Fenómenos de contacto y sus aplicaciones en celdas solares

Por Yuri Gurevich y G. Miguel Meléndez Lira

Esta obra aborda el estudio de las celdas solares considerándolas un dispositivo electrónico. Primero, presenta en forma breve detalles históricos de las celdas solares, el desarrollo de sus aplicaciones y las estrategias utilizadas en diversos países. Después expone los conceptos físicos fundamentales que intervienen en el funcionamiento de los dispositivos eléctricos basados en semiconductores. Por último, trata la transformación de la energía luminosa en energía eléctrica a través de las celdas solares.

• Idioma: Español
• Editorial: Fondo de Cultura Económica
• Fecha de lanzamiento: 21 ene 2013
• ISBN: 9786071612960

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I. FUENTES ALTERNAS DE ENERGÍA

I.1. ENERGÍA ATÓMICA

La energía atómica se obtiene de la transformación de masa en energía. Ésta se da a través de dos vías: 1) la fisión, que es la desintegración de núcleos pesados para formar núcleos ligeros, y 2) la fusión, que es la unión de dos núcleos ligeros para crear un núcleo pesado. En el primer caso, cuando un núcleo pesado interacciona con un neutrón, se crean dos núcleos ligeros y dos o más neutrones. La suma de las masas de los núcleos ligeros producidos será 0.99 de la masa del núcleo original. La diferencia (1 %) es transformada en energía. Una vez iniciado, el proceso de fisión puede continuar debido a la interacción de los neutrones producidos con otros núcleos pesados. La interacción de los neutrones puede tener varios escenarios dependiendo de la masa total de los núcleos pesados. Si la masa es muy pequeña los neutrones producidos prácticamente no interaccionarán con otros núcleos. Si la masa es muy grande se producirá una reacción en cadena que liberará una gran cantidad de energía; este es el principio de funcionamiento de la bomba atómica. En el caso de que se tenga la masa crítica, sólo un neutrón interaccionará y se tendrá un flujo estacionario de neutrones. Se puede emplear la fisión nuclear para producir energía en dos formas: un reactor nuclear o una bomba nuclear.

La fusión nuclear sólo se ha producido en la bomba termonuclear, en la cual dos núcleos ligeros se fusionan para producir un núcleo pesado. En este caso el núcleo pesado producido tendrá una masa menor que la suma de los dos núcleos ligeros, siendo la diferencia de 5 %. Entonces la fusión nuclear es cinco veces más eficiente que la fisión nuclear para producir energía.

El primer reactor nuclear de fisión se fabricó en Chicago en 1942. La primera bomba atómica se ensayó en los Estados Unidos en 1945. La primera estación de generación de energía atómica nuclear produjo 50 kW y se instaló en la Unión Soviética en 1956; después de este periodo más de 400 estaciones atómicas de generación de electricidad fueron construidas en el mundo con una producción global de potencia de 300 000 MW. Para el funcionamiento de estas plantas se necesitan 500 000 toneladas de combustible nuclear por año. Para la producción de esta cantidad de combustible se necesitan entre cuatro y cinco millones de toneladas de uranio. Esta cantidad es prácticamente igual al total actual de las reservas estimadas. Los reactores nucleares basados en agua ligera y neutrones lentos emplean únicamente uranio 235. El contenido de este isótopo en el uranio natural es sólo de 0.7 %; el resto es uranio 238, que no es útil en los reactores de agua ligera. La vida útil de una estación de generación de energía nuclear con un capacidad de generación de un millón de kW es de alrededor de 25 o 30 años; durante este periodo se necesitan 5 000 toneladas de uranio natural. Este tipo de estaciones nucleares no representa una buena alternativa para el futuro debido a la limitación en la disponibilidad de combustible.

La nueva generación de reactores trabaja con neutrones rápidos (reactores de cría). Durante la operación de estos reactores, como resultado de los procesos de interacción de uranio 235 con los neutrones rápidos, se produce plutonio que a su vez puede emplearse como combustible. Durante un periodo de seis a 10 años la cantidad de combustible producido es el doble de la inicial. La eficiencia de estos reactores es 60 veces mayor que los de agua ligera. El combustible de estos reactores únicamente necesita una mezcla de uranio 238 y plutonio. Durante la fisión de uranio, debido a la interacción con neutrones rápidos, por cada tres núcleos de uranio 238 se crea un núcleo de plutonio. Entonces se podría esperar que todo el uranio 238 se transforme en plutonio conduciendo a una disponibilidad sin límite de combustible. Ambos tipos de reactores producen plutonio y uranio 233, que no existe en forma natural; ambos materiales son útiles en los reactores que emplean neutrones rápidos.

Sin embargo ambos isótopos son los más tóxicos que existen en la naturaleza. A pesar de que hay consenso en cuanto a la toxicidad del plutonio, existen discrepancias respecto a su letalidad. Se estima que dos gramos de plutonio 239 pueden matar a un millón de personas; una millonésima de gramo puede causar cáncer y el plutonio contenido en una bola de béisbol sería suficiente para construir una bomba atómica [20, 21]. Un reactor de un millón de kW basado en agua ligera funcionando durante todo un año produce 170 kg de plutonio. A pesar del gran riesgo involucrado en la generación de energía mediante el proceso de fisión nuclear, ésta constituye la forma más económica de producción de electricidad. El porcentaje de generación mundial de energía, mediante estaciones nucleares, es de alrededor de 6 por ciento.

La opinión generalizada es que la energía nuclear es muy peligrosa porque afecta directamente a la salud de los seres vivos y produce gran cantidad de materiales radiactivos peligrosos. Uno de los principales problemas es que 99 % del combustible no se utiliza, por lo que su manejo o aislamiento representa un gran problema [20]. Un reactor nuclear típico con una potencia de generación de 1 200 MW produce 30 toneladas de desechos altamente radiactivos. En Alemania, durante un año, 21 estaciones nucleares han producido 300 toneladas de desechos radiactivos. En los Estados Unidos hasta el año de 1986 se habían acumulado 12 000 toneladas de desechos radiactivos que estaban confinados en lugares especiales. En los últimos 15 años en el mundo se han agregado otras 40 000 toneladas de desechos radiactivos. Durante los últimos 20 años los especialistas estimaban que era necesario esperar entre 50 y 100 años después de la vida útil de una planta nuclear para que la radiación decayera a niveles tolerables para los seres vivos. Sin embargo, recientemente una inspección de las construcciones que albergaban estaciones nucleares que han dejado de funcionar encontró la presencia de los isótopos níquel 59 y niobio 94, que tienen una vida media de 80 000 y 200 000 años respectivamente. Desde los orígenes de la aplicación de la energía nuclear se han presentado algunos sucesos catastróficos, y el de la ciudad de Chernobyl, en Ucrania, se considera el más grave. Recientemente las aplicaciones bélicas del plutonio han generado gran preocupación debido al posible mal uso en la fabricación de armas nucleares o ataques terroristas. Otra de las características indeseables de las plantas generadoras de energía nuclear es la contaminación térmica que producen. La contaminación térmica asociada a una planta nuclear es mucho mayor para los climas locales que una planta generadora basada en gas o carbón. Otro problema es la necesidad de regeneración de los desechos radiactivos. Para regenerar 350 toneladas de desechos radiactivos es necesario utilizar una cantidad tan grande de productos químicos que sería necesario transportarlos en 170 vagones, y los desechos asociados a este proceso, con una actividad radiactiva residual considerable, ocuparían alrededor de 2 500 vagones. Aun ahora no existe un proceso completamente seguro para contener estos desechos hasta que decaiga la radiactividad a niveles tolerables, y las estrategias empleadas implican un enorme costo económico [21]. Está claro que los grandes problemas asociados a la generación de energía nuclear la eliminan como una fuente viable de energía alternativa.

La fusión es otra posibilidad de generación de energía nuclear; sin embargo actualmente la única implementación ha sido la bomba termonuclear; no existe una forma controlada de generación de energía por fusión nuclear. El inicio de la investigación en la fusión nuclear se puede establecer en 1956, cuando el físico soviético I. Kurchátov dio una conferencia en el centro de ciencias nucleares en Arruel, Inglaterra. Esto propició una gran inversión para desarrollar la energía nuclear en esta dirección; sin embargo hasta ahora no se ha logrado una implementación exitosa. Si los problemas que se tienen llegaran a resolverse, ésta sería una magnífica alternativa para la producción de energía. En este proceso dos isótopos pesados de hidrógeno —deuterio y tritio— se fusionan y crean un núcleo de helio. La energía así obtenida es tres veces mayor que una reacción de fisión. Las condiciones necesarias para que se dé este proceso son una temperatura de 100 millones de grados Celsius y que el producto de la densidad por el tiempo de vida del plasma sea de 10¹⁴ s/cm³. Actualmente es posible alcanzar la temperatura requerida pero no se ha logrado el valor del producto de la densidad por el tiempo de vida del plasma. El combustible que se requiere para llevar a cabo la reacción de fusión es muy abundante en la Tierra. En los océanos existe 0.0033 % de deuterio; otro combustible adecuado para este proceso es el litio, cuya concentración en la Tierra es de 0.002 %, cantidad equivalente a 100 millones de toneladas. En Sudáfrica y Norteamérica existen regiones donde el porcentaje de litio es de hasta 1 %, cantidad suficiente para producir los requerimientos mundiales de energía en un periodo de 200 a 500 años. El único producto resultante de las reacciones de fusión es helio, un gas inerte que no es radiactivo. El proceso de operación haría que únicamente las construcciones se tornaran radiactivas, por lo que requerirían de un aislamiento. Por lo tanto la producción de energía empleando procesos nucleares de fusión sería adecuada y muy atractiva.

Existe un reactor nuclear de fusión que ha sido utilizado por la población de la Tierra durante toda su existencia, y es el Sol. Hasta finales del siglo XIX ésta era la única fuente de energía disponible en la Tierra. Todas las fuentes de energía estaban asociadas al Sol: energía hidráulica, viento, mareas, madera, etc. ¿Será posible utilizar el desarrollo científico y tecnológico alcanzado hasta ahora para aprovechar en una forma masiva y eficiente esta fuente de energía de fusión o energía solar?

I.2. ENERGÍA SOLAR

Actualmente el aprovechamiento de la energía solar mantiene una tendencia creciente que, aunque es lenta, permite prever que en el futuro contribuirá en forma importante a la producción mundial de energía. El atractivo de la producción de energía solar se basa en algunos factores importantes; entre ellos:

1) No hay restricciones de ningún tipo que limiten el uso de la energía solar. La mayor diferencia en la densidad de flujo de energía solar se encuentra entre el Ecuador y los polos, siendo esta diferencia sólo de un factor de 2. Esta característica permite pensar que cualquier país podría alcanzar su independencia energética empleando energía