Una de las contribuciones importantes que los ingenieros eléctricos pueden hacer a la sociedad es lograr la sostenibilidad energética global. Las proyecciones actuales estiman que la producción máxima de petróleo se alcanzará en los próximos 50 años. Esto significa que estamos produciendo la mayor cantidad de petróleo que podría extraerse del suelo. Además, las preocupaciones del público sobre la seguridad nuclear y la proliferación han obstaculizado los esfuerzos para desarrollar e instalar plantas de energía nuclear modernas y seguras. Con un consumo mundial anual de energía que ahora supera los 15 TW, la energía solar se está convirtiendo en una opción más económica para proporcionar la energía eléctrica que tanto se necesita en todo el mundo. Como fuente de energía, la energía solar es democrática, abundante, limpia y totalmente renovable. El único problema es que la tecnología para capturar luz y almacenar energía eléctrica de manera efectiva aún no está completamente establecida. Sin embargo, las innovaciones recientes han ido aún más lejos hacia ese objetivo.
Una de las contribuciones importantes que los ingenieros eléctricos pueden hacer a la sociedad es lograr la sostenibilidad energética global. Las proyecciones actuales estiman que la producción máxima de petróleo se alcanzará en los próximos 50 años. Esto significa que estamos produciendo la mayor cantidad de petróleo que podría extraerse del suelo. Además, las preocupaciones del público sobre la seguridad nuclear y la proliferación han obstaculizado los esfuerzos para desarrollar e instalar plantas de energía nuclear modernas y seguras. Con un consumo mundial anual de energía que ahora supera los 15 TW, la energía solar se está convirtiendo en una opción más económica para proporcionar la energía eléctrica que tanto se necesita en todo el mundo. Como fuente de energía, la energía solar es democrática, abundante, limpia y totalmente renovable. El único problema es que la tecnología para capturar luz y almacenar energía eléctrica de manera efectiva aún no está completamente establecida. Sin embargo, las innovaciones recientes han ido aún más lejos hacia ese objetivo.
Los paneles solares se han vuelto significativamente más baratos de fabricar durante la última década, especialmente debido a las mejoras en el proceso de fabricación de las células solares de primera generación. Las celdas solares de primera generación consisten en una sola unión PN semiconductora, como un diodo de silicio típico. Estas celdas están hechas principalmente de silicio y constituyen la mayor parte de las celdas utilizadas en electrodomésticos, cargadores solares para campamentos y otros dispositivos simples. Están sujetos a un límite fundamental conocido como el límite de Shockley-Quisser, que limita la eficiencia máxima de extracción de energía de las celdas solares de unión única a alrededor del 34 %. Esta limitación se debe principalmente a la recombinación de huecos y electrones dentro de la celda, la liberación de energía por parte de la celda a través de la radiación del cuerpo negro y las pérdidas debidas a su capacidad para absorber solo una cierta porción del espectro de luz solar que incide sobre la celda. . .
A medida que baja el costo de estas celdas solares, más personas están considerando instalar celdas en sus hogares para reducir sus facturas mensuales de electricidad. Muchos no tienen en cuenta los costos fijos que implica instalar celdas solares en sus hogares. Entre estos se encuentran los costos pagados para instalar las celdas, la electrónica de potencia requerida para convertir la electricidad generada en CA y los costos asociados con el financiamiento de la instalación solar. La instalación de celdas es un costo que siempre se considera, pero depende del tamaño del techo y la demanda de energía. Por ejemplo, algunos propietarios han instalado seguidores solares. Este es un dispositivo mecanizado que mueve paneles solares a lo largo del día como una forma de maximizar la luz que llega a las células solares. Estos artículos más caros generalmente solo tienen sentido en aplicaciones a gran escala y de alta eficiencia.
Se requieren dispositivos electrónicos de potencia, como inversores, para convertir la energía generada por energía solar (CC) para producir tres formas de energía de CA que se pueden usar en el hogar o vender a la empresa de servicios públicos. Los inversores y los generadores de CA se encuentran entre los costos más caros asociados con las instalaciones solares. Estos costos son casi iguales o superiores al costo de las celdas solares. Afortunadamente, la investigación en el área de la electrónica de potencia está reduciendo los costos. Los dispositivos de conmutación rápida, como los transistores de gigahercios y terahercios, deben volverse más económicos para que las instalaciones solares domésticas sean más viables. Las instalaciones solares domésticas pueden costar decenas de miles de dólares y pueden requerir un préstamo bancario para comprar. A pesar de los recortes de impuestos del gobierno, no es económico comprar celdas solares. Dado el costo fijo por kilovatio-hora de la utilidad durante la vida útil de la celda solar, el costo de la instalación solar, más las exenciones fiscales y la eventual amortización, sería más sencillo suministrar toda la electricidad al hogar. . de la utilidad. Por el momento, la energía solar sigue siendo costosa a largo plazo.
Además de reducir el costo de la electrónica de potencia, existen dos enfoques diferentes dedicados a resolver los problemas económicos asociados con la energía fotovoltaica. La primera solución posible reside en las células solares de segunda generación, también conocidas como células solares orgánicas. A diferencia de las celdas solares de primera generación, que estaban compuestas de semiconductores como el silicio, las celdas solares orgánicas están compuestas de otros materiales que aceptan luz y donan electrones, convirtiendo la luz solar en electricidad de la misma manera. Hay varias formulaciones en uso hoy en día, como los múltiples semiconductores que se usan en la energía solar hoy en día. La principal diferencia es que las células solares orgánicas son baratas y están disponibles por diseño. A continuación se muestra una celda de ejemplo.
A diferencia de las celdas solares semiconductoras, que requieren laboratorios de fabricación costosos, materiales de alta pureza y líneas de ensamblaje complejas, el objetivo de las celdas solares orgánicas es hacer que las celdas solares estén disponibles a bajo costo porque las “celdas” se pueden mezclar en cualquier lugar. Las celdas solares orgánicas suelen ser amorfas o líquidas, además de ser de bajo costo, por lo que cualquier área expuesta a la luz solar puede recubrirse para convertirla en una celda solar. Las celdas de primera generación son generalmente rígidas y de tamaño fijo, lo que puede ser una desventaja en algunas instalaciones. Sin embargo, las celdas de segunda generación son mucho menos eficientes que otras celdas comparables, lo que generalmente limita las eficiencias de conversión a menos del 10 %. Además, todavía se requieren inversores para aprovechar la energía generada por los hogares conectados a la red.
Los investigadores solares han desarrollado una variedad de técnicas para superar el Shockley-Quisser. La energía solar de tercera generación es un término genérico para las células diseñadas para superar los límites fundamentales de la extracción de energía. Las más importantes son las células solares multicapa o en tándem. Las celdas multicapa están diseñadas para romper un aspecto del límite de Shockley-Quiesser, el de la división del espectro solar. Cada semiconductor tiene una banda prohibida, medida en electronvoltios, que corresponde a la cantidad de energía requerida para mover un electrón de la banda de valencia a la banda de conducción, liberando efectivamente ese electrón como electricidad. Estas bandas prohibidas son inversamente proporcionales a la longitud de onda máxima de luz que puede absorber la célula. Esto significa que cada célula solo puede absorber una parte del espectro solar. Se superponen múltiples células solares para garantizar que el resto del espectro solar pueda ser absorbido. La celda de banda prohibida más grande viene primero y absorbe la mayor cantidad de luz posible. La celda superior es transparente a las longitudes de onda restantes de la luz, pasando y siendo absorbida por las capas siguientes o subsiguientes. Una aplicación típica se muestra en la siguiente figura.
Sin embargo, estas celdas multiunión no están exentas de problemas. Incluso las pilas solares están sujetas a la ley de Ohm. Es decir, cada celda de la serie está limitada a la corriente de la celda que produce menos corriente en la pila. Esto se conoce como el problema de coincidencia actual. Además, cada celda es significativamente más costosa que las celdas similares de primera generación. Es decir, es mucho más difícil pagar para cubrir el techo. A medida que continúa la investigación para mejorar la eficiencia asociada con las celdas de unión múltiple, las mejores técnicas de fabricación también reducen los costos. El problema de la coincidencia de celosía sigue siendo un tema apremiante. Cada semiconductor tiene un tamaño de red cristalina que determina el espacio entre los átomos en el cristal. Hacer crecer diferentes semiconductores uno encima del otro es difícil porque sus respectivos átomos no están bien alineados. Hasta el año pasado, la eficiencia de las mejores celdas multiunión producidas en el laboratorio rondaba el 42 %.
A pesar de los desafíos que conlleva, la tecnología solar ofrece la mejor oportunidad de alimentar al mundo según lo necesite. Quedan otros desafíos, como almacenar la electricidad generada para usarla durante las horas en que se pone el sol. Sin embargo, dado el actual aumento año tras año en el consumo de electricidad, las fuentes actuales de electricidad no durarán y se deben superar los obstáculos de la energía solar. El petróleo y el gas natural son recursos fósiles que pronto se agotarán, y la energía nuclear actualmente está sujeta a preocupaciones de seguridad, protección y salud. Mientras el sol brille, la energía solar tiene sentido como fuente de suministro pico.