La energía solar fotovoltaica se obtiene al convertir la luz solar en electricidad empleando una tecnología basada en el efecto fotoeléctrico. Es un tipo de energía renovable, inagotable y no contaminante que puede producirse en instalaciones que van desde pequeños generadores para autoconsumo hasta las grandes plantas fotovoltaicas.
¿Qué es la energía fotovoltaica?
La energía solar fotovoltaica es una fuente de energía limpia y renovable que utiliza la radiación solar para producir electricidad. Se basa en el llamado efecto fotoeléctrico, por el cual determinados materiales son capaces de absorber fotones (partículas lumínicas) y liberar electrones, generando una corriente eléctrica.
Cuando se capturan estos electrones libres, se genera una corriente eléctrica que puede usarse como electricidad.
Para ello, se emplea un dispositivo semiconductor denominado celda o célula fotovoltaica, que puede ser de silicio monocristalino, policristalino o amorfo, o bien otros materiales semiconductores de capa fina.
La eficiencia de los sistemas fotovoltaicos varía según el tipo de tecnología fotovoltaica.
Las celdas de silicio monocristalino se obtienen a partir de un único cristal de silicio puro y alcanzan la máxima eficiencia que está entre un 18% y un 20%. Las de silicio policristalino se elaboran en bloque a partir de varios cristales, por lo que resultan más baratas y poseen una eficiencia media de entre el 16% y el 17,5%. Por último, las de silicio amorfo presentan una red cristalina desordenada, lo que resulta en menor eficiencia, que está entre un 8% y un 9%,y también un precio menor.
Los primeros pasos en la energía fotovoltaica
El efecto fotoeléctrico fue notado por primera vez por el físico francés Edmund Bequerel, quien en 1839 descubrió que ciertos materiales producían pequeñas cantidades de corriente eléctrica cuando son expuestos a la luz.
En 1905, Albert Einstein describió la naturaleza de la luz y el efecto fotoeléctrico en el que se basa la tecnología fotovoltaica, por lo que más tarde ganó el premio Nobel de física.
El primer módulo fotovoltaico fue construido por Bell Laboratories en 1954. Fue catalogado como una batería solar y fue principalmente una curiosidad, ya que era demasiado costoso para un uso generalizado.
En la década de 1960, la industria espacial comenzó a hacer el primer uso serio de la tecnología para proporcionar energía a bordo de naves espaciales.
A través de los programas espaciales, la tecnología avanzó, se estableció su confiabilidad y el costo comenzó a disminuir. Durante la crisis energética en la década de 1970, la tecnología fotovoltaica ganó reconocimiento como fuente de energía para aplicaciones no espaciales.
Los fotones son los que transportan energía solar
Un fotón es una partícula elemental, el quantum de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, las microondas y las ondas de radio.
Es así como la luz solar también está compuesta de fotones o partículas de energía que contienen cantidades variables de energía que corresponden a las diferentes longitudes de onda del espectro solar.
Sabías que, las células fotovoltaicas solares se agrupan en paneles o módulos, y éstos se pueden agrupar en conjuntos de diferentes tamaños para producir pequeñas y grandes cantidades de electricidad.
¿Cómo funcionan los sistemas fotovoltaicos?
El flujo de electricidad
El movimiento de los electrones, cada uno con una carga negativa, hacia la superficie frontal de la celda crea un desequilibrio de carga eléctrica entre las superficies frontal y posterior de la celda. Este desequilibrio, a su vez, crea un potencial de voltaje como los terminales negativo y positivo de una batería.
Los conductores eléctricos en la celda absorben los electrones. Cuando los conductores están conectados en un circuito eléctrico a una carga externa, como una batería, la electricidad fluye en el circuito.
Figura 1. El interior de una celda fotovoltaica
Las celdas fotovoltaicas
La célula fotovoltaica es el componente básico de un sistema fotovoltaico. Las células individuales pueden variar en tamaño de aproximadamente 0.5 pulgadas a aproximadamente 4 pulgadas de ancho. Sin embargo, una celda solo produce 1 o 2 vatios, que es suficiente electricidad para pequeños usos, como para alimentar calculadoras o relojes de pulsera.
Las celdas fotovoltaicas están conectadas eléctricamente en un módulo o panel fotovoltaico empaquetado y resistente a la intemperie. Los módulos fotovoltaicos varían en tamaño y en la cantidad de electricidad que pueden producir.
La capacidad de generación de electricidad del módulo fotovoltaico aumenta con el número de celdas en el módulo o en la superficie del módulo. Los módulos fotovoltaicos se pueden conectar en grupos para formar una matriz fotovoltaica.
Una matriz fotovoltaica puede estar compuesta por dos o cientos de módulos fotovoltaicos. El número de módulos fotovoltaicos conectados en un conjunto fotovoltaico determina la cantidad total de electricidad que puede generar el conjunto.
Las células fotovoltaicas generan electricidad de corriente continua (CC). Esta electricidad de CC se puede usar para cargar baterías que, a su vez, alimentan dispositivos que usan electricidad de corriente continua. Casi toda la electricidad se suministra como corriente alterna (CA) en los sistemas de transmisión y distribución de electricidad.
Los inversores son dispositivos que se utilizan en módulos fotovoltaicos o en matrices para convertir la corriente eléctrica continua producida por los paneles en corriente alterna, apta para ser utilizada.
Las celdas y módulos fotovoltaicos producirán la mayor cantidad de electricidad cuando estén directamente frente al sol. Los módulos y conjuntos fotovoltaicos pueden usar sistemas de seguimiento que mueven los módulos para enfrentar constantemente el sol, pero estos sistemas son más costosos.
La mayoría de los sistemas fotovoltaicos tienen módulos en una posición fija, orientados directamente al sur (en el hemisferio norte, directamente al norte en el hemisferio sur) y en un ángulo que optimiza el rendimiento físico y económico del sistema.
Figura 2. Funcionamiento de las plantas fotovoltaicas
Aplicaciones y clasificación de sistemas fotovoltaicos.
Las aplicaciones de la energía solar fotovoltaica son muchas y muy variadas. En este campo, se incluyen desde grandes plantas de generación de electricidad mediante paneles fotovoltaicos, hasta las pequeñas calculadoras solares.
Una primera forma de clasificar las aplicaciones de la energía solar fotovoltaica es diferenciar entre las aplicaciones conectadas a la red eléctrica y las instalaciones aisladas.
Las instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red son una de las aplicaciones más novedosas de los sistemas fotovoltaicos. Ésta consiste en la instalación de paneles fotovoltaicos y un inversor capaz de transformar la energía que suministran los paneles solares fotovoltaicos e incorporarla a la red eléctrica.
El uso de paneles fotovoltaicos en edificios aislados es muy útil ya que la inversión necesaria para colocar paneles solares en la cubierta de una granja, un chalet en la montaña o en un hotel en un sitio apartado, es mucho menor que la que costaría llevar allí la red eléctrica.
Ventajas de los sistemas fotovoltaicos
Es un tipo de energía renovable, inagotable y no contaminante, por lo que contribuye al desarrollo sostenible.
Es un sistema particularmente adecuado para zonas rurales o aisladas donde el tendido eléctrico no llega o es de difícil o costosa instalación, o para zonas geográficas cuya climatología permite muchas horas de sol al año.
También pueden contribuir al suministro electricidad a una red eléctrica.
Es modular, por lo que se pueden construir desde enormes plantas fotovoltaicas en suelo hasta pequeños paneles para techos de edificaciones.
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