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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
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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 manifies-
ta 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
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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
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Matemáticamente, la conservación de
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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.
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.
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 la termodinámica están:
Energía interna, que es la suma de la
energía mecánica de las partículas
constituyentes de un sistema.
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
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 = mc2, que establece la equivalencia entre masa y energía.
Energía térmica, que es la energía liberada en forma de calor, obtenida de
la naturaleza (energía geotérmica) mediante la combustión.
Energía de desintegración, que es la
diferencia de energía en reposo entre
las partículas iniciales y finales de una
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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 en-
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talpía 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 elástica asociada al campo de tensiones de un cuerpo deformable.
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.
El trabajo realizado por la fuerza entre
dos puntos es independiente del camino recorrido.
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 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 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...
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