca fundida existentes en aparatos volcánicos activos o a gran profundidad en zonas de debilidad cortical; temperaturas muy elevadas (800 ºC).

Aplicaciones de la Energía Geotérmica

Aplicaciones Eléctricas

• Si se encuentra vapor seco: directamente a turbinas de ciclo Rankine (pocos yacimientos).
• Mezcla líquido-vapor: separación del vapor antes de la turbina.
• Yacimientos hidrotermales de baja temperatura: ciclo binario; antes de la turbina hay un cambiador de calor, el agua salobre se enfría en el cambiador cediendo el calor al agua de red, también pueden tener un regenerador que calienta el agua de red con el vapor de salida de la turbina.
• Sistema geotérmico estimulado: sistema de inyección de agua para generar vapor en yacimientos de roca caliente (HDR).
• Bomba de calor: utiliza un refrigerante que realiza un ciclo de refrigeración (saca calor del foco frío y lo lleva al caliente, consumiendo trabajo). Para calefacción también aprovecha la condensación del refrigerante. El fluido se evapora con el calor de la tierra, va al compresor, y luego al condensador donde absorbe calor en la vivienda para condensarse.

Balance energético: COP (cociente entre energía térmica cedida por el sistema y la energía convencional absorbida). Captación: captadores horizontales, sondas geotérmicas, sondeos de captación de agua. Sistemas de captación: vertical, horizontal, pilotes energéticos, otros.

Otras Aplicaciones

Balneoterapia, agricultura, piscicultura, sistemas industriales, calefacción y bomba de calor.

Impacto Ambiental

Reducción de emisiones de CO2, movimientos de terreno, impacto sobre el aire, contaminación del agua, impactos en la estructura geológica, contaminación sonora durante la perforación y extracción, bajo impacto visual, riesgo de sismos menores o manifestaciones geotérmicas.