Energía solar fotovoltaica

La energía fotovoltaica es una fuente energética renovable que, básicamente, transforma la radiación o energía solar en electricidad. Se estima que la producción fotovoltaica mundial cubre entre el 3.5% y el 7% de la demanda eléctrica existente.

Esta forma de generar energía, una vez instalada y en funcionamiento, no genera ningún tipo de gases de efecto invernadero u otro tipo de polución. Además, resulta muy fácil escalar la instalación para ajustarla a la necesidades de sus usuarios.

Sus principales inconvenientes son que necesita luz solar directa para maximizar su eficiencia y que, normalmente, las horas de máxima irradiación solar no coinciden con las horas de mayor demanda eléctrica.

La célula fotoeléctrica

Es el elemento básico de los paneles fotovoltaicos y constituye el elemento clave de todo el proceso de generación de eléctricidad.

De forma breve, la función de las células fotoeléctricas (también conocidas como celdas, fotocélulas o células fotovoltaicas, entre otros) es transformar la luz en voltaje y corriente eléctrica. Un fenómeno que manifiestan algunos semiconductores y que se denomina efecto fotoeléctrico.

Este efecto, aunque fue descubierto por Heinrich Hertz en 1887, no tendría una base teórica hasta casi 20 años después en el artículo “Heurística de la generación y conversión de la luz” publicado por Albert Einstein.

Principio de funcionamiento

El principio que sustenta esta tecnología, sin entrar en excesivo detalle en sus fundamentos físicos, se basa en la capacidad que tiene un fotón para, al incidir sobre un átomo del semiconductor, excitarlo, liberando así un electrón y creando un hueco.

Los electrones suelen encontrar un nuevo hueco que ocupar rápidamente, disipándose la energía aportada por el fotón en forma de calor.

La peculiaridad de los materiales que forman las células fotoeléctricas es que obligan a los electrones y los huecos a desplazarse en lugar de recombinarse al momento. De este modo se crea una diferencia de potencial, como si de una pila se tratara.

Fabricación de las fotocélulas

Las técnicas para la fabricación de estas celdas son similares a las de otros dispositivos semiconductores, aunque el grado de pureza de las materias primas necesarias o el propio proceso, no sean tan exigentes.

El proceso, a grandes rasgos, es similar al que sigue:

1. Se toma la materia prima, como el cuarzo, y se introduce en un horno donde se obtiene el silicio fundido.
2. Se eliminan las impurezas.
3. Mediante procesos como el de Czochralski se obtienen lingotes monocristalinos.
4. Se corta el lingote en láminas muy finas (obleas) de 200 µm.
5. Limpieza y pulido de las obleas.
6. Dopado de las obleas, que puede realizarse durante el proceso de Czochralski en el caso del dopaje con Boro (B) o, como se realiza con el Fósforo (P), llevando las obleas por debajo del punto de fundición en presencia gas fósforo.
7. Se conectan las células entre ellas mediante contactos eléctricos y se añaden unas finas tiras metálicas que “capturarán” la electricidad generada.
8. Se añade una cobertura antireflectante para evitar pérdidas.
9. Se encapsulan las células solares y se colocan en la estructura del panel.

Tipos de células fotovoltaicas

Aunque existen diversos tipos de células nos vamos a centrar en los dos tipos más populares.

Células de silicio policristalino

También conocidas como células multicristalinas, se caracterizan por presentar múltiples cristales que se forman durante el enfriamiento del silicio. Esto provoca que su aspecto no sea uniforme.

Presentan una eficiencia de unos 100 Wp/m2 (vatios pico por metro cuadrado) con un rendimiento elevado del 14%.

Se emplea especialmente en climas cálidos ya que sufre menos el sobrecalentamiento.

Células de silicio monocristalino

Además de en células solares, se utiliza también como base de los chips de silicio, aunque las exigencias respecto a las imperfecciones de estos son mucho más limitantes.

Su eficiencia y rendimiento es algo superior, situándose en casi 150 Wp/m2 y 14-16% respectivamente.

A diferencia de las anteriores, soportan peor las temperaturas altas.

Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica

Las aplicaciones de este tipo de energía son muy diversas. Para este artículo nos vamos a centrar en las instalaciones destinadas al autoconsumo doméstico de electricidad, pero antes enumeraremos algunos de los múltiples usos que tiene:

Mecanismos aislados

Son normalmente pequeños dispositivos que se alimentan mediante una pequeña placa o grupo de fotocélulas.

El ejemplo más típico son las calculadoras solares aunque, en la actualidad, podemos encontrar todo tipo de aparatos como lámparas, bombas de agua o parquímetros.

Transporte y navegación

Pese a que su uso como fuente de energía principal es más experimental que práctico, sí que está cada vez más presente como como sistema de energía auxiliar tanto en automóviles como en embarcaciones.

Muy popular es el World Solar Challenge que se celebra en Australia. Una carrera en la que compiten varios equipos (principalmente empresas, universidades o institutos) con sus respectivos coches solares a través de 3021 km de desierto.

Granjas solares

También llamados parques solares, no son otra cosa que centrales eléctricas fotovoltaicas en las que se instalan grandes sistemas de paneles solares para generar electricidad y suministrarla a la red.

Telecomunicaciones

Este tipo de energía es muy útil en centrales de telefonía, antenas de radio o repetidores de microondas, donde generalmente se instalan en conjunto con unas baterías. De este modo, ante corte de electricidad el servicio no se ve interrumpido.

Aeroespacial

Una de las primeras aplicaciones de la tecnología fotovoltaica. Los paneles solares se emplean desde hace mucho tiempo en satélites, desde que Estados Unidos lanzara el Vanguard 1 en 1958.

Autoconsumo fotovoltaico mediante paneles solares

Entendemos por autoconsumo fotovoltaico a la producción de energía para consumo propio, evidentemente empleando paneles solares.

Este tipo de instalaciones se da principalmente en viviendas unifamiliares donde, en general, la instalación y dimensionamiento del sistema es más sencilla.

Elementos básicos de una instalación fotovoltaica “doméstica”

Entre los principales componentes de una instalación solar fotovoltaica estándar podemos encontrar:

Paneles fotovoltaicos: los encargados de generar la energía eléctrica, en base al principio físico que ya hemos detallado al inicio de este artículo.

Baterías: acumulan la energía generada para un uso posterior, normalmente de noche y las horas de menos luz.

Inversor: transforma la corriente continua en alterna.

Regulador de carga: evitan la carga/descarga excesiva de las baterías, prologando su vida útil.

Hay que señalar que no todos los elementos tienen que estar presentes en una instalación, excepto los paneles, para que sea plenamente funcional. Todo depende de las necesidades de cada proyecto.

Clasificación de los sistemas de autoconsumo fotovoltaico

Entre las diferentes opciones que podemos encontrar en la actualidad podemos diferenciar, a nivel técnico, varios tipos de instalaciones según estén conectados o no a la red eléctrica convencional y cómo se dé está conexión.

De este modo podemos distinguiremos:

Sistema fotovoltaico aislado

Como su nombre indica, se trata sistemas totalmente independientes de la red. Son especialmente populares en zonas donde el acceso a la energía eléctrica está más limitado.

En este tipo de instalaciones el uso de baterías se hace imprescindible ya que, en el caso de no disponer de ellas, la disponibilidad de electricidad se limitaría a las horas de luz solar.

Es muy habitual encontrar instalaciones de este tipo que combinan circuitos independientes para AC y DC, es decir, cuentan con dispositivos que funcionan en continua (12V/24V principalmente), como la iluminación, y otros que funcionan con alterna, como un televisor.

Sistema fotovoltaico conectado a red

En este caso, la red convencional sirve de respaldo cuando la energía solar generada no es suficiente, eliminando la necesidad de colocar baterías y reduciendo el coste de la instalación.

Aquí se puede hacer la distinción presente en la legislación vigente entre instalaciones con o sin excedentes de producción vertido a la red (un sistema aislado, evidentemente no devuelve energía hacia la red de distribución).

Con esto ya conocemos un poco más sobre el funcionamiento de la energía solar fotovoltaico y sus múltiples aplicaciones. Además, si quieres profundizar algo más en esta u otras formas de producir tu propia energía puedes consultar nuestro artículo sobre autoconsumo eléctrico.