Eguzki-energia fotovoltaiko

Eguzki-energia fotovoltaikoak eguzki izpiak erabiliz sortutako energia elektrikoa da. Energia berriztagarria da. Zelula fotovoltaikoa da energia ekoizpen honen oinarria.

Gaur egun, eguzki-energia fotovoltaikoak funtzio garrantzitsua betetzen du garapen iraunkorrerako bidean. Energia garbia da, ez du zaratarik sortzen, ez du berotegi-efektuko gasik isurtzen, eta aplikazio bakanetarako nahiz energia elektrikoko sarea energiaz hornitzeko erabil daiteke.

Egungo merkatu fotovoltaikoak sistema fidagarriak eskaintzen ditu. Dena den, haren kostua ez da lehiakorra oraindik ere, elektrizitatea ekoizteko gainerako iturriekin alderatuta. Hortaz, ezinbestekoa da sistema horien kostua nola edo hala murriztea.

Silizio kristalinoaren olatatan oinarritutako zelulak nagusi dira zelula fotovoltaikoen sektorean. Oinarrizko lehengaia silizioa da. Silizio ugari dago naturan, eta haren ezaugarriak ongi karakterizatuta daude maila zientifikoan. Horri guztiari, hein handi batean, silizioan oinarritutako industria mikroelektronikoaren garapen izugarriak eman dio bidea, gaiaren inguruko ezagutza zabalagoa eta esperientzia jasotzen lagundu baitu.

Azken urteotan, eguzki-energia fotovoltaikoaren ikerketak bi helburu nagusi izan ditu: batetik, silizioaren kontsumoa murriztea eta moduluen ekoizpen-prozesuko kostuak txikitzea, eta, bestetik, sistemen eraginkortasuna handitzea.

Zelula horiek ekoizteko ezpurutasunik gabeko silizioa behar da, eta gero eta gutxiago dago naturan. Horrexegatik, arestian aipatu bezala, silizioaren kontsumoa murriztea komeni da. Aldi berean, sistema fotovoltaikoen prezioa garestitzen ari da. Industria fotovoltaikoa material horrekin hornitzen duten enpresek industria mikroelektronikoa ere hornitzen dute. Aurreikuspen-eskasia horrek hainbat arazo sortu ditu, eta arazo horiek ez dira konponduko epe motzera. Teknika merkeagoekin lortutako ezpurutasun-maila handiagoko silizioa ere erabil liteke.

Historia 
“Fotovoltaika” terminoa 1849. urtean hasi zen Erresuma Batuan erabiltzen. Hala ere, efektu fotovoltaikoa, Alexandre-Edmond Becquerel fisikariaren eskutik aitortua izan zen, hamar urte lehenago. 

Lehenengo eguzki-zelularen sortzailea Charles Frittis izan zen, 1883. urtean, non urrezko ogiarekin, selenio erdieroalearen lagin bat estali zuen batasuna osatzeko.  Jatorrizko gailu honek % 1 baino eraginkortasun txikiagoa zuen, baina  (baina) elektrizitatea argiarekin lor daitekeela frogatu zen. 

XIX. mendean, efektu fotovoltaikoaren oinarri teorikoak eta praktikoak finkatu ziren, honako ikertzaile hauen ekimenarengatik: Michael Faraday, James Clerk Maxwell, Nikola Tesla, eta Heinrich Hertzek  indukzio elektromagnetikoa, indar elektrikoak eta uhin elektromagnetikoen inguruan egindako ikerketak, eta batez ere, Albert Einsteinek, 1921. urtean Nobel saria lortzera eraman zuen lanarengatik, efektu fotovoltaikoaren oinarri teorikoak eta praktikoak finkatu ziren.

Funtzionamenduaren oinarriak 

Erdieroale dopatu bat  erradiazio elektromagnetiko baten eraginpean dagoenean, fotoi erasotzaile batek elektroi bat kolpatzen du, atomotik elektroia kanporatuz eta hutsune bat atomoan sortuz. Normalean, aske geratzen diren elektroiak libre geratzen diren hutsuneak azkar betetzeko joera daukate, horrenbestez, fotoiak elektroiak mugitzeko erabili duen energia bero bihurtzen da. Zelula fotovoltaiko baten oinarria elektroiak eta hutsuneak erdieroalearen kontrako aldera mugitzen behartzean datza, haien artean birkonbinatu ordez; honela, potentzial diferentzia bat sortuko da, hau da, erdieroalearen bi parteen areko tentsio ezberdintasuna sortuko da, pila batean gertatzen den bezala.

Horretarako, dopatuta dauden bi geruzen artean, p eta n, hain zuzen, pn lotura baten bitartez, eremu elektriko iraunkor bat sortu behar da. Siliziozko zelulak, gehien erabiltzen diren zelulak honako egitura hau dute:

 Zeldaren goiko geruza, n motako silizioa dopatuz osatzen da. Geruza honetan, silizio purua duen geruzan baino elektroi aske kopuru handiagoa dago, hori dela eta, n motako dopaketa hartzen duela esaten da, dopaketa negatiboa. Materialaren berezko egoera elektrikoa neutroa da, silizioa atomoak nahiz material dopatuaren atomoak, egoera neutroan agertzen direlako.

 Zeldaren beheko geruza, p motako silizioa dopatuz osatzen da. Geruza honetan, silizio purua duen geruzan baino elektroi aske kopuru txikiagoa dago. Elektroiak egoera elektriko neutroa duten sare kristalino batera lotuta daude, hala ere, sare honek hutsuneak ditu, beraz, p motako dopaketa hartzen duela esaten da, dopaketa positiboa. Hutsune eta elektroi horien, erdieroalean zehar ematen den  mugimenduari esker eroapen elektrikoa lortzen da.

Pn lotura sortu zen momentutik, n geruzako elektroi askeak p geruzan sartzen dira, eta p guneko hutsuneetan konbinatzen dira. Horrela, loturaren bizitza osoan, n eremuan karga positibo bat egongo da loturan zehar (elektroiak falta direlako), eta p eremuan karga negatibo bat loturan zehar (hutsuneak desagertu egin direlako); multzoak “Espazioa kargatzeko eremua” (EKE) eratzen du, eta eremu elektriko bat dago bien artean, n-tik p-ra. Eremu elektriko honek, ZCE diodo bihurtzen du, korrontearen fluxua bakarrik norabide batekoa izango dena ahalbideratzen duena: elektroiak p eremutik n-ra mugi daitezke, ez alderantziz, bestalde, hutsuneak soilik n-tik p-ra pasako dira.

Funtzionamenduan, fotoi batek elektroi bat matrizeari abiarazten dionean, elektroi aske eta hutsune bat sortuz, bakoitza bere norabidean joango da eremu elektrikoaren eraginpean: elektroiak n eremuan batzen dira (polo negatiboan bihurtzeko), hutsuneak p eremuan batzen diren bitartean (polo positiboa bihurtuz).  Fenomeno hau eraginkorragoa da ZCEn, ia karga eramailerik ez dagoelako (elektroiak edo hutsuneak), baliogabetzen direlako, edo ZCEtik hurbil daudelako: fotoi batek elektroi hutsune bikote bat sortzen duenean, bereizi eta oso probabilitate gutxi dago bere aurkakoa aurkitzeko, baina sorkuntza lotura gunetik urrunago ematen bada (hutsune bihurtuz), aukera handiagoa izango du birkonbinatzeko n eremura iritsi aurretik. Hala ere, ZCE oso estua denez, zelula oso lodia izateak ez du merezi. 

N eremua oso fina da, zelula funtzionamenduan jartzen duen ZCEa sortzeko bakarrik erabiltzen baita. Bestalde, p geruza lodiagoa da: elektroi-hutsune birkonbinazioak minimizatzeko beharraren arteko konpromisoaren araberakoa da, eta aldiz, ahalik eta fotoi-kopuru handiena hartzeko aukera ematen du; horretarako, ez du lodiera handia behar.

Laburbilduz, zelula fotovoltaikoa energia sortzaile moduan ikus daiteke, diodo baten laguntzaz. Eguzki-zelula praktiko bat lortzeko, kontaktu elektrikoak gehitzea garrantzitsua da (sortutako energia kanporatzea ahalbideratzen dutenak), zelula babesten duen geruza bat jarriz, baina argia pasatzen uzten duena, fotoien xurgapen egokia bermatzen duen geruza eta efizientzia handitzen laguntzen duten geruzak, hain zuzen ere.

Eguzki-energia fotovoltaikoaren aplikazioak 
1980ko hamarkadan, panel fotovoltaikoen industrializazioaren gorakada eman zen, eta aplikazioen artean honakoak dira esanguratsuenak.

Gailu isolatuak 

1970eko hamarkadaren amaieran, zirkuitu integratuen energia-kontsumoaren murriztapenak eguzki-zelulak kalkulagailuetan elektrizitate-iturri gisa erabiltzea posible egin zuen. Modelo ezberdinak agertu ziren, hala nola Royal Solar 1, Sharp EL-8026 edo Teal Photon.

Energia fotovoltaikoan erabiltzen diren beste gailu finko batzuen erabilpenaren gorakada ere eman da azkenengo hamarkadetan, sare elektrikoaren konexioa edo baterien erabilpena garestia izan den lekuetan hain zuzen. Aplikazioa hauek eguzki-lanpara, ur ponpaketa-sistemak, parkimetroak, emergentzia telefonoak eta bestelakoak izan dira.

Ponpaketa-sistemak 

Fotovoltaikoa, ponpaketa-sistemetan ureztatze-sistemetarako, landa-eremutako ur erabilgarrirako eta abeltzaintzarako  ere erabiltzen da. Ponpaketa-sistema fotovoltaikoak (eolikoaren kasuan bezala) oso erabilgarriak dira elektrizitatea sare orokorrera iristeko arazoak daudenean edo horrek diru handia suposatzen duenean. Mantenu lanak merkeagoak direla eta, ekonomikoagoak dira, eta gainera, barne-errekuntzako motorren bidez elikatutako ponpaketa-sistemak baino ingurumen-inpaktu txikiagoa dute, baita fidagarritasun txikiagoa ere.
Erabiltzen diren ponpak, bai korronte alternokoak (AC), bai korronte zuzenekoak (DC) izan daitezke. Normalean, korronte zuzenekoak, gehienez  3kW-ko aplikazioetarako erabiltzen dira, eta korronte alternokoak aldiz, aplikazio handiagoetarako, inbertsore bat akoplatuz, panel fotovoltaikoetatik datorren korronte zuzena transformatzeko erabiltzen dira. Sistema horiek ura ureztatzeko edo biltegiratzeko sistema konplexuak hornitzeko erabil daitezke.

Sarera konektatzeko energia fotovoltaikoa 
Azken urteetan, eguzki-energia fotovoltaikoaren barnean gehien garatu den aplikazioetako bat sare elektrikoetara konektatuta dauden elektrizitate sorkuntzako zentral fotovoltaikoak izan dira. Ez hauek bakarrik, baita autokontsumorako sistema fotovoltaikoak ere, sarera konektatuta daudenak elektrizitate soberakinak saltzeko. Horri esker, 0,15 kW-etik 55 kW-erainoko potentzia duten sistemak dimentsionatu daitezke.

Erreferentziak

Ikus, gainera 
 Zelula fotovoltaiko
 Eguzki-energia

Kanpo estekak 
  Fotovoltaikoak: salmentetan harro, eraginkortasunean bare Zientzia.net (2011)

Eguzki-energia
Fotovoltaika