El blog de las Energías Renovables

Artículos de 07 - 2009

En este artículo pretendemos dar una pequeña introducción a los diferentes tipos de  células fotovoltaicas orgánicas que existen. Antes de eso recalcar que a la hora de fabricar células solares orgánicas se utiliza una estructura llamada de tipo sándwich, el la cual el material semiconductor está colocado entre dos materiales conductores, uno transparente (normalmente hecho de óxidos de estaño dopado) y otro opaco (normalmente de materiales como aluminio, plata, oro, etc.).

Las principales clases de células fotovoltaicas orgánicas son las siguientes:

• Dye sensitized solar cells (DSC),  denominadas también como células de Grätzel. Este tipo células utilizan productos aditivos o pigmentos (dyes) que absorben gran cantidad de luz y transfieren rápidamente el electrón a un óxido nanoestructurado como puede ser TiO2 (óxido de titanio IV o dióxido de titanio).  Para hacer este proceso reversible y seguir absorbiendo luz, debe ser extraído el hueco que permanece en el dye. Esta tarea es realizada por un agente redox ó electrolito líquido consiguiendo así eficiencias cercanas al 11 % que son actualmente las cotas más altas que se han alcanzado.

• Células multicapa. Compuestas por sucesivas capas de diferentes materiales semiconductores secuencialmente depositadas con el propósito de maximizar la intensidad del campo óptico en las zonas donde se fotogeneran las cargas; optimizando así tanto la absorción, como la disociación de los excitones (cuasipartícula o excitación elemental de los sólidos formada por un electrón y un hueco ligados a través de la interacción coulombiana). Con este método se han conseguido eficiencias de 5′7%.

• Células con múltiples heterouniones orgánicas internas. Dos materiales poliméricos inmiscibles entre sí, con diferentes afinidades electrónicas y potenciales de ionización, se mezclan en la misma disolución y a partir de ella, por evaporación del disolvente, se forma una fina película con dominios de ambos materiales a escala nanométrica para así optimizar tanto el proceso de disociación de excitones, como el transporte de carga hasta los electrodos. Las eficiencias más altas publicadas sobrepasan ya el 3%.

• Células híbridas organo-inorgánicas: Estas células funcionan de una forma muy similar a las descritas en el apartado anterior. El papel de aceptar los electrones y transportarlos hasta su respectivo electrodo le corresponde en este caso a materiales inorgánicos con una gran banda prohibída (bandgap - diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción) como TiO2 ó ZnO. Nanoestructurar estos materiales en forma de nanoporos o nanocables sobre el sustrato es crucial para garantizar un transporte efectivo de carga. Posteriormente el polímero se deposita desde la disolución sobre esta nanoestructura. Las mejores eficiencias obtenidas mediante esta técnica se sitúan actualmente entorno al 1.5 %.

Bueno, quizás sea demasiado tecnológico, pero realmente la tecnología utilizada para conseguirlas lo es. Básicamente, una vez que dichas tecnologías se asienten se resumirá en la capacidad de cada una de ellas en ser producidas en serie y el coste de cada uno de dichos procesos. Pero sin duda son un nuevo campo frente a las hasta ahora células derivadas del silicio, el cual cada día es más caro y escaso.

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Y se hizo la luz… y sin ella nada sería posible. Plantas, seres vivos, y todo en general necesita de la luz para subsistir. Es un elemento esencial para nosotros tanto en el exterior, al aire libre, como para iluminar viviendas, comercios, escuelas, industrias, calles y carreteras, es decir, es un componente esencial de nuestra vida.

La iluminación artificial constituye un 20% del gasto total de electricidad en países avanzados, lo que contribuye básicamente a la emisión de carbono a la atmósfera. La utilización y extensión de los LEDs (diodos semiconductores emisores de luz) puede proporcionar luz de gran calidad con consumos mínimos de energía.

La iluminación de estado sólido significa la conversión directa de energía eléctrica en luz por medio de materiales inorgánicos y orgánicos. Los LEDs ya se encuentran ampliamente implantados en el dominio de señalización de tráfico, a causa de su eficiencia y alta luminosidad monocromática. Pero esto no es suficiente para iluminar el interior de las viviendas ya que se necesitan reproducir fuentes de luz muy similares a las naturales, como el sol, las velas o incluso sistemas más antiguos como el fuego. Se esperan grandes progresos en la realización de luz blanca con LEDs, que entonces podrán sustituir a las lámparas convencionales.

Los factores claves para el rápido desarrollo de la iluminación de estado sólido basada en LEDs de alto brillo son su gran eficiencia, fiabilidad, construcción compacta, bajo consumo de potencia, y durabilidad. Los LEDs tienen potencial para convertir electricidad en luz casi con eficiencia de unidad, sin embargo, la creación eficiente de luz blanca con materiales semiconductores que cubran todo el espectro visible es un gran desafío científico y tecnológico.

Los OLEDs (organic light-emitting diodes) son versiones orgánicas de los LEDs, con algunas diferencias cruciales. En lugar de emitir en un único punto brillante, como hacen los LEDs, los OLEDs producen iluminación uniforme en una gran área. Además, los OLEDs consisten en un material fino, flexible, de tipo plástico cuyo procesamiento para iluminación general podría resultar a un coste muy bajo.

Por otra parte, los OLEDs ya se encuentran muy extendidos en el campo de la tecnología de imágenes (displays), debido a diversas propiedades: el bajo precio de la fabricación en serie de los dispositivos, bajo consumo, la calidad de la imagen independientemente del ángulo del observador, alta luminosidad, pequeño espesor, alta gama de colores, ligereza y, dependiendo del sustrato, flexibilidad.

El potencial para la iluminación general con OLEDs es enorme pero la investigación en los próximos años debe lograr dispositivos de altas prestaciones. La investigación actual se centra en la obtención de OLEDs blancos de alto brillo, alta eficiencia y estabilidad, para iluminación general y señalización. Los desafíos para llegar al mercado de iluminación general consisten en elevar la eficiencia de los OLEDs de luz blanca a 50 lm/W (similar a la de los tubos fluorescentes) a la vez que reducir el coste. Los OLEDs podrían combinar la eficiencia de los tubos fluorescentes y la agradable calidad de color de las lámparas incandescentes, en configuración totalmente plana.

Resumiendo, la contribución de los LEDs y OLEDs al ahorro de energía puede ser enorme, lo que contribuiría a una enorme reducción de CO2 a la atmósfera, y además producirán un nuevo tipo de industria de iluminación, lo cual produciría un gran número de nuevos puestos de trabajo.

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¿Tecnología sin investigación?…¡claro que NO!. La frase puede parecer muy estúpida, pero tiene mucho más fondo del que nos imaginamos. A nadie se le pasa por la cabeza pensar que las nuevas tecnologías aparecen de la noche a la mañana, todo lo contrario, en la era actual las capacidades tecnológicas, las nuevas áreas de investigación, etc, hacen posible que día a día se consigan novedosos descubrimientos que hacen que su aplicación en cualquier área sea un nuevo paso para mejorar los dispositivos que hasta ahora disponemos. Lo mismo sucede en el ámbito de las energías limpias o energías renovables.

En conclusión, no serían posibles nuevos avances sin que un gran número de investigadores trabajase en semejante tarea. Para ello además, es necesario…financiación. Sí, así es, el dichoso dinero.

Con respecto a esto, el Ministerio de Educación y Ciencia, a través de la Secretaría General de Política Científica, puso en 2007 en marcha una serie de nuevas iniciativas para apoyar la investigación de alta calidad bajo el nombre de proyecto Consolider.

Concretamente, el proyecto Consolider HOPE (Dispositivos Optoelectrónicos y Fotovoltaicos híbridos para energía Renovable), financiado por el Ministerio de Educación y Ciencia para el periodo 2007-2012, pretende impulsar la investigación en dispositivos para producción de energía renovable y ahorro del consumo de energía. El proyecto centra su actividad en nuevos tipos de células solares basados en nanotecnologías y materiales orgánicos, que permitirán disminuir sustancialmente el coste de los dispositivos fotovoltaicos actuales.

Las nanoestructuras de óxidos metálicos y los materiales orgánicos conductores y/o luminiscentes, permiten realizar dispositivos fotovoltaicos y electroópticos que contribuirán significativamente a la generación de energía libre de carbono y a su utilización eficiente en sistemas de iluminación. El proyecto HOPE reúne químicos, físicoquímicos y físicos con experiencia en síntesis orgánica e inorgánica, procesado y síntesis de semiconductores, caracterización fundamental de materiales, y fabricación y caracterización de dispositivos, con el fin de realizar varios tipos de dispositivos optoelectrónicos modernos tales como las células solares moleculares y los diodos orgánicos luminescentes (OLEDs).

Las principales tareas científicas del proyecto serán la preparación de substratos, la formación de las nanoestructuras de óxido metálico semiconductor, la síntesis de los elementos moleculares de funcionalización y materiales poliméricos, el análisis de morfologías, el control de los materiales orgánicos conductores y las interfases. Como objetivo técnico se realizará la integración de estos elementos en dispositivos completos a escala de laboratorio, incluyendo células solares de colorante (Grätzel), células solares completamente orgánicas, LEDs híbridos orgánico-inorgánico, celdas electroquímicas emisoras de luz (LECs) y OLEDs integrados con otros dispositivos.

Sin duda un gran campo de trabajo con numerosos campos para su desarrollo. Esperamos que dichas investigaciones den pronto sus frutos en nuevos avances tecnológicos que contribuyan a conseguir un medioambiente mucho más sostenible.

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Posiblemente una de las aplicaciones que más energía consumen en los edificios de oficinas sea la iluminación de todos y cada uno de los puestos de trabajo de los mismos ya sea en una empresa privada, un ayuntamiento, etc. La adaptación tecnológica de dichos sistemas de iluminación a las personas y su medio ambiente puede ir perfectamente de la mano con la eficiencia energética.

Uno de los pasos para conseguir esto sería crear sistemas de iluminación centrados en  las necesidades personales de los empleados y en los requisitos de gestión energética. La utilización de sensores de luz integrados, así como sensores de ocupación que permitan el control y oscurecimiento de cada puesto de trabajo, supondría un sistema ajustado a las preferencias personales y adaptado a las condiciones que a lo largo del día se suceden.

La utilización de sistemas de este tipo produciría  un aumento en la calidad y ergonomía del puesto de trabajo mejorando así la satisfacción de los usuarios y la productividad. Unido a esto se conseguiría reducir la energía empleada en iluminación hasta en un 87% según estudios realizados.  Todo este sistema controlado por un simple software con controles a través del simple clic de un ratón unido a una instalación totalmente escalable, incluso para instalaciones de gran envergadura.

Las investigaciones realizadas por el Consorcio de Derecho de luz muestra una relación directa entre la regulación y mejorar el rendimiento de los controles en el lugar de trabajo. El posicionamiento de una luminaria en cada lugar de trabajo produce la más alta calidad ergonómica de iluminación evitando así iluminar espacios muertos.

Un sensor de luz integrado en cada uno de los puestos supervisa los niveles de luz en el escritorio y lámpara,  y ajusta gradualmente la producción lumínica para compensar los cambios en la luz del día disponible. Esto mantiene la iluminación mientras que la reducción de los costes de iluminación es considerable.

Situado directamente sobre el usuario, el sensor de ocupación integrado proporciona señales de detección de movimiento y así conseguir un mayor ahorro de energía.

El funcionamiento básico de un sistema de este tipo sería el siguiente. Cada elemento lumínico se conecta a la red de energía eléctrica, además cada uno de los elementos está interconectado a través de un cable de red formando una malla de alumbrado conectada a una unidad de control (PC) donde se encuentra instalado el software de control del sistema. Cada elemento tiene asignado un número de identificación para poder controlarlo individualmente. Cada uno de los usuarios puede enviar comandos al ordenador a través de la interfaz actual red de oficinas para que el sistema regule los elementos en cada una de las situaciones.

Este tipo de sistemas hace posible la desconexión de los elementos lumínicos cuando los sensores no detectan presencia en el puesto de trabajo, o la regulación por cada uno de los usuarios en función de las necesidades lumínicas del día. Todo esto conlleva un ahorro de energía sin precedentes disminuyendo así la factura eléctrica y las emisiones de Co₂ totales del edificio.

Son sistemas basados en filosofías utilizadas en la domótica pero que hacen posible que tecnología y eficiencia energética estén unidas para una mayor conservación del  medioambiente.

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Gracias a la aprobación en 2006 del Código Técnico de la Edificación (sección HE-4), y con la posterior entrada en vigor a partir del 1 de marzo de 2008 del nuevo RITE (Reglamento de Instalaciones Térmicas en Edificios);  y además, según la normativa actual se obliga a disponer de un aporte de energía solar entre el 30 y el 70% (dependiendo de la zona I-V según CTE y la demanda en ACS), ha hecho que las instalaciones de energía solar en España hayan tenido un fuerte impulso en los últimos años.

Dentro de los tipos de instalaciones que se pueden acometer dentro de un edificio, en cuanto a sistemas de generación de ACS con aporte solar, no existe una clasificación estándar, así que vamos a hacer una pequeña reseña de las mismas explicándolas brevemente.

Podríamos comenzar por los sistemas solares con acumulación centralizada, dentro de los cuales podemos encontrar las siguientes tipologías:

• Apoyo con sistema centralizado de ACS y calefacción: La acumulación del sistema solar se realiza para todo el edificio. La acumulación podemos colocarla en la parte de arriba del edificio, entonces el cálculo para la estructura deberá soportar el peso del acumulador, tendremos también que tener en cuenta las medidas de la sala donde se encuentre y los accesos a la misma para poder realizar los posteriores mantenimientos.  El sistema de apoyo consistirá en una o un grupo de calderas que puedan satisfacer los servicios de calefacción y los de ACS. Se deberán instalar contadores de energía a la entrada de cada vivienda que permitan su lectura y corte de suministro desde el exterior de la vivienda.
• Apoyo con sistema centralizado y calefacción por caldera individual: La diferencia con la instalación anterior radica en la caldera centralizada suministra energía a las necesidades de ACS, y las calderas individuales sólo calefacción. Para la instalación de ACS sigue siendo necesaria la instalación de contador de energía.
• Apoyo con sistema individual: En ésta instalación el tipo de apoyo es mediante un sistema individual, que puede ser eléctrico, o a gas con acumulador incorporado o caldera mixta. Con apoyo eléctrico los requerimientos de energía del CTE son mayores, y por tanto el número de captadores será mayor, así como la superficie para instalarlos en la cubierta. En este caso, el agua de la acumulación solar deberá entrar al termo a través de la toma de agua fría (entrada directa), poniéndose por tanto en marcha únicamente si necesita realizar un apoyo puntual. A la salida del termo eléctrico se debe colocar una válvula mezcladora termostática para evitar quemaduras. Se debe prever siempre un by-pass de agua fría a la entrada del termo o cualquier otro sistema de apoyo para asegurar siempre el suministro de ACS en el caso de que el sistema solar esté parado por mantenimiento del mismo. En el apoyo mediante  gas, podemos tener caldera individual de acumulación o caldera mural mixta. Para suministrar elevados volúmenes de ACS se debería instalar una caldera con acumulación. En el caso de caudales punta no elevados se podrán instalar calderas murales mixtas instantáneas; puediendo optar por la “entrada directa” a caldera o por sistema de “entrada indirecta” (primario solar/ secundario de acumulación-distribución/terciario de consumo con sistema de intercambio).

Otros tipos de sistemas de generación de ACS con aporte solar pueden ser:

• Sistema solar con acumulación distribuida y apoyo con sistema individual: La acumulación solar, en vez de ser centralizada es mediante un sistema individual o acumulación distribuida. Lo primero a tener en cuenta será la necesidad de buscar una ubicación en el interior de la vivienda para el acumulador solar, ya que dependiendo del número de usuarios podemos llegar a acumular hasta cientos de litros.
• Sistema Solar De Apoyo A ACS Y Piscina: Según el CTE en el caso de piscinas cubiertas estamos obligados a utilizar energía solar térmica para el calentamiento del vaso de la piscina. La instalación establece normalmente como preferencia primera de uso el ACS antes que la piscina.
• Sistema Solar De Apoyo A ACS Y Calefacción A Baja Temperatura: En instalaciones de calefacción a baja temperatura (suelo radiante o fancoils) en vez de calentar a través de un intercambiador de placas se trabaja normalmente sobre un volumen de inercia (para proveer una carga térmica grande que reduzca las maniobras de paro-arranque de la máquina y con clara tendencia a estabilizar la temperatura del circuito) para un intervalo de al menos una hora de inercia. El número de captadores dependerá del ahorro deseado y la zona climática de la instalación. Si no existen demandas de calefacción lo mejor es tapar parte del campo de captación para no disponer de un exceso de energía.

Bueno, una breve descripción, pero espero que al menos sirva para hacerse una idea. Más adelante comentaremos algunos de estos sistemas más a fondo.

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