6. Energía solar fotovoltaica

6. Energía solar fotovoltaica

6.1. La célula solar
Los sistemas fotovoltaicos se basan en dispositivos denominados células solares o células fotovoltaicas.
Una célula solar funciona gracias al efecto fotovoltaico, por el cual la energía de los fotones (partículas de luz) se
transforma directamente en energía eléctrica.
Las células solares utilizan materiales semiconductores, especialmente el silicio.
Es fácil comprobar cómo las células solares producen corriente conectándolas a un motor eléctrico y exponiéndolas
a la luz solar o a una fuente de luz artificial.
6.2. Partes de una célula solar
Las células solares más utilizadas son cuadradas. Tienen la apariencia y la fragilidad de un vidrio muy fino (menos
de 0,5 mm de grosor). El cuerpo de la célula está formado por silicio dividido en dos capas diferentes: la capa n
(negativa) y la capa p (positiva). La unión entre ambas capas se denomina unión p-n.
Las dos caras tienen grabadas electrodos, laminillas de material conductor, que tienen como función permitir la
circulación de la corriente generada. Los electrodos son muy estrechos en la cara iluminada para no tapar la luz.
6.3. Tipos de células solares
Las células que encontramos en el mercado están basadas en el silicio (Si). Existen tres tecnologías, que se
diferencian por la forma de fabricación, las características finales y el precio:
1. Silicio monocristalino: toda la célula es un único cristal, lo que permite obtener unos rendimientos bastante
elevados (15-18 %).
2. Silicio policristalino: una célula está formada por multitud de pequeños cristales fusionados entre sí. El intercambio
de electrones entre átomos no es tan eficiente y el rendimiento baja un poco (12-14 %). Se pueden construir con
técnicas y materiales más baratos y por tanto su precio final es menor.
3. Silicio amorfo: las partículas del semiconductor se depositan sobre un vidrio transparente en una capa muy fina.
Esta técnica permite construir células de cualquier tamaño y hace que el precio final sea más económico. Su
rendimiento es bastante bajo, entre un 5 y un 8 %.
Además de las células de silicio, en aplicaciones espaciales (satélites y sondas planetarias) se utilizan células de
arseniuro de galio (AsGa) que, a pesar de tener un gran rendimiento (alrededor de un 25%), tienen un precio tan
elevado que hace inviables las aplicaciones terrestres.
6.4. ¿Cómo funciona una célula solar?
Un fotón de luz que choca contra un átomo de silicio puede hacer que uno de sus electrones tenga suficiente energía
para deshacerse de la atracción del núcleo del átomo. Este electrón puede moverse entonces de una manera
aleatoria entre los átomos del semiconductor, se dice que es un electrón libre.
La capa de silicio tipo n (negativa) tiene electrones en exceso y a la capa p (positiva) le faltan electrones. Si ponemos
en contacto una capa n y una capa p, se forma una unión p-n, un campo eléctrico que induce a los electrones libres a
moverse hacia la capa n.
Cuando iluminamos una célula, en la capa n se van acumulando cargas negativas y en la capa p, debido a la
ausencia de electrones, cargas positivas. Si conectamos un cable entre las dos capas, los electrones que se
encuentren en exceso en la capa n se mueven hacia la capa p generando corriente eléctrica que puede ser utilizada
para realizar un trabajo útil, por ejemplo hacer funcionar una bombilla.
6.5. El panel solar
Normalmente las células solares no se utilizan solas sino agrupadas en un panel o módulo solar.
La función de los paneles es proteger a las células de los agentes exteriores (lluvia, viento, etc.) y permitir una fácil
instalación. Están formados por un conjunto de células (a veces medias células) emparedadas entre varias capas de
materiales protectores. Un marco de aluminio da rigidez al conjunto y permite la fijación a cualquier estructura.
Las células solares producen corriente continua. La tensión de salida de una célula individual es de unos 0,5 V. En el
interior del panel las células están conectadas en serie para conseguir una tensión más elevada.
En el mercado hay una gran variedad de paneles solares de diferentes medidas, potencia y tensión de salida.
6.6. Tipos de sistemas fotovoltaicos
Hay dos tipos de sistemas fotovoltaicos:
1. Sistemas aislados: Son instalaciones que tienen total autonomía energética. Por motivos económicos, técnicos o
medioambientales no es posible o conveniente hacer llegar la red de distribución eléctrica. La energía eléctrica que
generan los paneles se utiliza para alimentar directamente a los receptores. La energía sobrante se almacena en
baterías. Estos sistemas se utilizan en casas rurales aisladas, sistemas de señalización, satélites, vehículos solares,
aplicaciones agrícolas, etc.
2. Sistemas conectados a la red: En este tipo de instalaciones la energía eléctrica producida por los paneles solares
se inyecta a la red eléctrica (se vende). No disponen de baterías. Si se trata de un edificio que también necesita
consumir electricidad, esta electricidad se toma de la red de distribución (se compra).
6.6.1. Sistemas fotovoltaicos aislados. Calculadoras
El sistema fotovoltaico aislado más sencillo y con el que estamos más familiarizados es una calculadora solar. Su
sistema eléctrico consiste únicamente en una célula solar conectada directamente al circuito electrónico de la
calculadora, no necesita batería. Usa células de silicio amorfo.
6.6.1. Sistemas fotovoltaicos aislados. Casas aisladas
Una de las aplicaciones más comunes de las células solares es la de dar suministro eléctrico a casas aisladas.
Llevar una línea eléctrica a una casa alejada de la red de distribución es muy caro. En estos casos resulta más
económico un sistema fotovoltaico autónomo.
6.6.1. Sistemas fotovoltaicos aislados. Carreteras y autopistas
Otro ámbito en el que encontramos muchas aplicaciones es en carreteras y autopistas. Los sistemas fotovoltaicos
son ampliamente utilizados para alimentar equipos aislados como cámaras, señales, puntos de socorro, etc.
También podemos encontrar sistemas fotovoltaicos en la ciudad, donde la red eléctrica está muy próxima, como en
parquímetros o en alumbrado público. En estos casos la energía solar resulta más económica que realizar las obras
(zanjas, canalizaciones, pavimentación, etc.) necesarias para tener acceso a la red.
6.6.1. Sistemas fotovoltaicos aislados. Vehículos
Una aplicación espectacular de la energía solar fotovoltaica son los coches solares, como el Despertaferro, diseñado
por alumnos de la UPC (Universitat Politècnica de Catalunya). En otros vehículos, como pequeños barcos a vela o
caravanas, se utiliza para cargar las baterías de los sistemas eléctricos.
6.6.1. Sistemas fotovoltaicos aislados. Satélites
En el espacio, donde es necesaria una fuente de energía autónoma y fiable, se utilizan frecuentemente las células
solares. Es el caso de los satélites y otros ingenios espaciales, como la Estación Espacial Internacional, un centro de
investigación situado en órbita terrestre.
6.6.2. Sistemas fotovoltaicos conectados. Fachadas
La Biblioteca Pompeu Fabra de Mataró (Barcelona) es un buen ejemplo de edificio con una fachada fotovoltaica
conectada a la red eléctrica.
6.6.2. Sistemas fotovoltaicos conectados. Pérgolas
Otra configuración utilizada en sistemas conectados son las pérgolas fotovoltaicas. La idea es crear un espacio
sombreado en zonas públicas a la vez que se genera electricidad no contaminante que se inyecta a la red.
6.6.2. Sistemas fotovoltaicos conectados. Instalaciones de particulares
Un ejemplo de un piso con paneles solares conectados a la red de distribución. Los avances en células fotovoltaicas
y otros sistemas de producción eléctrica a pequeña escala hacen pensar a algunos ingenieros que en el futuro la
generación de electricidad no se producirá solamente en unas pocas centrales de gran potencia, como
fundamentalmente pasa ahora, sino también en miles de pequeños puntos de producción conectados a la red
eléctrica y coordinados informáticamente. Es lo que se conoce como generación distribuida.
6.6.2. Sistemas fotovoltaicos conectados. Centrales
Las centrales fotovoltaicas conectadas a la red son las instalaciones más potentes. De momento son centrales
eléctricas de pequeña o mediana potencia (las mayores tienen algunas decenas de megavatios), pero cada vez es
más probable que, dado el encarecimiento del petróleo, el aumento de los problemas medioambientales y el
abaratamiento de las células solares, en un futuro cercano haya centrales fotovoltaicas de gran potencia.
6.7. Energía fotovoltaica en España y el mundo
En los últimos años el número de instalaciones fotovoltaicas ha crecido enormemente y la previsión es que continúe
haciéndolo. En el año 2009 la potencia total instalada en el mundo era de 22 878 MW. España es uno de los países
con mayor energía fotovoltaica instalada, con 3337 MW en del 2009, la potencia de 3 centrales nucleares. No
obstante, la contribución de la energía fotovoltaica a la producción de electricidad en España es todavía muy
pequeña, alrededor de un 2% del total.
6.8. Ventajas e inconvenientes de las centrales fotovoltaicas
VENTAJAS:
- No emiten ningún contaminante ni generan ningún residuo peligroso.
- Utilizan una energía renovable.
- La fuente de energía es gratuita.
- El coste de mantenimiento es muy bajo.
INCONVENIENTES:
- Necesitan una superficie muy grande.
- Su producción es discontinua.
- El coste de la energía solar todavía es mayor que la de origen convencional.
- El rendimiento de las células solares no es muy alto.