17 de enero de 2015

Vidrios fotovoltaicos en invernaderos

Células de silicio de lámina delgada para vidrios fotovoltaicos

El costo de las células fotovoltaicas depende de los tratamientos que requiere el material semiconductor de base, especialmente en producciones a gran escala, por lo que se presta gran interés al estudio y desarrollo de células más delgadas.
Las capas delgadas de silicio amorfo se caracterizan por la alta concentración de defectos.
El silicio cristalino es una estructura reticulada típica de un cristal, mientras que la estructura amorfa es muy irregular, aumentando con ello la posibilidad de absorción de luz debido a la mayor interacción de los fotones.
La estructura amorfa aumenta considerablemente la posibilidad de absorción de luz y de salto de un electrón hasta la banda de conducción.
Se utiliza como método de elaboración, la deposición de capas muy delgadas de silicio, sobre superficies de vidrio o metal.
De esa manera, pueden fabricarse en capa fina para semiconductores de 0,5 micrones frente a los 300 del silicio cristalino, por lo que tiende a reducirse los costos.
Tienen algunos inconvenientes sin embargo, como por ejemplo, se han detectado en algunos casos degradaciones en periodos largos y por otra parte son de difícil reproductividad.
Se están desarrollando otras aleaciones y nuevos materiales, que son más complicados química y estructuralmente, pero si se elaboran con una tecnología poco costosa a gran escala, pueden constituir un avance importante en el desarrollo de la tecnología fotovltaica.



Flores bajo un panel fotovoltaico de lámina delgada de silicio amorfo.


Como se puede ver en la figura anterior el panel fotovoltaico es translucido a ciertas longuitudes de ondas que no son absorvidas por el efecto fotovoltaico. Una transparencia exacta a los rayos que se necesitan en la fotosíntesis y el aprovechamiento de la energía de los restantes rayos solares para su conversión fotovoltaica puede ser muy útil en su aplicación conjunta para la producción de electricidad y agropecuaria en una misma superficie. La radiación solar que absorbe una planta corresponde a longitudes de onda entre 400 a 500 nm y 600 a 700 nm que corresponde aprox el 40 % de la energía solar irradiada, quedando cerca del 60% de la energía de la radiación solar sin usar por las mismas. Seguramente ésta aplicación es una opción productiva muy interesante a futuro.


Distribución espectral de la radiación solar

La radiación electromagnética que emite el sol, como muestra la figura mas abajo, es similar a la radiación electromagnética que emitiría un cuerpo negro en forma ideal a 6000 ºK. En la figura se puede apreciar el diagrama en color negro de la distribución espectral de dicha radiación, si bien, entre la superficie del sol donde se emiten los rayos solares y la superficie de la tierra no hay grandes absorvedores de dicha radiación la radiación que está en tropopausea terrestre, o sea, en el límite entre la atmosfera y la estratósfera donde gran parte de los rayos ultravioletas son absorvidos por la capa ozono de la estratósfera, la radiación solar en dicha superficie es como lo muetra el diagrama rojo de la figura, luego cuando la radición atraviesa la atmósfera una parte importante de dicha radiación (entre el 20 y 30%) es absorvida y reflejada por las partículas de humedad que forman la atmósfera no llegando totalmente a la superficie terrestre, sino, llega la radiación como lo demuestra el diagrama espectral en color celeste de la figura mencionada. En el diagrama también se pueden ver los límites correspondientes a la radiación ultravioleta, marcados como UV, la de la radiación visible, marcado como VIS, y de la radiación infrarroja, marcado como IR.
La energía solar que se irradia sobre la superficie terrestre corresponde a una energía de 1000 W/m2 aproximadamente para un dia de verano al mediodía, valor que se toma generalmente como valor pico o máximo de producción de los paneles solares.
También se puede ver en el diagrama que una parte importante de la radiación solar que llega hasta la tierra está compuesta por radiación infrarroja que es la radiación mas difícil de convertir a energía eléctrica ya que sus fotones tienen menos energía y es mas difícil de convertirla en energía eléctrica a través de las células solares fotovoltaicas convencionales.




Longuitudes de onda absorvidas por la fotosíntesis

Como dijimos las longitudes de onda absorbidas por la clorofila están entre los 400 a 500 nm y 600 a 700 nm y corresponden el 40 % de la energía solar que llega hasta la tierra aproximadamente, en el siguiente gráfico se puede ver el diagrama espectroscópico de absorción de luz de la clorofila donde muestra esta situación. Como se ve en el rango ultravioleta, verde e infrarrojo la clorofila no utiliza dichas longuitudes de onda para transformarla en energía química en la planta, por lo tanto, no es aprovechada por las mismas para su funcionamiento y puede ser utilizada por los vidrios fotovoltaicos para generar electricidad sin generar disminución en la producción agropecuaria que se realice bajo estos invernáculos, y así poder aprovechar la energía que no utiliza las plantas para convertirlas en energía eléctrica, lo que corresponde a un 60% de la energía solar que irradia sobre las plantas, el cual sería el máximo porcentaje teórico obtenible por una célula solar en un invernadero ya que luego hay que descontar las perdidas por la eficiencia propia de la célula fotovoltaica que se utilice para aprovechar este 60% de energía solar disponible sobre el total de la energía de la luz solar que irradia sobre el invernáculo.




Aprovechamiento del agua de evapotranspiración de las plantas en el invernáculo

Una forma de disminuir la necesidad de agua de riego en los invernaderos es aprovechar el agua de evapotranspiración de las plantas y volverlas a convertir en agua de riego, con lo que se podría disminuir de gran manera el agua consumida por el cultivo en su crecimiento, metodo que es utilizado cada vez mas en zonas áridas o semiáridas donde el agua de riego es difícil de obtener.
Para esto lo que se hace es utilizar un invernáculo hermético por el que no haya fugas de la humedad interior del invernáculo durante el dia y por la noche cuando la temperatura atmosférica baja, la humedad del interior del invernáculo se condensa y se convierte en agua que sirve para regar el cultivo al dia siguiente sin la necesidad de agregar grandes cantidades de agua para su posterior riego. Cabe destacar que la humedad que se mantiene en el interior del invernáculo en este caso también sirve para mantener la temperatura en el interior del invernadero durante la noche en regiones frías, ya que gran parte del calor que pierde el invernáculo es calor latente de evaporación del agua condensada.
Este método es muy interesante a futuro ya que si se utilizan vidrios fotovoltaicos para generar energía eléctrica en los invernaderos y así producir en una misma superficie energía eléctrica y productos agropecuarios, es muy fácil hacer que dicho invernadero también sea hermético y poder disminuir el agua de riego necesario en los cultivos de dichos invernaderos.
Una forma de lograr hermeticidad en los invernaderos es hacerlo en forma de pequeños túneles como muestran las siguientes figuras, ya que en este caso se puede sellar bien la cobertura del polietileno logrando una buena hermeticidad del interior del invernáculo la cual se va haciendo mas difícil de lograr hoy en dia cuando las dimensiones y las formas se hacen cada vez mas grandes.




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