Solar Fotovoltaico
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Yasuhiro Matsumoto CINVESTAV-IPN, México
1. Descripción de la Tecnología: Celdas solares y sistemas fotovoltaicos
Las celdas solares (CS), son dispositivos fabricados en materiales que convierten
directamente la radiación luminosa en corriente eléctrica. El efecto fotovoltaico (FV), es
la absorción de fotón por el material activo para generar pares electrón-hueco. Estas
cargas son separadas mediante el campo eléctrico interno (generalmente unión n-p)
establecida mediante la impurificación artificial del material. (Fig. 1). Una vez separadas
las cargas, induce una diferencia de potencial para generar la corriente directa (CD). La
CS utiliza contactos metálicos o sus equivalentes, para conectarse eléctricamente hacia
el exterior. La corriente fluye al conectar una carga eléctrica entre sus terminales [1].
Las CS comerciales, se clasifican en volumétricas (tipo obleas) y de películas delgadas.
Actualmente se fabrican en su mayor parte CS de silicio tipo cristalinas-volumétricas y
sus espesores se han reducido al orden de 200 -150 !-1m (micrómetros) [2]. La
tendencia es ocupar una cantidad de 2 - 4 gr/watt, o espesores menores a 100 !-1m. Por
otro lado, las CS de películas delgadas se fabrican en sustratos de vidrio, láminas de
acero inoxidable o de plástico. Los espesores del material correspondientes son de 1 -
15 !-1m, según materiales o la tecnología. La Fig. 2. muestra CS de diferentes materiales
y estructuras.
Un módulo fotovoltaico (FV) se compone de varias CS interconectadas en serie. A
este conjunto y bajo vidrio templado, se confina y se lamina en un marco de aluminio. El
laminado o sellado térmico, se realiza vía películas protectoras, como el Etileno Vinil
Acetato (EVA). Los módulos FV certificados son fiables y garantizan hasta 25 años su
funcionamiento. Un buen laminado de los módulos FV, hace resistente a diversas
condiciones climáticas, tales como la humedad, salinidad, granizos y los ciclos de
temperatura cotidiana.
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Actualmente, un sólo módulo FV es capaz de generar potencias hasta de varios cientos
de watts. Un arreglo FV o varios módulos interconectados en serie o paralelo,
proporcionan mayores voltajes o corriente, respectivamente, de modo que alcanza a
proveer millones de watts (MW) de potencia. Los sistemas FV, son clasificados en
conectados a la red eléctrica y en autónomos (o independientes). Los sistemas
conectados a la red, a su vez se clasifican en distribuidos, y centralizados. Los
sistemas distribuidos son instalaciones de pequeños equipos en cada localidad y
suministra la energía en el sitio, y la energía sobrante se inyecta a la red (ver Fig. 3).
Por otro lado, el sistema centralizado es una planta generadora de grandes extensiones
para distribuir su potencia generada a diversos consumidores vía red eléctrica.
La aplicación autónoma o independiente, es decir, sin conexión a la red eléctrica, son
comúnmente utilizadas por personas o pequeños grupos, y puede incluir elementos de
almacenamiento de energía; tales como la batería o capacitares. Sin embargo, el
sistema de bombeo de agua, puede trabajar durante el día (o bajo el sol) y almacenar el
agua en un tinaco para ser descargados durante la noche vía gravedad. Los sistemas
autónomos, tienen enorme potencial en las zonas no electrificadas, es decir, en las
comunidades dispersas en donde la red de energía se encuentre a muchos kilómetros
de distancia.
Para aprovechar la electricidad generada por los módulos o arreglos FV, se requiere de
un sistema FV. Un componente importante del sistema FV, está el inversor
acondicionador para convertir la corriente directa (CD) a corriente alterna (CA). Es decir,
el sistema FV hace compatible lo que generan los módulos FV con la red eléctrica y/o
los equipos de CA. La tecnología FV, se aplica en residencias, comercios, empresas,
sean bajo esquemas distribuidos o centralizados. La potencia eléctrica generada por
los módulos FV, se relaciona directamente a la irradiación solar.
La radiación solar es una onda electromagnética emitida por la capa exterior del Sol.
Justamente fuera de la atmosfera terrestre, llega una irradiación de - 1,370 W/m2.
Debido a la absorción por los aerosoles, la radiación que alcanza la superficie terrestre
bajo condiciones de un cielo claro, es -1,000 W/m2 (equivalente a "un so/''). El
componente espectral correspondiente abarca aproximadamente de los 0.25 a 3IJm de
longitud de onda (ultravioleta a cercano infrarrojo). La radiación total o global que
alcanza la superficie de la tierra, se componen de partes directa y difusa. El potencial
solar teórico en la tierra es infinitamente grande, del orden de los 4 millones de EJ/año.
Sin embargo, para casos prácticos de aprovechamiento, se estima de entre los 1,500 a
50,000 EJ/año, es decir, del orden de 3 a 100 veces el consumo de energía primaria
mundial del año 2008 [3].
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Fig. 1. Celda solar bajo iluminación
y la conexión de una carga
eléctrica en sus terminales
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Fig.2. Celdas solares de diferentes materiales y estructuras.
Fig. 3 Sistema FV conectado a la red.
El módulo FV carece de partes móviles, por lo que son silenciosos y su mantenimiento
simple. Las celdas y módulos FV, tienen eficiencias de conversión constantes. Por lo
3
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que la potencia a generar se ajusta con añadir o suprimir los módulos. Los módulos FV,
puede generar energía aún en días nublados, mediante componente de radiación difusa.
En adición a las CS de silicio tipo-cristalinos, existen celdas solares de materiales
compuestos; de concentración solar; foto-electrolíticos mediante tintes sensibles, así
como celdas de materiales orgánicas (polímeros). Cada tecnología tiene sus costos y
eficiencias, algunas son tecnologías maduras y otras emergentes con potenciales a
reducir costos de producción. Por ejemplo, las celdas solares de películas delgadas son
de bajo costo, pero de menor eficiencia de conversión comparadas a las CS
volumétricas. Esto significa, que para obtener la misma potencia eléctrica, se requiere
instalar mayor área de módulos FV. En contraste, las CS de mayores eficiencias, son
de costos más elevados pero ocupa menor espacio. Varias tecnologías de CS y de
sistemas FV tienen diferentes niveles de desarrollo. Todas estas, poseen un potencial
para mejorar, sea su eficiencia de conversión o reducir costos, mediante actividades
sostenidas de investigación, desarrollo e innovación (10&1).
Asimismo, un módulo FV puede alcanzar temperaturas de operación de 25 a 40°C por
encima de la temperatura ambiental, por lo que llegan en mucho de los casos a los 55 -
70°C durante su operación. Debido al incremento de la temperatura, las CS de silicio
tipo-cristalinos merma su eficiencia en aprox. 0.45%/ oC. Este efecto depende de los
materiales y la estructura que conforma la CS y se denomina "coeficiente de
temperatura". Los fabricantes de los módulos, etiquetan sus módulos FV con las
mediciones realizadas bajo una temperatura ambiental a 25°C. Por lo que en lo general
bajo condiciones nominales de operación, su potencia es del 90 a 85 % de su
especificación.
Tecnología de celdas solares; Las tecnologías FV comerciales disponibles son
diversas ver Fig. 2. Son las de silicio tipo cristalinas volumétricas, así como las de
tecnología de películas delgadas (de silicio amorfo y microcristalino), cobre-indio/galio -
diselenuro (CIGS), teluro de cadmio-sulfuro de cadmio (CdS/CdTe) y las celdas foto
electrolíticas con tinte sensibilizado (tipo Graetzel). En adición, se dispone
comercialmente las CS de concentración solar fotovoltaica (CFV), mediante la
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concentración de la radiación vía lentes de Fresnel o reflectores, donde se ocupan
celdas muy eficientes a base de arseniuro de galio (GaAs). La tecnología dominante
actual mediante silicio volumétricas, son los mono- y multi-cristalinas, incluyedo las de
listón (EFG) del inglés Edge-defined Film-Fed Grown. En 2009, estas tecnologías
dominaron el 80% del mercado mundial con eficiencias y costos en rangos intermedios.
El mercado remanente de los 20%, fueron de películas delgadas de CdS/CdTe, el de
silicio amorfo y CIGS. Finalmente las CS orgánicas, son emergentes y están en proceso
de exploración comercial con eficiencias del orden de 5% [4].
Eficiencias de conversión; Las eficiencias reportados a niveles de laboratorios, son
del 43% para las de CS de concentración (- 400 soles) tipo GaAs (tipo tándem de 3
uniones). Del orden de 25% para el silicio mono-cristalino, 20.3% para multi-cristalino,
20.0% en CIGS, 17% para CdTe, y 13% para el silicio amorfo bajo condiciones
estándares de medición (i.e. irradiancia de 1,000 W/m2, Masa de Aire 1.5 a 25°C) [5].
La máxima eficiencia de conversión teórica para la CS de silicio mono-cristalino a una
sola unión, es del 31 % [6]. Es importante distinguir entre las eficiencias de conversiones
logradas en los laboratorios y la eficiencia de los módulos disponibles comercialmente.
Estos últimos, son entre el 50 a 80% de las máximas eficiencias reportadas a nivel
laboratorio. Al futuro, se esperan mejores desempeños de las celdas solares con
polímeros, híbridos (orgánicos/inorgánicos) y de tinte sensibilizado. Se manejan
conceptos de romper barreras de eficiencias teóricas mediante CS tipo tandem (o multi
unión), el uso de niveles de impurezas, puntos cuanticos, entre otros.
En cuanto a la capacidad instalada en los últimos 10 años, la industria FV creció a
ritmos del - 40% anuales y el costo de sistemas bajó un 40% en 2008/09 [7].
Referencias
[1] Fundamentals of Solar Cells, Alan L. Fahrenbruch, Richard H. Bube, Stanford university
Academic Press (1983)
[2] EPIA (2009)
[3] Rogner, H.-H., F. Barthel, M. Cabrera, A. Faaij, M. Giroux, D. Hall, V. Kagramanian,
S. Kononov, T. Lefevre, R. Moreira, R. Nótstaller, P. Odell, and M. Taylor (2000). Energy
resources. In: World Energy Assessment. Energy and the Challenge of Sustainability. United
Nations Department of Economic and Social Affairs,World Energy Council, New York, USA, pp.
508)
[4] Li, G., V. Shrotriya, J.S. Huang, Y. Yao, T. Moriarty, K. Emery, and Y. Yang (2005).
Highefficiency solution processable polymer photovoltaic cells by self-organization of polymer
blends. Nature Materials, 4(11), pp. 864-868.
[5] Energy Technology Perspectives 2010 lEA, Scenarios & Strategies to 2050, Solar
photovoltaic pp 128-129
[6] Shockley, W., and H.J. Queisser (1961). Detailed balance limit of efficiency of p-n junction
solar cells. Journal of Applied Physics, 32(3), pp. 510-519.
[7] lEA (2010a), lEA Technology Roadmap: Solar PV, OECD/IEA, Paris.
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Solar Fotovoltaico
2. La Tecnología en el Mundo y en México
En 2009, la producción mundial de las celdas solares (CS) fotovoltaicas (FV), alcanzó
alrededor de los 11.5 GW; China - 51 % incluyendo 14% de Taiwán; Europa con 18%,
Japón 14% y EUA 5% (Fig. 1). Alrededor del mundo hay -300 fábricas que producen
CS y módulos FV, y se prevé un importante crecimiento en la tecnología de las
7
películas delgadas (PO) durante años venideros [1]. En el mismo año, cerca de 7.5 GW
en sistemas FV fueron instalados en el mundo con un total acumulado de 22 GW y una
capacidad de generación hasta de 26 TWh al año. Mas del 95% de esta capacidad,
son interconectados a la red de energía eléctrica; entre Alemania e Italia con el 74%,
Japón 12% y E.U.A 8%. La Fig.2, muestra las capacidades acumuladas de
instalaciones FV en los 8 principales países como Alemania,(9,800 MW), España
(3,500 MW), Japón (2,630 MW), EUA (1,650 MW), Italia (1,140 MW), Corea (460 MW),
Francia (370 MW) y China (300 MW) [2]. Para finales del 2010, la capacidad instalada
pasó a 34.9 GW, un incremento aproximado de 13 GW ó del - 60% en solo un año [3].
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Fig,1 Producción mundial FV del 2000 al 2009 [2].
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Fig.2 Capacidades acumuladas de instalación
de los 8 principales países [2,4]
La capacidad industrial, el suministro del material y tendencias tecnológicas:
En los últimos 10 años, se observan crecimientos excepcionales de producción de las
CS tipo silicio cristalinas. La capacidad de producción de silicio grado solar (o poli-
silicio) incrementó de los 24,000 ton en el año 2000 a 236,490 ton en 2010 [5]. En
cuanto a las manufacturas, su crecimiento rebasó el 50% al año, en los períodos 2003-
2009. Históricamente, la industria microelectrónica fue principal usuario del poli-silicio.
Sin embargo, el súbito crecimiento de las aplicaciones FV, principalmente en el
continente europeo, la demanda de poli-silicio (2005-2006), superó a los de
microelectrónica y fue notorio el desabasto del material [5]. Por tanto, la inversión
comenzó a fluir con mayor rigor hacia la tecnología de películas delgadas (PO). Una de
las empresas más grandes de CS de PO, produjo 1,411 MW durante el 2009 mediante
CdS/CdTe [6]. Con la ventaja de los bajos costos de producción de las celdas de PO y
la escasez del poli-silicio, representó una oportunidad de mercado también para los
fabricantes emergentes tales como la de CIGS (CulnGaSe2) y de silicio amorfo.
8
Por otro lado, el tiempo de recuperación de energía (EPBT) por sus siglas en inglés, se
define como el tiempo requerido para generar la misma cantidad de energía utilizada
para fabricar el módulo FV. En cuanto al EPBT, se ha venido reduciendo; los módulos
FV de silicio mono-cristalino (2008) y Silicio multi-cristalino (2007) con espesores en sus
CS de 200 IJm, son de 1.75 años y los módulos de CdS/CdTe (2009) de 0.75 años [7].
Las posibilidades de asegurar la materia prima de las CS, incrementa la oportunidad de
producir CS a grandes escalas. Por ejemplo, al contrario a la posible escazes del Indio y
Telurio, el estudio concluye que las reservas conocidas como económicas de estos
materiales, permita la producción de 10TW de CS de CdTe o CulnS2 [8].
El costo de los módulos FV se ha venido reduciendo en un rango de 15 a 22%
anuales. Los costos de los sistemas FV ha caído en 40% en 2008/09 [9]. Así mismo, la
capacidad FV instalada en el mundo, ha crecido al ritmo de 40% anuales durante los
últimos 10 años. Con los esquemas de incentivos y programas de varios países en el
mundo, se pronostica la continuidad del crecimiento. Por tanto, esto ayudará a bajar
aún más los costos y para algunos países, se espera lograr en esta década la paridad,
con las tarifas eléctricas convencionales. Mientras un módulo FV costaba US$22/W en
1980, en 2010 se redujo a US$1.5/W (cotización 2005) [10]. Y los sistemas FV
incluyendo el balance del sistema, se encuentra en US $2.72/W (cotización 2009)
mediante el empleo de tecnologías de películas delgadas.
El costo nivelado de electricidad (LCOE) por sus siglas en inglés, de los sistemas FV,
no únicamente se considera la inversión inicial, sino toma en cuenta los costos y el
tiempo de vida de los componentes del sistema, los niveles de la radiación solar local y
el funcionamiento del sistema. Es el precio constante al cual la electricidad tendría que
ser vendida para su producción al punto de equilibrio durante su vida útil. Este costo
varia de USct7.4 - ct92/kWh (cotización 2005), dependiendo de los parámetros de
entrada [1].
Inversiones: La Fig. 3 muestra el gasto público en investigación y desarrollo (1&0) FV
en el período 1998-2007. Ourante el año de 2010, el mismo gasto fueron de: EUA
9
$ 172.4, Japón $ 68.1, Alemania> $ 84 Y México $ 0.6 (USO Millones) [3]. Los
esfuerzos en la 1&0 fueron importantes en implementar la cadena de valores para la
generación de energía; desde la producción de la materia prima y hasta la manufactura
de los módulos FV y componentes del sistema. Las CS y los módulos FV representan la
mayor parte de la 1&0, típicamente el 75% del total de las inversiones [11].
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Fig.3 Gasto público Investigación y Desarrollo FV [11].
Por otro lado, los sistemas FV de concentración solar (CFV), es un mercado emergente
con cerca de 17 MW de potencia instalada a finales de los 2008. Se divide de baja a
mediana concentración de 2 - 300 soles, y alta concentración para mayores a los 300
soles. El uso de la CFV resulta atractivo en zona de la franja solar, entre latitudes norte
y sur +/- 35°. Esta tecnología es propicia en las zonas con mayor radiación directa (cielo
despejado y baja humedad relativa). Es la tecnología FV de mayor eficiencia, debido a
que emplean CS de muy alta eficiencia de conversión. El sistema alcanza la eficiencia
10
global de -25%, mediante CS con eficiencias de conversión del orden de 35%. Es decir,
las mejores CS de concentración, alcanza la eficiencia de - 43.5%, su producción en
masa de 39.2%, una eficiencia en módulo de 25 -31%, Y la eficiencia del sistema de
23-27% [12]. Según predicciones de la economía de escala, su costo puede ser menores a
US 7�/kWh para el año 2015 [13].
FV en México: México tiene una insolación media anual de -2000 kWh/m2,
prácticamente el doble de Alemania, país con mayor capacidad FV instalada. México a
pesar de tener uno de los mayores potenciales solares del mundo, los sistemas FV
crecieron únicamente a ritmos de -1 MW anuales durante los últimos 20 años. Estas
son aplicaciones tanto autónomos domésticos y no domésticos realizados por
instituciones públicas y por empresas privadas en las zonas rurales. Los sistemas FV
son ahora económicamente viables para sitios alejados de la red eléctrica, aplicable en
electrificación y telefonía rural, bombeo de agua, señalización, refrigeración, iluminación
y protección catódica, entre otros. La Comisión Federal de Electricidad (CFE), con el
apoyo del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE), instaló más de 60,000 sistemas
fotovoltaicos en 20 estados del país con fondos del gobierno federal. También tienen
experiencia en sistemas híbridos solar-eólico. Se tiene un compendio de los desarrollos
realizados desde inicios de los 70's a la fecha por diferentes instituciones académicas,
empresas y asociaciones, quienes contribuyen en la I&D y aplicaciones FV [14-20].
El programa Fideicomiso de Riesgo Compartido (FIRCO) fomentó programas de
impulsos rurales, diferentes convenios suscritos al 2005, colaboración con los
Laboratorios Nacionales Sandia de los EUA donde se instalaron 195 sistemas, y se
apoyó a más de 3,500 productores. Mediante el convenio de donación con el Fondo
Mundial para el Medio Ambiente (GEF) a través del Banco Mundial, la SAGARPA
promovió un donativo por US $32 millones. Los programas consistieron en bombear
agua de pozos y norias ganaderas. Los resultados alcanzados con estos programas
incluyen más de 1,000 sistemas instalados. En julio del 2007, el organismo regulador
del sector de gas y electricidad en México, la Comisión Reguladora de Energía (CRE)
aprobó una resolución que ofrece a los inversionistas la posibilidad de instalar sistemas
11
fotovoltaicos conectados a la red nacional en pequeña escala (hasta 10 kW para
hogares y 30kW para empresas) [14]. Desde 2008 se acrecentó la inversión privada con
la conexión a la red. Durante 2009, fueron instalados casi 3.3 MW de sistemas FV con
una capacidad acumulada de -25 MW. Una cuarta parte de la instalación, fueron
conectadas a la red, pero la aplicación autónoma permanece en -72% de potencia
instalada a la fecha. Luego de la aparición de la Ley para el Aprovechamiento de
Energías Renovables y el Financiamiento para la Transición Energética en 2008, la
CRE abre un esquema de interconexión hasta capacidades de 500kW [15]. Desde
entonces, el sector privado abrió el mercado potencial con conexiones a la red. Por
ejemplo, una empresa automotriz instaló 400kW en el Estado de Coahuila, y una
cadena de supermercados dio inicio con la instalación de 174kW en la Cd. de
Aguascalientes, cuya contribución alcanza el 20% de la energía que consumen y evita
la emisión de 140 toneladas de CO2. Mas reciente esta cadena, adicionó una capacidad
de 200kW en el sucursal de La Paz, B.C.S. [16]. Sin embargo, se debe notar que la
tecnología es de importación, a excepción de algunos módulos FV ensamblados en
México, sea por fabricantes nacionales o extranjeros.
Como parte del impacto social, por cada GWh generado mediante tecnología FV se
tiene un alto potencial de empleo de 0.87 persona-año [19].
Referencias
[1] IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation, Edited
by Ottmar Edenhofer, Ramón Pichs-Madruga and Youba Sokona, Cambridge University Press,
Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. (May, 2011) (Anexo 11).
[2] Jager-Waldau, A. Status and perspectives of thin film photovoltaics. In: Thin Film Solar Cel/s:
Current Status and Future Trends. A. Sosio and A. Romeo (eds.), Nova Publishers, New York,
NY, USA,(2010) pp. 1-24.
[3] Trends in Photovoltaic Applications, Survey report of selected lEA countries between 1992
and 2010, Report IEA-PVPS T1-20:2011
[4] REN21 (2009). Renewables Global Status Report. 2009 Update. Renewable Energy
[5] PV Activities in Japan and Global PV Highlights RTS Corp. Vol. 17, N° 4, April 2011.
[6] PV Activities in Japan and Global PV Highlights RTS Corp. Vol. 17, N° 8, August 2011.
12
[7] PV Power Update Vol. 35 August 2011
[8] Wadia, C. , AP. Alivisatos, and D.M. Kammen (2009). Environmental Science & Technology,
43(6), pp. 2072-2077.
[9] Energy Technology Perspectives 2010. Scenarios & Strategies to 2050. International Energy
Agency, Paris, France, 708 pp.
[10] Bloomberg, New Energy Finance - Renewable Energy Data. Subscriber info at:
bnef. com/bnef/markets/renewable-energy/solar/(2010).
[11] Fuente: OECD/IEA (2010), Technology Roadmap, Solar Photovoltaic Energy; Internacional
Energy Agency. Paris Francia. p. 11.
[12] 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition. Selection of
Conference Highlights, Arnulf Jager-Waldau, Technical Programme Chairman European
Commission, DG JRC (September 2011)
[13] National Solar Energy Concentrator PV, Roadmap Management Report NRELlMP-520-
41735 June 2007
[14] Comisión Reguladora de Energía www.cre.gob. mx
[15] Diario Oficial 28 Nov, 2008 y la Estrategia Nacional para la Transición Energética y el
Aprovechamiento Sustentable de la Energía SENER 2009
[16] Trends in Photovoltaic Applications Survey report of selected lEA countries between 1992
and 2009, Report IEA-PVPS T1-19:2010
[17] Energías Alternas: Propuesta de Investigación y Desarrollo Tecnológico para México,
Academia Mexicana de Ciencias, 2010 pp 23-25
[18] 30 Años de energía Solar en México, XXX Aniversario de la Asociación Nacional de
Energía Solar, Eduardo A Rincón M. y Martha Aranda P., ANES, 2006 México D.F.
[19] Perspectivas de investiavión y desarrollo de celdas solares en México, Universidad
Nacional Autónoma de México-Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN, 2011.
[20] Libro de Ciencia y Tecnología N°2, Tecnológico de Estudios Superiores de Ecatepec,
México 2009 ISBN 978-607-95065-0-6
[21] IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation, Edited
by Ottmar Edenhofer, Ramón Pichs-Madruga and Youba Sokona, Cambridge University Press,
Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA (May, 2011). en 3.6.2 Social impacts.