En artículo anterior, dedicado a los fundamentos de la electrolisis, vimos que en un baño de CuSO₄ al producirse conducción iónica, el cátodo se iba recubriendo de una capa de cobre. Ese cobre salía de la recombinación de los iones de Cu²⁺, con el consiguiente empobrecimiento en cobre de la solución. Sin embargo, si el electrodo anódico estaba constituido de cobre, éste se iba regenerando, al formarse nuevas moléculas de CuSO₄ y su posterior disociación.

Este procedimiento se conoce como recubrimiento electrolítico y se utiliza para cubrir  de cobre metales como el hierro, colocados como electrodo catódico en la solución y para obtener objetos metálicos a partir de moldes de cera cubiertos con polvo de grafito, para mejorar su conductividad. Si utilizamos este procedimiento para recubrir objetos metálicos con plata (plateado), niquel (niquelado), oro (dorado) o de cobre (cobrizado) la operación se denomina galvanostegia, si por contra, lo utilizamos para la reproducción de objetos metálicos a partir de un molde se llama galvanoplastia.

Las aplicacones tanto de la galvanostegia y la galvanoplastia son muy amplias. Desde las aplicaciones en joyería, obtención de oro y metales preciosos de gran pureza, baños de oro y plata, hasta los cromados de vehículos y automóviles, espejos retrovisores, faros y otros elementos, pasando por grifería y utensilios de cocina.

Otra utilidad de este procedimiento es el beneficio de los metales, mediante el cual se enriquece la proporción del metal en cuestión, cobre en nuestro ejemplo, en la aleación que compone el electrodo. Por ejemplo, si en una solución de CuSO4, el cátodo es de una aleación de cobre, éste irá enriqueciéndose hasta obtener un cobre de gran pureza. Este es el procedimiento utilizado para la producción de cobre usado en los cables de conducción eléctrica.

Además, por medio de la electrolisis se consigue gran cantidad de sustancias por descomposición de los electrolitos:

• El ácido sulfúrico se descompone en SO₄ y 2H⁺. Los iones H⁺ se combinan en moléculas, obteniéndose hidrógeno (H₂) gaseoso. Además, el SO₄ se combina con el agua disolvente obteniendo de nuevo ácido sulfúrico (H₂SO₄) y oxígeno (O₂) que se libera en forma gaseosa.
• El ácido clorhídrico (H Cl) desprende en forma de gas Cloro (Cl₂) e Hidrógeno (H₂).
• El hidróxido de potasio (potasa caústica) y el hidróxido de sodio (sosa caústica) producen también hidrógeno y oxígeno en forma de gas.
• El cloruro de sodio (sal común) oxígeno (O₂) y cloro (Cl₂) en forma de gas.

Podemos concluir que los metales se depositan en el cátodo (el hidrógeno se libera, también en el cátodo) y las sustancias anódicas se recombinan con los átomos del ánodo o se incorporan a la solución.

El funcionamiento de las baterías (pilas y acumuladores), se basa en un proceso químico llamado electrólisis, responsable del funcionamiento de los generadores galvánicos.

El fenómeno de la conducción eléctrica clasifica los materiales en tres tipos atendiendo a su mayor o menos facilidad a permitir el paso de la corriente eléctrica: conductores, aislantes y semiconductores (silicio)  (no son buenos conductores, ni tampoco buenos aislantes, además de tener algunas características especiales como su comportamiento ante la temperatura o la luz).

Dentro de los conductores tenemos otra clasificación, atendiendo a si sufren alguna transformación química por el paso de la corriente. Los conductores de primera clase, como los metales y el carbono, que no alteran sus propiedades y los conductores de segunda clase, que sí las sufren, como las soluciones salinas, básicas y ácidas.

Uno de los factores causantes de las consecuencias de la electrocución es precisamente, que tanto el cuerpo humano, como el de los animales y también las plantas vivas, es conductor de segunda clase. Es un conductor que contiene soluciones en su composición que sufren alteraciones al paso de la corriente eléctrica.

Las sustancias en disolución están total o parcialmente disociadas en iones moleculares que se mueven hacia los terminales eléctricos.

Así, si introducimos unos terminales eléctricos en un baño ácido (H₂SO₄) o salino (CuSO4) los cationes (iones positivos), 2H⁺ ó Cu²⁺, se desplazan hacia el electrodo negativo (cátodo) y los iones negativos (aniones), SO₄^2- hacia el positivo (ánodo).

Los cationes al alcanzar el cátodo, toman electrones y quedan neutralizados, depositándose en él.

Los aniones ceden sus electrones al ánodo combinándose o quedando en estado neutro. En el caso de la solución de CuSO₄, si los electrodos son también de cobre, el anión SO₄^2- se combinaría con el átomo de cobre del electrodo, formando una molécula de CuSO₄ que, al pasar al electrolito, volvería a disociarse en Cu²⁺ y SO₄^2-, originando un nuevo proceso.

Este movimiento de iones en el electrolito es una corriente eléctrica iónica, de naturaleza distinta a la corriente electrónica que se produce en los conductores, ya que, en éstos, realmente se produce el desplazamiento de electrones libres, mientras que aquí, se desplazan los portadores de carga, iones, tanto positiva como negativa.

Se tiene la creencia, errónea por otra parte, que lo que produce la muerte o las lesiones es la tensión eléctrica, lo cual no es cierto. Lo realmente dañino es la corriente eléctrica o amperaje. Aunque aunque pueda parecer paradójico (debido a la estrecha relación entre la tensión y la corriente) es posible que sea más peligroso una tensión baja que una alta. De hecho y, aún a riesgo de parecer macabro, las primeras ejecuciones en los USA con silla eléctrica se hacían con tensiones de 2.000 V y durante largos minutos, produciendo la muerte más por quemaduras que por la propia acción de la electricidad. Posteriormente se utilizaron tensiones de 200 V con flujos de corriente de 8A que producen la muerte de manera prácticamente instantánea.

En primer factor determinante en los efectos fisilógicos de la corriente eléctrica es la naturaleza de ésta: no produce el mismo efecto la corriente contínua que la alterna industrial de 50 Hz o que las corrientes de alta frecuencias.  

Una corriente alterna industrial o doméstica comienza a ser peligrosa a partir de los 25 a 30 mA, mientras que hace falta el triple para que produzca los mismos efectos tratándose de contínua.

Por contra, la corriente contínua tiene un efecto electrolítico sobre el cuerpo humano que pueden dar lugar a enfermedades y dolencias de extrema  gravedad. Si, además, la corriente tiene una componente alterna (como la corriente de una rectificador no filtrado) los efectos son más intensos, con una mayor tendencia al agarre (imposibilidad de soltarse del elemento conductor).

Se observa que para frecuencias superiores a los 10 KHz no se producen efectos sobre los centros nerviosos aunque sí pueden aparecer acciones de calentamiento, usadas con fines médicos en termoterapia.

La resistencia del cuerpo humano, responsable última de la corriente que atraverará al sujeto para un mismo voltaje según al ley de Ohm, está formada por dos componentes:

• Resistencia de contacto.- Establecida entre el cuerpo y el conductor.
• Resistencia interna.- Propia del sujeto como conjunto de órganos, sistemas y tejidos es relativamente pequeña, del orden de los 200 Ohmios.

Sobre la resistencia de contacto es sobre la que hemos de actuar a la hora de prevenir accidentes eléctricos. Esta resistencia varía desde los 500 Ohmios de una manos de piel suave y húmeda a los 50.000 Ohmios de unos pies calzados con botas de suelas gruesas de goma sobre suelo seco.

Como referencia, veamos algunos valores característicos:

• Manos de piel suave y húmeda: de 500 a 5.000 Ohmios
• Manos callosas: hasta los 100.000 Ohmios
• Pies calzados con suelas secas y gruesas: hasta 50.000 Ohmios

Los efectos producidos por la corriente eléctrica no solo dependen de la intensidad de corriente y la naturaleza de ésta, sino también del tiempo de exposición. Así, para una corriente eléctrica de alterna de 50  Hz (de uso doméstico e industrial) la Comisión Electrotécnica Internacional ha elaborado el siguente gráfico:

En la zona (1), para intensidades inferiores a 2 mA (ó 0,5 mA según el individuo) la corriente eléctrica es imperceptible.

En la zona (2) ya aparece la percepción de sensaciones desagrables e incluso dolorosas, así como movimientos musculares involuntarios. Todavía no se ha llegado al punto de agarre (imposibilidad de soltar el conductor).

En la zona (3) ya se produce el agarre con la percepción de intenso dolor, aunque aún sin riesgo mortal.

En la zona (4) comienzan a producirse contracciones musculares graves, dificultades respiratorias y asfixia por el bloqueo de los músculos torácicos.

En la zona (5) se produce ya la fibrilación cardíaca, ocasionando además daños permanentes, aún consiguiendo la reanimación del electrocutado.

Tan sólo unas centésimas de segundos expuesto a intensidades eléctricas de 5 A son suficientes para producir daños irreversibles.

Desde hoy día 19 de Mayo y hasta el próximo viernes 21 de Mayo, se está celebrando en Madrid, en el recinto ferial IFEMA, Genera 2010 la  Feria Internacional de Energía y Medio Ambiente un referente obligado para el ámbito internacional en la materia.

El Salón de las Energías Renovables cumple su 13ª edición con un incremento de un 65% en el número de expositores, llegando hasta los 415, englobando a más de 680 empresas de 22 países del mundo. Cuenta con un amplio programa de Jornadas Técnicas, la Galería de Innovación y el Foro Genera,  que complementan la actividad comercial de la Feria.

El precio para el visitante, exclusivamente profesional,  es de 18€

Los sectores representados en Genera 2010 son los siguientes:

• Servicios energéticos
• Solar (térmica y fotovoltaica)
• Cogeneración
• Eólica
• Biomasa
• Hidrógeno
• Pila de Combustible
• Residuos
• Geotermia
• Hidráulica
• Energías de origen fósil (Carbón, Gas, Petróleo)
• Marina
• Consultoría y servicios energéticos
• Otras energías
• Prensa Especializada 

 La feria está promovida por el IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía), con la colaboración de otras 17 entidades, como pueden ser AEF (Asociación Empresarial Fotovoltaica), CENER (Centro Nacional de Energías Renovables) o el FORO DE LA INDUSTRIA NUCLEAR ESPAÑOLA.

Comentábamos en el pasado artículo Tipos de Sistemas Fotovoltaicos, que cuando un sistema de alimentación solar fotovoltaica utiliza baterías (un elevadísimo número de casos) suele ser preciso intercalar entre éstas y los paneles solares un controlador de carga, para proteger al sistema de baterías de sobretensiones transitorias y permanentes y  tensión demasiado baja. Es el mismo sistema que se utiliza para proteger las baterías de los coches de la energía que les llega del alternador.

Si la potencia del sistema es inferior a 5W podemos prescindir de la instalación del regulador ya que una potencia tan baja es muy complicado que pueda dañar las baterías. En cualquier caso, para determinar si necesitamos el regulador calcularemos la relación entre la carga entregada por los paneles y la capacidad de carga de la batería. Si es mayor que 60 no hará falta regulador.

Veamos un ejemplo: Una batería de 125 A h se desea cargar con un panel de 9 watios y 12 V, que entrega carga durante 7 horas al día. Queremos determinar si precisamos o no de un controlador de carga.

Calcularemos la carga entregada (expresada en Amperios hora) por los paneles en un día: 9W x 7h /12V = 5,25 A h.

Dividimos la capacidad de carga de batería entre esta cantidad: 125 A h / 5,25 Ah = 23,81 < 60 => SE NECESITA

Los paneles solares (al igual que los alternadores de coches) están diseñados para dar, en condiciones ideales, una tensión superior a la nominal de la batería (más de los 12 V en los coches). Como quiera que el funcionamiento normal no se produce en estas condiciones ideales, la mayor parte del tiempo las baterías estarán soportando una tensión inferior a la ideal de los paneles aunque suficiente para cargarla. En los momentos de picos de tensión es cuando actúa el controlador de carga.

Los primeros Controladores de Carga se basaban en un componente electromecánico (relay) que se accionaba a través de un circuito de control basado en semiconductores. Al sobrepasar cierta tensión umbral el relay se convertía en un circuito abierto. Este sistema provocaba un pobre acción reguladora que se traducía en una carga del 50 - 60% de la capacidad de carga de la batería. Además, se originaban arcos eléctricos que dañaban los contactos y limitaban la vida del relay. La aparición de los Transistores de Efecto de Campo (FET) de potencia paliaron los problemas de los arcos eléctricos prolongando la vida útil del Controlador.

Otros sistemas llevan una carga que se conecta en paralelo con la batería al superar ciertas tensiones, reduciendo la potencia entregada a la batería.

La generalización en el mercado de los microprocesadores y su abaratamiento permitó el desarrolo del método más eficiente, conocido como carga por pulsos o PWM (pulse width modulation), consistente en hacer repetidos encendidos-apagados muy rápidos del circuito. Un sistema realimentado de control provisto de un algoritmo que genera impulsos más distanciados y de poca duración (si la batería tiene mucha carga) o impulsos prolongados y contínuos (si la batería está poco cargada). Este método además prolonga la vida útil de las baterías ya que evita y elimina los depósito de sulfato de las placas en las baterías de sulfato - plomo.

En los dos últimos artículos hemos repasado los fundamentos teóricos de las células fotovoltaicas. Los paneles solares fotovoltaicos están formados por un conjunto de dispositivos semiconductores, conocidas como células fotoeléctricas, conectados en serie y paralelo para obtener la tensión y corriente necesaria para utilizar en nuestro sistema.

 Además, los paneles también pueden conectarse entre sí para obtener un mayor voltaje o intensidad de corriente. Los módulos se diseñan para obtener un voltaje normalizado (1,5 V, 6V, 12V ó 24 V)

Aproximadamente, un panel de 100 cm2 puede producir en torno a 1,5 W, con tensiones de medio voltio.

Pero un sistema fotovoltaico no está formado únicamente de los paneles solares, sino consta además de  otros componentes que variarán dependiendo del tipo de generador fotovoltaico que tengamos y el uso para el que haya sido diseñado.

Podemos clasificar los sistemas fotovoltaicos en autónomos o conectados a la red eléctrica.

Los autónomos o aislados, como su nombre indica, no tienen ningún tipo de conexionado  ni relación con la red eléctrica por lo que en principio la naturaleza de la energía eléctrica generada no observa ningún tipo de restricción. Son ideales para sustituir a los vetustos alternadores de gasoil para casas aisladas, invernaderos, etc. o también para la carga de las baterías de pequeños apartos eléctricos, como un ipod o un móvil, o incluso un ordenador portátil.

Los sistemas conectados a la red eléctrica generan una energía eléctrica que es vendida a la red nacional en su totalidad. Según el Real Decreto 661/2007, durante los primeros 25 años de vida de la instalación, el precio por kWh sobrepasa los 0,44€.

Dentro de los sistemas aislados nos encontramos con dos tipos, atendiendo a la naturaleza de la corriente entregada: generadores de corriente continua y de corriente alterna.

El diagrama de bloques sería como sigue:

Los paneles solares capturan la energía lumínica y la transforman en energía eléctrica (corriente continua). Esta corriente continua alimentará una batería (o un conjunto de ellas) que almacenará la potencia para ser utilizada cuando se precise. Entre la generación y el almacenamiento dispondremos un estabilizador de carga que evitará que a la batería le llegue energía  cuando está completamente cargada, prolongado así su vida útil.

La energía almacenada en las baterías puede ya utilizarse en sistemas autónomos de continua, tales como iluminación, ordenadores portátiles y, en general, cualquier sistema eléctrico alimentado con corriente continua. Las balizas, antorchas y lámparas solares están basadas en este sistema.

Si lo que queremos es poder alimentar aparatos de corriente alterna (o una red de ellos) como televisores, electrodomésticos, etc. necesitaremos un inversor entre la unidad de almacenamiento (batería) y el receptor. El inversor nos transformará corriente contínua en corriente alterna senoidal de 230 V y 50 Hz.

Contratando con la red eléctrica nacional, acogiéndonos al ya mencionado Real Decreto, podemos vender la energía previa instalación de cuadros de protección y contadores. Se calcula que la rentabilidad de una inversión de este tipo arroja unos beneficios en torno al 20% del capital invertido.

El uso de este tipo de instalaciones está especialmente indicado para rentabilizar áreas de gran superficie inutilizada, por ejemplo, los techados de aparcamientos al aire libre son un lugar idóneo.

En la primera parte del artículo Fundamentos de las celulas fotovoltaicas, comentamos acerca del comportemiento de los materiales ante la presencia de electricidad, su clasificación como conductores, dieléctricos y semiconductores. Además, vimos las particularidades del silicio como material semiconductor y su alteración ante la presencia de impurezas, obteniendo el silicio tipo N y el silicio tipo P.

Ahora veremos qué sucede al unir dos estructuras cristalinas de silicio tipo P y tipo N, y su aplicación en la generación de energia eléctrica.

La Unión PN: el diodo

Cuando un cristal de silicio contiene una región tipo N y otra tipo P los electrones libres de la zona N contigua a la zona P se desplazan para ocupar los huecos de ésta, formándose lo que se conoce como zona desértica o zona de empobrecimiento, en la que los huecos de la zona P se han llenado con los electrones libres de la zona N, no existiendo en esa zona ni unos, ni otros.

En la zona de empobrecimiento aparece un campo eléctrico con el polo positivo en la zona N y el negativo en la zona P que origina una diferencia de potencial llamada potencial de contacto. Esto hace que los electrones puedan moverse de la región P a la N pero no al inversa (al contrario que ocurre con los huecos).

De un modo simplificado, podemos concluir que el diodo permite el paso de la corriente eléctrica en el sentido de su potencial del contacto y se opone en el contrario: es un cortocircuito en un sentido y un circuito abierto en el contrario.

La célula fotovoltaica

Los electrones están unidos a su átomo por una energía característica que en el caso del silicio es de 1,12 eV.  Al incidir los rayos de luz, esa energía puede vencerse liberando electrones en el interior del silicio.

En virtud de la longitud de onda el cristal recibirá más o menos energía, siendo la energía de cualquier longitud de onda menor de 1100 nm mayor que la energía de enlace. Las longitudes de onda del espectro visible abarcan desde de los 700 nm del color rojo, hasta los 400 nm del corlor violeta, por lo que cualquier radiación del espectro visible (incluso alguna radiación infrarroja) es capaz de liberar electrones. A modo de ejemplo, la energía de la luz roja es de 1,8 eV y la de la luz violeta de 3,1 eV.

Estos electrones liberados tenderán a recombinarse con los huecos dejados produciendo un aumento de temperatura, sin embargo, si el material sometido a iluminación es una unión PN,  el campo eléctrico interno (potencial de contacto) separará a los electrones agrupándolos en la zona N de los huecos correspondientes que los agrupará en la zona P.

Una célula fotovoltaica está formada por una unióp PN, en la que la zona N es muy delgada y está expuesta a la luz. De esta manera  generamos una tensión de entre 0,5 y 0,6V a la que si conectamos un circuito externo se producirá una corriente eléctrica. Una célula cuadrada de 10 cm de lado es capaz de generar unos 1,5 W, con una intensidad de hasta 3 A.

Para obtener potencias mayores basta con conectar en serie (misma corriente, mayor tensión) o en paralelo (viceversa) un conjunto de células.

Así por ejemplo, para un cargador de baterías solar (por ejemplo para una cámara de fotos que utiliza pilas AAA de 1,5 V y 6A) conectaríamos 2 grupos de 3 células (conectadas en serie entre sí)  en paralelo.

desguace
alquiler pisos
Otras webs de Ciencia y Ambiente
Enlaces
Directorio de enlaces

enlaces útiles
Intercambio enlaces
Directorio de webs