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¿Qué es la luz y por qué es importante para la energia solar fotovoltaica ?

La luz fuente de vida en la tierra , los seres humanos les damos muchos usos a la luz que nos llega en forma gratuita desde el espacio como por ejemplo calentar agua , calefaccion y generacion de electricidad .

Es posible que haya oído que la luz es una ‘onda electromagnética’ o que está hecha de ‘fotones’. Pero que significa todo esto? ¿Qué es la luz, de verdad?

¿Qué es la luz y por qué es importante para la energia solar fotovoltaica ?

Imagina que estás en un parque, mirando una hoja en la rama de un árbol. Sabemos que la luz rebota de la hoja a su ojo para decirle que es verde, pero ¿qué es exactamente la luz?

Dos ideas tempranas provienen del siglo XVII: el científico inglés Isaac Newton pensó que la luz estaba hecha de pequeñas partículas (las llamó corpúsculos) emitidas por objetos calientes (como el sol o el fuego), mientras que su contemporáneo, el físico holandés Christiaan Huygens, pensó La luz era una especie de onda que vibraba hacia arriba y hacia abajo a medida que avanzaba.

Aun así, ninguno de ellos tenía un concepto de lo que realmente era la luz. (Newton no tenía idea de de qué estaban hechos sus corpúsculos; Huygen no tenía idea de lo que era «ondear». Por cierto, la pregunta de si un fotón es una partícula o una onda nunca se ha resuelto por completo ).

Podemos rastrear los primeros pasos hacia la comprensión del maquillaje de la luz hasta una mesa de trabajo en Copenhague en 1820, donde el científico danés Hans Christian Ørsted estaba dando una conferencia sobre electricidad.

Sucedió que una brújula estaba cerca de la batería que estaba usando en su demostración y notó que la aguja de la brújula se sacudía repentinamente cuando encendió o apagó la batería. Esto significaba que la electricidad y el magnetismo estaban relacionados, o, como se describió más formalmente más adelante, un campo eléctrico cambiante crea un campo magnético.

Luego, 11 años después, el científico inglés Michael Faraday descubrió que lo contrario era cierto: que un campo magnético cambiante también crea un campo eléctrico.

Fue el físico escocés James Clerk Maxwell quien recopiló estas ideas sobre electricidad y magnetismo (y algunas otras) y las agrupó en una teoría coherente del «electromagnetismo».

Pero la visión más célebre de Maxwell fue cuando combinó el trabajo de Ørsted y Faraday para explicar la esencia de la luz.

Se dio cuenta de que un campo eléctrico cambiante podría crear un campo magnético cambiante, que luego crearía otro campo eléctrico y así sucesivamente. El resultado sería un campo electromagnético autosuficiente, que se repite sin cesar y que viaja increíblemente rápido.

¿Qué rápido? Maxwell también pudo calcular esto, a unos 300,000,000 metros por segundo, muy cerca de lo que recientemente se había medido para la velocidad de la luz.

En palabras muy simples, diré que la luz es una radiación electromagnética de amplio rango y la parte que puede ser detectada por el ojo humano se llama luz visible. La luz visible es el medio básico para vernos y percibir las cosas que nos rodean.

La luz es una fuente de vida en la tierra. Mantiene nuestra tierra caliente, ayuda a las plantas a sintetizar sus alimentos que a cambio nos proporcionan oxígeno fresco para inhalar.

Las radiaciones electromagnéticas se producen en un amplio espectro desde rayos gamma que tienen una longitud de onda tan baja como (100 picómetros, un trillón de un metro) a ondas de radio en metros.

Pero nuestros ojos humanos pueden detectar longitudes de onda de un rango muy estrecho de 700 nanómetros (rojo) a 400 nanómetros (violeta) y esto se llama la banda visible del espectro electromagnético.

(1 nanómetro = 1 mil millonésima parte de un metro)

En otras palabras, podemos decir que la luz visible es el pequeño subconjunto del amplio espectro electromagnético.

Espectro electromagnético

La banda espectral adyacente y encima de la región violeta se denomina como región de Ultra-violeta y la banda por debajo de la región del rojo de la banda visible se denomina como la región infrarroja del espectro electromagnético. El espectro electromagnético se muestra a continuación:
¿Qué es la luz y por qué es importante para la energia solar fotovoltaica ?

¿Qué son las radiaciones electromagnéticas?

Las radiaciones electromagnéticas son una forma de energía que está presente a nuestro alrededor. Y la luz solar es una forma de radiaciones electromagnéticas.
Las ondas electromagnéticas se producen cuando una partícula cargada dice que un electrón se acelera bajo la influencia del campo eléctrico.
Esto resulta en la producción del campo eléctrico y el magnético mutuamente perpendiculares entre sí y también a la propagación de la onda.
¿Qué es la luz y por qué es importante para la energia solar fotovoltaica ?
E = Campo eléctrico
B = Campo magnético
C = Dirección de propagación de la onda
Puede ver que los tres son perpendiculares entre sí

Propiedades

  • Las ondas EM pueden viajar en un vacío, lo que significa que no requieren ningún medio para propagarse, a diferencia de las ondas sonoras que requieren un medio para propagarse, ya que no escuchará ningún sonido en el vacío.
  • La luz solar viaja a una velocidad de 29,97,92,458 metros por segundo y alcanza la superficie de la tierra en 8 minutos y 20 segundos.

Doble naturaleza de la luz

La luz tiene una naturaleza dual, una es la naturaleza de la onda (debido al efecto de interferencia en los haces de luz, lo que implica que la luz está formada por ondas) y la otra es la naturaleza de la partícula (el efecto fotoeléctrico es compatible con la naturaleza de la luz de la partícula y la luz puede verse como paquetes de energía llamados fotones).

Sin embargo, conocer la naturaleza completa de la luz en cualquier momento requiere un análisis detallado que rara vez se requiere, mientras que el estudio del sistema de energía solar fotovoltaica. Por lo tanto, estoy limitando mi discusión sobre la naturaleza dual de la luz como una introducción y es lo suficientemente en este punto.

Características de la luz importantes para la fotovoltaica solar.

Sin embargo, hay ciertas características de la luz que se requieren al estudiar y diseñar el sistema de energía solar y estas son las siguientes:

  • El contenido espectral / longitud de onda de la luz: todas las longitudes de onda que caen sobre la superficie del panel no pueden eliminar los electrones (desde la banda de valencia a la banda de conducción) y dejarlos libres para que se muevan y produzcan corriente.

Los paneles solares funcionan bajo ciertas longitudes de onda del espectro electromagnético. Los paneles solares están hechos de células de silicio que funcionan bien cuando la longitud de onda de la luz alrededor de 1127 nm cae sobre la superficie de las células de silicio.

La energía correspondiente a 1127 nm de longitud de onda es suficiente para enviar electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción saltando el intervalo de banda. La menor energía puede no ser capaz de arrancar los electrones, mientras que más energía de la requerida resulta en calentamiento y reduce el rendimiento del panel.

  • La densidad de energía radiante del sol: la variación en la densidad de las radiaciones solares que caen sobre los paneles solares afecta su rendimiento. Las radiaciones solares están bloqueadas por la humedad en el aire y las nubes. Así, los paneles se desempeñan menos en tiempo nublado y en clima húmedo.
  • El ángulo:  el ángulo en el que las radiaciones solares caen sobre el panel en un día o durante todo el año. Las radiaciones que caen perpendiculares a la superficie del panel derribarán más electrones, por lo que generarán más electricidad solar que la de las radiaciones que caen oblicuamente.

Verá un mejor desempeño durante el día cuando el sol está arriba y los rayos son perpendiculares a la superficie y la salida es baja por la mañana y por la noche cuando los rayos del sol están rozando en ángulo.

Conclusión:

Debido a la razón por la cual la longitud de onda específica es necesaria para que los paneles solares funcionen, la eficiencia de las células solares es limitada. La eficiencia máxima de la célula capa de silicio único hasta ahora es de alrededor de 24%. Sin embargo, los recientes desarrollos en la tecnología de puntos cuánticos han hecho posible para aumentar la eficiencia de los paneles solares más allá de su límite teórico de 33,3%