Energía fotovoltaica

Energía solar.

La energía solar, por si misma, no es contaminante, por ello es tan atractiva para algunos. Pero si lo meditamos detenidamente, para poder aprovechar la energía solar y transformarla en electricidad, por ejemplo, si que es contaminante. Necesitamos el plomo o el cadmio para disponer de baterías, sin contar la contaminación que provoca la fabricación de las placas fotovoltaicas. 

La energía solar no solamente la podemos utilizar para transformarla en electricidad, también se puede usar como fuente de calor, de hecho, es la principal utilidad que tiene en nuestro planeta tierra. Sin el calor, no solo no crecerían las plantas, sino que no habría ningún tipo de vida, vegetal o animal.

El sol.

La temperatura media del sol oscila entre los 5000 y los 6000 grados. A causa de unas reacciones físicas que suceden en el interior, el sol pierde masa que es transformada en energía. Ésta energía es la que llamamos radiación solar. Se calcula que la radiación solar es de unos 63.450 720 W/m². La radiación solar que recibimos nosotros, fuera de la atmósfera, está estimada en 1353 W/m², pero como la tierra no es totalmente esférica, podemos llegar a tener una variación de "+" "-" 3%, es lo que conocemos como constante solar. El sol es capaz de producir por sí mismo, más de 3000 veces la energía que los seres humanos consumimos.

Ventajas de la energía solar.

El uso de la energía solar tiene sus ventajas. Siempre que no hablemos de grandes huertas fotovoltaicas, tiene un escaso impacto ambiental. No produce residuos tóxicos, su mantenimiento es muy sencillo. La puede utilizar cualquiera, pues no se puede ejercer un control como sucede con el petróleo, no se depende del suministro eléctrico.

Desventajas de la energía solar.

Si hablamos de grandes huertas fotovoltaicas si que existe un impacto ambiental, afecta a los ecosistemas. Si continuamos hablando de placas fotovoltaicas, la producción de las mismas no solamente es contaminante sino también excesivamente costosa debido a su baja demanda y a que continúa siendo una tecnología novedosa. Para poder almacenar la electricidad producida, necesitamos acumuladores (baterías) que si son contaminantes.

Radiación solar.

La diferencia entre los diferentes tipos de radiaciones está en cómo inciden los rayos solares en la tierra. Tenemos tres tipos:

1. Directa. Es la que recibimos cuando los rayos solares no se difuminan o se desvían a su paso por la atmósfera terrestre.

2. Difusa. Cuando la atmósfera terrestre difumina o desvía los rayos solares, la llamamos radiación difusa. Éste desvío de los rayos solares, se produce por el choque directo con ciertas moléculas y partículas contenidas en el aire, por este motivo, los rayos solares no tienen una dirección directa.

3. Radiación reflejada o Albedo. Los rayos solares no solamente pueden ser desviados por causas atmosféricas, también pueden sufrir una reflexión a causa de superficies planas. Os daré dos ejemplos, la reflexión que se produce en un terreno nevado, y la reflexión que sucede sobre el agua del mar. Tenemos que tener en cuenta un dato significativo, y es que las 2/3 partes del planeta es agua oceánica.

4. Radiación global. Será la suma de las radiaciones directa y difusa.

5. Radiación total. Será la suma de todas las radiaciones, directa, difusa y albedo.

Cuando estamos hablando de energía solar fotovoltaica, debemos tener presente que la radiación que realmente nos importa es la directa, es la que mayor potencial tiene.

También debemos tener en cuenta ciertos factores. En primer lugar, el factor climático es importante, en un día nuboso, tendremos una radiación difusa; en cambio, si es soleado, la radiación recibida será directa. El segundo factor, es la inclinación de la superficie que recibe la radiación. Y, el tercer factor, es la presencia o ausencia de superficies reflectantes, las superficies claras son las que más reflejan la radiación solar, por este motivo, las casas se pintan de blanco.

Instrumentación solar.

Existen varios instrumentos para medir los parámetros solares:

1. Solarímetro. También llamado Piranómetro. Este instrumento mide la radiación solar total.

2. Heliógrafo. Este instrumental mide la insolación, que son las horas de sol brillante que tiene el día.

3. Actinómetro. También llamado Pirheliómetro. Es el instrumento capaz de medir la radiación directa.

Historia de la Energía Solar Fotovoltaica

La generación de electricidad con celdas fotovoltaicas solares fue descubierta en el siglo anterior, en 1839 por Edward Becquerel cuando observó casi accidentalmente la aparición de un voltaje en las terminales de un  pedazo de selenio en electrolito. En el año 1900 Albert Einstein ganó el Premio Nobel de seguir desarrollando y explicando el concepto de la energía fotovoltaica. 
A pesar de este temprano descubrimiento de los principios de su funcionamiento, los Sistemas Fotovoltaicos sólo fueron recientemente una opción interesante para aplicaciones comerciales a grande escala. El desarrollo de la tecnología FV surgió durante  los programas de investigación espacial, especialmente entre  1950 - 1970 debido a sus características idóneas, bajo peso, larga vida, resistencia al ambiente exterior y alta confiabilidad.

Durante los siguientes 15 años la tecnología de la celda fue mejorada y estuvo lista para que en 1975, con la llegada de la crisis petrolera y el incremento de los costos de energía, se pensara en dicha tecnología como alternativa de solución.  Las celdas fotovoltaicas (FV) eran aún muy costosas para muchas de las aplicaciones comerciales pero probaron ser una opción interesante para aquellos lugares, realmente alejados de la red pública.

Desde entonces, los precios de las celdas fotovoltaicas han ido bajando y su eficiencia gradualmente se ha incrementado y por tanto los costos por unidad de electricidad generada con fotovoltaica empiezan a ser cada vez más bajos.
Debido al descenso de los costos, el número de aplicaciones comerciales va creciendo. Al principio los PF eran sólo una opción interesante para aplicaciones espaciales, hoy en día pequeñas celdas fotovoltaicas se usan dondequiera alrededor del mundo en una infinidad de diferentes aplicaciones comerciales.

Componentes fotovoltaicos comunes

1. Generador. En la tecnología fotovoltaica, no se trata de recoger radiación solar y ya hemos cumplido. Debemos transformar la energía solar en electricidad, para este fin, necesitaremos un generador conectado directamente con las placas o módulos fotovoltaicos.

2. Acumulador. Si usamos la tecnología fotovoltaica de forma particular, recogeremos la energía solar durante las horas de sol, la transformaremos y la gastaremos durante las horas nocturnas, por regla general. Por esto, nos harán falta los acumuladores o baterías. Los acumuladores pueden ser de varios tipos, ser uno o varios, y tener diferentes tipos de conexionado.
3. Regulador de carga. En el caso de utilizar acumuladores, necesitaremos forzosamente protegerlos de sobretensiones y garantizar una correcta carga, esta es la misión del regulador de carga.
4. Inversor. La energía transformada es energía eléctrica continua. Al menos que tengamos todos los aparatos domésticos de tensión continua, algo difícil de obtener y excesivamente costoso económicamente hablando, necesitaremos el inversor. El inversor transforma la tensión continua en tensión alterna. Dependerá el uso que vayamos a realizar de la instalación, la clase o tipo de inversor que necesitemos implantar, esto es así, porque si vamos a suministrar energía a la red, necesitaremos un inversor de alta gama, que acostumbran a ser bastante caros. Por otro lado, si la instalación tiene una finalidad de uso doméstico, con un inversor más económico estaría bien. Las redes eléctricas exigen calidad, tanto de frecuencia como de señal de onda, lo que nos obliga a disponer de un buen inversor.
5. Protección general. En protección general, incluimos tanto la protección del resto del equipo eléctrico y electrónico, como la protección de las personas. Pueden ser diodos, interruptores generales, etc. Deberán estar colocados en las partes de la instalación necesarias. A modo de ejemplo, diré que no es lo mismo que nos electrocutemos con 400 V en tensión continua que con 10.000 V en tensión alterna, aunque parezca extraño, tenemos más posibilidades de sobrevivir con una descarga de 10.000 V alternos. Así que ojo con lo que tocamos. 
6. Módulos solares. No podíamos dejar de hablar, aunque solo sea un poco, del componente estrella, las placas o módulos solares. Existen muchos tipos, de muy diferente material y, ante todo, son carísimos. Pero la tendencia va cambiando. Los más usados están compuestos de silicio, pero como he dicho anteriormente, los hay de otros materiales. 

Sistemas fotovoltaicos.

Un sistema fotovoltaico lo podemos definir como el conjunto de componentes eléctricos, electrónicos y mecánicos que nos servirán para transformar la energía solar en energía eléctrica. Por supuesto, que para cada aplicación o necesidad tendremos un sistema diferente, con componentes diferentes. Veamos que tipos de sistemas podemos desarrollar:

Sistema fotovoltaico aislado

En este sistema fotovoltaico podemos optar por usar baterías o no usarlas, dependerá de nuestras necesidades. Son los sistemas que se utilizan para suministrar electricidad donde no llegan las compañías eléctricas por su ubicación. Por regla general, estos sistemas tienen acumuladores de energía (baterías) porque transforman la energía solar durante el día y la consumen durante la noche. Pero como hemos dicho, puede ser que no lleven baterías, por ejemplo, en un conjunto de riego o de bombeo de agua, se puede regar o bombear agua durante las horas en que hay luz solar.
Suelen llevar los siguientes componentes: módulos fotovoltaicos, baterías, inversor, regulador y los elementos propios para proteger el circuito.

Sistema fotovoltaico conectado a red

Como es normal, este tipo de sistema fotovoltaico o instalación fotovoltaica no llevan acumuladores de energía. La explicación es muy sencilla, son sistemas fotovoltaicos que están conectados directamente con la red eléctrica. Además, cuentan con elementos que no solamente protegen la instalación, sino que también regulan la forma y la cantidad en que se suministra la energía eléctrica a la red central. Debe garantizar una cantidad de tensión, un tipo de frecuencia y una calidad de onda. Cuando hablamos de huerta solar, nos referimos a este tipo de sistema fotovoltaico o instalación fotovoltaica, pues ocupa grandes extensiones de terreno. Así tenemos que sus componentes más comunes serán: los módulos fotovoltaicos, los elementos para proteger la instalación, inversor y un contador de energía.

Sistema fotovoltaico híbrido

Este tipo de sistema fotovoltaico, además de contar con placas fotovoltaicas para recoger energía utiliza algún otro sistema para generar energía, es decir, usan otra tecnología auxiliar. De este modo, garantizan el suministro eléctrico. Las otras tecnologías o formas de conseguir electridad son la tecnología eólica o con grupos electrógenos.

El silicio.

El silicio es el segundo elemento del planeta más abundante, el primero es el oxígeno. Pertenece a la familia de los carbonoideos en la tabla periódica. Tiene 14 electrones y 14 protones, pero en términos de interés, solo nos interesan los 4 electrones que dispone en su zona de valencia. Se presenta en la naturaleza de dos formas distintas, una amorfa y otra cristalizada. En su forma amorfa tiene un color marrón, en su variante cristalizada tiene forma de octaedros de color azul grisáceo. Es más activo en su forma amorfa que en su forma cristalizada.

Se utiliza para cerámicas, vidrios, esmaltados, semiconductor electrónico, ladrillos, y en general, para muchos tipos de aleación en la industria de la fundición. Otros usos derivados del silicio son para fabricar siliconas, materiales abrasivos, laser y material fertilizante. Como se puede observar, el silicio y sus derivados se utilizan para casi todo. Entendemos como derivado, el carburo de silicio, dióxido de silicio, etc.
El silicio se presenta en la naturaleza como arena, amatista, pedernal, jaspe, ágata, cuarzo, etc., esto en lo referente al óxido de silicio. Como un silicato lo encontraremos en el granito, arcilla, feldespato, entre otros.
Es resistente a los ácidos, pero reacciona bien con otros elementos, los alcalinos.
Para poderlo utilizar, hay que calentarlo en un horno eléctrico con temperaturas superiores a los 3000°C. Aunque su pureza por este método es del 99%, cuando se necesita utilizar en componentes electrónicos y placas fotovoltaicas, se tiene que realizar otro proceso adicional, nos referimos a un tratamiento químico.

Semiconductores.

Para poder elegir un elemento como semiconductor, se tienen que tener en cuenta ciertos factores:

1. La cristalinidad. Es un factor esencial, dependiendo de la cristalinidad se podrá ejecutar un método u otro para extraer y utilizar el elemento. La cristalinidad se refiere a la disposición que tienen los átomos en la estructura cristalina. El silicio se puede encontrar en tres estados cristalinos: monocristalino, policristalino y amorfo.

2. Absorción. Nos referimos al coeficiente de absorción que tienen los elementos sobre la luz, o mejor dicho, sobre unas longitudes de onda. Si un material dispone de un coeficiente pequeño significará que tiene poca absorción. Por esto, las células de silicio cristalino tienen un espesor considerable, porque su coeficiente no es elevado.

3. El coste. Por supuesto, tenemos que tener en cuenta este factor. Siempre estará estrechamente relacionado con la extracción del material, su manipulación, los métodos para purificarlo, etc.

Estructura del silicio.

Como podemos observar en el dibujo, el átomo de silicio presenta un enlace covalente, esto quiere decir que cada átomo está unido a otros cuatro átomos y compartiendo sus electrones de valencia. Es así, porque de otra manera el silicio no tendría el equilibrio en la capa de valencia, necesita 8 electrones para su estabilidad. El enlace covalente lo forman todos los elementos del grupo IV de la tabla periódica, al cual pertenece el silicio.

Al aplicarle energía externa, ya sea de calor o de luz, se rompen los enlaces quedando un electrón libre por cada enlace roto, pero a su vez, se tiene un hueco vacío, el que ocupaba el electrón. De esta forma se obtiene corriente eléctrica, por el movimiento de los electrones hacía los potenciales positivos y del movimiento de los huecos hacía los potenciales negativos. Esto sucede así siempre que se utiliza al silicio como un semiconductor intrínseco.
Cuando queremos usar el silicio como semiconductor extrínseco, se colocan impurezas en el enlace covalente, lo cual hace que sea más fácil ganar o perder un electrón. Pero esto, lo veremos en la página destinada a la unión N-P.

Efecto fotovoltaico.

El efecto fotovoltaico es la transformación de la luz en electricidad. Algunos materiales, tienen la propiedad física de poder obtener fotones y emitir electrones, de esta forma se consigue el efecto fotovoltaico. Los materiales semiconductores tienen los electrones de su capa de valencia más ligados al núcleo, si los comparamos con los materiales conductores, pero al tener la propiedad de poder absorber fotones, les hace comportarse como si fuesen materiales conductores. Si manipulamos los materiales semiconductores, insertándoles impurezas, conseguimos acelerar el proceso. Para poder elegir el semiconductor idóneo, tenemos que tener en cuenta el ancho de banda prohibido.

Ancho de banda prohibido.

Todos los materiales tienen un ancho de banda prohibido, excepto los materiales conductores. El ancho de banda prohibido es el valor mínimo que necesita un fotón para que se pueda producir el efecto fotovoltaico en un material semiconductor. Se le asigna E_g para denominar la energía que se aprovecha de un fotón. En la banda prohibida no se encuentra ningún electrón, ya que es un espacio de paso de electrones, desde la banda de valencia a la banda de conducción.

Como podemos suponer, si el material fuese un aislante, las bandas de valencia y de conducción se estrecharían y la banda prohibida se ensancharía. Esto es así, porque en un material aislante se necesita una E_g muy elevada para que un electrón pueda atravesar la banda prohibida. Por este motivo, el ancho de banda prohibido determina qué tipo de material estamos examinando, un aislante, un semiconductor o un conductor. Sobra decir, que en un material conductor, el ancho de banda prohibido no existe.

Como sabéis, existen diferentes modelos para examinar la estructura atómica de los elementos. Por regla general se utiliza el modelo de Bohr, también llamado modelo de órbitas discretas, es el modelo en que se representa gráficamente un átomo con electrones y neutrones orbitando en diferentes capas. Pero este modelo, es insuficiente para poder explicar el comportamiento de estructuras complejas, es decir, con una gran densidad atómica. Por este motivo, se utiliza el modelo de bandas de niveles de energía, que sí permite analizar y explicar éstas estructuras. Por ejemplo, si usamos el carbono como ejemplo, nos daremos cuenta que se puede encontrar en la naturaleza de varias formas, entre ellas, en forma de grafito o de diamante, al tener diferentes formas, también tiene diferentes capas o niveles de energía y de estructura atómica, por ello se usa el modelo de bandas de energía.

La unión N-P.

Cuando se trata de realizar una unión N-P, estamos usando estructuras atómicas con impurezas, esto es, semiconductores extrínsecos. Hasta hace poco, las células fotovoltaicas se realizaban, y se sigue haciendo en gran medida, con silicio impuro. Las impurezas que tenían, y siguen teniendo, son de boro y fósforo. 

Cuando se utiliza una impureza como el boro, estamos desarrollando un semiconductor de tipo P.

Observando el dibujo, nos damos cuenta que con la inserción forzada de átomos de boro, logramos obtener huecos vacios, listos para ser ocupados por los electrones que vengan y generar una corriente eléctrica. El boro solo dispone de tres electrones en su capa de valencia.

En cambio, si se insertan átomos de fósforo, desarrollamos un semiconductor de tipo N. Con ello, se consigue el efecto contrario al uso de átomos de boro, conseguimos tener más electrones, pues el fósforo dispone de 5 electrones en su capa de valencia, es decir, sobra uno.

La unión.

La unión se consigue juntando dos superficies, una de tipo N y la otra de tipo P, Con ello conseguimos que los electrones del material N se desplacen hacia los huecos del material P, generando una densidad eléctrica, en el caso de las células fotovoltaicas es de 12 Vcc.

Células fotovoltaicas.

El lugar donde la radiación solar se convierte en electricidad es la célula fotovoltaica. No hay que confundir la célula con el panel o placa, pues el panel o placa solar esta constituida por varias células fotovoltaicas. El número de células dependerá de la potencia de la placa o panel solar.
La célula solar es una pequeña placa, generalmente cuadrada con bordes redondeados, con unos 100cm² de superficie. El grosor varía entre 0.25 y 0.35mm. El material utilizado es un semiconductor, normalmente de silicio, pero existen otros. Las células normales tienes 2 láminas, una de semiconductor N, y otra de semiconductor P.

La superficie no es totalmente plana como cabría esperar, sino que está cortada con pequeñas pirámides en su zona visible. Esto es así, para poder aprovechar mejor la radiación solar. Al chocar la radiación en la superficie piramidal, se refleja y se difumina en un alto porcentaje sobre la propia célula. Si no tuviera la forma piramidal, sería reflejada hacia el exterior de la célula obteniendo poco rendimiento.

También nos podemos encontrar con superficies piramidales, pero con las pirámides invertidas y huecas, el efecto es el mismo que el anteriormente expuesto, y habría una pequeña diferencia de aprovechamiento de la radiación solar. En definitiva, el truco consiste en capturar los haces solares y retenerlos.
Pero está disposición piramidal tiene su inconveniente técnico. Al retener la radiación, se aumenta la temperatura de la célula y, por lo tanto, la temperatura de la placa solar también aumenta, disminuyendo considerablemente el rendimiento de la misma. La solución está en hacer disminuir la temperatura con un sistema de refrigeración. Normalmente, el sistema de refrigeración está retroalimentado por la propia energía obtenida en la misma placa.

Las células fotovoltaicas más comunes están construidas con las dos láminas N y P, que hemos mencionado, y con el silicio mono cristalino como elemento semiconductor.

Tipos de células de silicio.

Los tipos de células de silicio serán diferentes en la medida del tipo de silicio que se utilice:

1. Monocristalino. El rendimiento de las células de silicio monocristalino suele variar entre el 15% y el 18%. Es difícil construirlas, lo cual aumenta su precio. La estructura atómica está muy ordenada y tiene un color azul metálico.

2. Policristalino. Su rendimiento varía entre el 12% y el 15%. La estructura atómica no es tan ordenada como ocurre con el monocristalino, lo cual le hace perder rendimiento.

3. Amorfo. Su rendimiento es inferior al 10%. La estructura atómica es bastante desordenada. Pero su fabricación es más sencilla que con los monocristalinos y policristalinos, lo cual, lo hace más barato.

Explicación del funcionamiento de una célula solar fotovoltaica, donde los fotones suministran la energía necesaria para liberar electrones que forman una corriente eléctrica continúa.

Como en estado puro el silicio no es muy fotoconductor, se le “dopa” con átomos de fósforo, que tiene un excedente de cargas negativas. Este material es el que aparece en la figura a continuación como “tipo n”. En esa misma figura, veamos el material “tipo p”, que es silicio dopado con boro, que tiene 3 electrones en su capa externa, por lo que se produce un excedente de cargas positivamente. Efectivamente, el silicio tiene 4 electrones en la banda de valencia y el boro sólo tiene 3. Al estar estas dos zonas dopadas en contacto, se produce un diodo, ya que los electrones excedentes  de la capa n son atraídos por las cargas positivas de la capa p. Esto da origen a una corriente eléctrica.

La fabricación de células fotovoltaicas aún resulta cara (se precisa un silicio) de una gran pureza), pero éste es un campo en el que se está investigando mucho, como consecuencia de los problemas energéticos mundial.
También hay que tener en cuenta que el rendimiento de las células de silicio es bajo (13 al 25%). El rendimiento es la energía luminosa que realmente se transforma en electricidad.

Estructura y funcionamiento de una célula fotovoltaica, que transforma en electricidad la energía recibida del sol.

Como la corriente que genera una célula fotovoltaica es muy pequeña (1,1-1,7 V), se agrupan las células para conseguir una corriente mayor. La electricidad generada es continua,  para pasarla a corriente alterna se requiere de un equipo llamado “inversor”. Estos conjuntos de células forman un módulo solar fotovoltaico, así como también un conjunto de módulos solares forman un panel solar.

Celda Solar monocristalina (a la izquierda) y celda solar policristalina (a la derecha). Se distinguen fácilmente, la monocristalina tiene un color uniforme.

Paneles Solares Fotovoltaicos

También llamados módulos o colectores. Una célula fotovoltaica genera una corriente muy baja, por lo que es necesario unir varias de ellas en serie para poder alcanzar un cierto voltaje. Los paneles solares son la unión de células fotovoltaicas en serie, encapsuladas para protegerlas (en plástico transparente, por ejemplo) y con un marco metálico para su montaje.
Los paneles (o módulos, como también se les llama) son la unidades básicas de los sistemas de generación de electricidad  a partir de la energía solar.

Los módulos solares se pueden conectar:

En serie. Por ejemplo si tenemos un módulo de 12 V y 1,5 A y lo conectamos en serie con otro módulo de las mismas características tendremos  un conjunto de 2 módulos de 24 V y 1,5 A (se suman los voltajes y se mantienen las intensidades).

En paralelo. Si tenemos los dos módulos del ejemplo anterior y los conectamos en paralelo, tendremos un conjunto de 12 V y 3 A (se mantienen los voltajes y se suman las intensidades).

El armazón de los módulos debe ser a la vez resistente  y ligero. Se suele hacer de aluminio con resinas para hacerlo hermético.

La cubierta del panel suele ser de cristal templado, resistente a impactos, transparente, dejando pasar las radiaciones solares (en más de un 92%).

Orientación de los paneles fotovoltaicos

La figura muestra una superficie situada en el hemisferio Norte, donde el Sol sigue una trayectoria Este-Sur-Oeste. Si pretendemos maximizar la captación de energía solar, la superficie tendrá que estar orientada hacia el sur así reciben mas radiación solar durante todo el día pero también durante el año. Esto se debe a que nosotros nos encontramos en el hemisferio Norte y debido al ángulo de inclinación de la tierra hacia el sol, el máximo de radiación solar es hacia la línea ecuatorial o hacia el Sur. Estando en el hemisferio Sur es al revés y se inclinan los paneles hacia el Norte.

Los paneles solares fotovoltaicos se deben orientar al sol, según la hora del día, mes del año y lugar geográfico, si se dispone de sistemas de inclinación variable. Cuando los paneles son fijos se escoge una orientación media, la más adecuada para la zona. Por ejemplo en España se suele escoger una orientación sur, con una inclinación de 40-45ͦ grados, según zonas. La inclinación fija tiene unos costes inferiores a la variable.

Los paneles se deben instalar en zonas sin sombras (siempre que sea posible). Tampoco se deben hacer sombra entre ellos. Se deben mantener siempre limpios de hojas, ramas, polvo, suciedad, etc. Su fijación al suelo debe ser firme, ya que tienen que permanecer fijos en el sitio más de 25 años (su vida útil).

Definición y características de la energía solar fotovoltaica.

La energía solar fotovoltaica, se caracteriza por funcionar a base de paneles solares que captan las radiaciones luminosas del sol y las transforman en una corriente eléctrica.

Estos paneles especiales están compuestos por unas “células fotovoltaicas”  que es donde realmente tiene lugar la  transformación de la energía luminosa (fotones) en electricidad (electrones en  movimiento).

El efecto fotoeléctrico (la luz activa la formación de corrientes eléctricas) es el fundamento de este sistema energético como vamos a ver a continuación.

El efecto fotoeléctrico (base de las células fotovoltaicas)

Como hemos dicho anteriormente, es en las “células fotovoltaicas” donde tiene lugar la transformación de la energía luminosa del sol en electricidad.

En la figura a continuación se ve el principio de funcionamiento de esta transformación. Antes recordemos unos conceptos de electricidad. Llamamos materiales conductores de la electricidad (el cobre por ejemplo) a los que la dejan pasar libremente la corriente eléctrica ya que tienen electrones libres. Llamamos materiales aislantes (plástico, papel) a los que oponen una enorme resistencia al paso de la corriente eléctrica (los electrones de sus capas periféricas están fuertemente ligados y se necesitaría una gran energía para liberarlos).

Entre ambos extremos hay unos materiales llamados semiconductores. Los más conocidos son el silicio, el germanio y el arseniuro de galio. Estos materiales si están a 0 K son aislantes, pero si reciben energía (luminosa por ejemplo), se encuentran más cerca de los conductores  y pueden producir corrientes de electrones. Eso es exactamente lo que ocurre en las células fotovoltaicas, que suelen estar hechas de silicio.

Como se ve en la figura un material semiconductor (el silicio), es expuesto a los rayos solares, que contienen energía luminosa (fotones). Estos fotones aportan energía a los electrones de valencia de los átomos de silicio.

Si la energía que aportan es suficiente para vencer la fuerza que mantiene los electrones unidos al átomo, estos electrones se liberan y llegan a formar una corriente  de electrones (electricidad), que en la figura se representa por un circuito que es capaz de encender una lámpara, Este es el esquema de funcionamiento del efecto fotoeléctrico.

Módulo Solar monocristalino (a la izquierda) y módulo solar policristalino (a la derecha). Se distinguen fácilmente, el monocristalino tiene un color uniforme.

Equipos que componen las instalaciones solares fotovoltaicas

Módulos o paneles fotovoltaicos, que son los que reciben las radiaciones solares y las convierten en una corriente eléctrica continua.

Regular de carga, para regular el paso de la electricidad de los módulos a los puntos de consumo o la batería, garantizando una larga vida útil para la misma. Se debe tener en cuenta que en las instalaciones solares fotovoltaicas, las baterías están sometidas a ciclos de carga y descarga constantes, por lo que sufren mucho si la regularización no es buena. El regulador controla la tensión (V) y la corriente (I). Nos da también las siguientes informaciones: indicación de batería en proceso de carga, indicación de batería cargada totalmente, y protección contra carga excesiva. Tiene también sensores de temperatura para que la carga se desarrolle correctamente. 

Placas fotovoltaicas.

Las placas fotovoltaicas son los componentes que contienen a las células fotovoltaicas. Dependiendo de la cantidad y la calidad de las células, las placas serán de una potencia u otra. Por este motivo, se comercializan con diferentes tamaños y potencias.

Las placas fotovoltaicas tienen varios objetivos que cumplir. En primer lugar, tienen que asegurar la captación de la radiación solar, por este motivo, son móviles. Se mueven según las horas del día y la época del año. Disponen de una capa externa de vidrio. La óptica del vidrio es muy importante, porque tiene que asegurar que capta el máximo de radiación solar, es inmune a la radiación ultravioleta, no deja pasar la suciedad y la humedad, y es resistente a los golpes.
En segundo lugar, deben tener resistencia mecánica.

Las placas fotovoltaicas deben de alojar en su interior, células fotovoltaicas similares, de otra manera, el valor que tendrá en términos eléctricos, será el valor de la célula cuyo valor sea menor. Por este motivo, las placas fotovoltaicas son sometidas a pruebas finales, donde se catalogan por su rendimiento eléctrico.

En las placas fotovoltaicas es donde se realiza toda la conexión eléctrica entre las células, además de disponer de terminales de conexión entre otras placas.

Aparte de lo comentado, las placas fotovoltaicas deben de disponer de sistemas para disipar el calor acumulado y generado por la continua exposición a la radiación solar y al propio calor generado por el trabajo de las células.

Conexión de placas solares.

Como todo elemento eléctrico, dispone de dos formas de conexión básicos, paralelo y en serie, lo cual determinará los valores eléctricos que disponga toda la instalación.

Hay que tener en cuenta cierto concepto o magnitud eléctrica no explicada todavía:W_p.
W_p es la potencia nominal o vatios pico, es decir, es la potencia que una placa fotovoltaica genera cuando es sometida a la radiación máxima.
Se ha escogido un ejemplo para poder explicar los dos tipos de conexionado básicos existentes, observaréis que tanto la tensión como la intensidad totales de los circuitos, varían según el conexionado, pero en cambio, la potencia nominal siempre es la misma.

Hay que recordar, que todas las magnitudes eléctricas, son dependientes de la cantidad de radiación solar recibida, y de la calidad o material empleado para la construcción de las células. En definitiva, que una cosa es la teoría y otra la práctica.

Conexión placas solares en paralelo.

Conexión placas solares en serie.

Baterías.

Sin las baterías muchas de las instalaciones fotovoltaicas carecerían de sentido, pues su funcionalidad depende del almacenamiento de la energía eléctrica en las baterías o acumuladores de energía.
La batería es un aparato electroquímico que transforma una energía química en energía eléctrica.

Los componentes que constituyen una batería son:

1. Electrolito: Es un conductor iónico que con el paso de la corriente eléctrica se transforma. Este elemento químico puede ser sólido, líquido o tener forma de pasta.

2. Electrodos: Son dos conductores que se encuentran sumergidos en el electrolito. Como os podéis imaginar, son metálicos, uno hace de polo positivo (cátodo) y el otro de polo negativo (ánodo).

3. Rejilla: La batería está formada por varias rejillas o celdas cargadas iónicamente, y que facilitan el traspaso de electrones de una celda a otra, con la ayuda del electrolito. La tensión que es capaz de mantener las celdas varía de 1,2 V a 2V, dependiendo de la clase de batería.

En una batería hay que tener en cuenta tres consideraciones técnicas:

La capacidad de descarga.

La capacidad de una batería es la cantidad máxima de energía eléctrica que puede llegar a suministrar desde su carga plena a su descarga completa. Dicho en fórmula física: sería el producto de la intensidad por el tiempo de descarga. La unidad de medida es el amperio hora (Ah). Como ejemplo, diremos que una batería de 100 Ah puede suministrar 100 A en una hora, 50 A en media hora, etc.

Nomenclatura

Esto es importante, en cualquier batería nos encontraremos la siguiente inscripción: XX Ah YY. El significado de la inscripción es fácil de recordar:

1. XX Significa la capacidad de la batería.

2. YY Nos indica el tiempo de descarga.

La profundidad de descarga.

Este aspecto técnico de la batería es bastante importante en relación con las energías renovables. Existen dos tipos de baterías desde el punto de vista de la profundidad de descarga, las baterías de descarga superficial y las de descarga profunda. En las instalaciones de cualquier tipo de energía renovable, solamente se utilizan las baterías de descarga profunda. Ahora veremos el porqué. Cuando hablamos de la profundidad de descarga nos referimos al tanto por ciento que se utiliza de la capacidad de la batería en un ciclo de carga y descarga.

1.    Descarga superficial. Este tipo de batería tienen una descarga media que no supera el 15%, pero puede llegar al 50%.

2.  Descarga profunda. Estas baterías tienen una descarga media de un 25%, pudiendo llegar al 80%.

Ciclos de una batería.

Un ciclo es el tiempo transcurrido desde una carga completa hasta una descarga de la batería. La vida útil de una batería se mide en cantidad de ciclos que puede llegar a soportar.

El fabricante está obligado a indicar el número de ciclos de la batería y la profundidad de la descarga, así como la nomenclatura que hemos observado anteriormente.

Conexión de baterías.

Disponemos de tres formas de conectar un grupo de baterías entre sí. En serie, en paralelo o una conexión mixta serie-paralelo. Dependiendo como lo hagamos, incrementaremos la tensión total, la capacidad o las dos.

Conexión en serie.

Con este tipo de conexión, incrementamos el voltaje total.

Conexión en paralelo.

Con este tipo de conexión, incrementamos la capacidad total.

Conexión mixta.

Con este tipo de conexión, incrementamos la capacidad total y la tensión total.

NOTA: Aunque en los tres dibujos estén representados los 12 V, no quiere decir que los dibujos tengan relación alguna entre sí. Los dibujos simplemente indican cómo se realiza la conexión y nada más. Lo indico porque puede dar lugar a confusión.

Tipos de baterías.

De hecho, ya hemos realizado una primera clasificación de las baterías, si tenemos en cuenta las características técnicas. Aquí vamos hacer la clasificación por sus componentes químicos.
Aunque existen de varios tipos, las más usadas son:

1. Las de plomo y ácido.

2. Las de níquel y cadmio.

Las primeras son las más usadas, en cambio, las de níquel-cadmio ofrecen un mejor rendimiento, pero tienen un precio demasiado elevado.

Baterías de plomo y ácido.

Lo que caracteriza a éstas baterías es su bajo coste y el mantenimiento que requieren.
Respecto al mantenimiento, necesitan estar en un lugar fresco, y revisar la cantidad de electrolito periódicamente, además, es necesario su ventilación por desprendimiento de gases.

La tensión de cada rejilla o celda es de 2V. Dentro de este tipo de batería podemos encontrarnos:

Baterías de plomo-antimonio Ideales para instalaciones basadas en energías renovables.
Baterías de plomo-selenio

Baterías de plomo-calcio

Baterías de níquel y cadmio.

Este tipo de baterías presenta el inconveniente del precio. El electrolito que utilizan es un alcalino. Tienen un bajo coeficiente de autodescarga, la carga ronda el 80%. Las celdas tienen un voltaje de 1,2V. Tienen un buen rendimiento con temperaturas extremas. La descarga que admiten está sobre el 90% de su capacidad nominal

Regulador de carga.

Los reguladores de carga son los aparatos, electrónicos hoy en día, que enlazan los paneles fotovoltaicos con las baterías. Tienen dos funciones por cumplir, una de ellas es evitar que la batería se descargue sobre los paneles fotovoltaicos; y la otra, es evitar que las propias baterías se sobrecarguen o descarguen más de lo necesario. Los reguladores de carga más modernos cuentan con un microprocesador para realizar dichas tareas.
El funcionamiento es muy simple, el regulador de carga controla constantemente la tensión de la batería, cuando la batería alcanza el máximo de su capacidad, entonces, el regulador de carga interrumpe el proceso de carga.
Para evitar la descarga de la batería sobre los paneles fotovoltaicos, con un diodo sería suficiente.

Existen dos tipos de reguladores de carga en el mercado:

Regulador de carga de una etapa.

Como el subtítulo indica, solamente trabajan en una de las funciones descritas anteriormente. O bien controlan la carga o la descarga, nunca las dos. Son los más económicos y los más sencillos. Pero para una instalación de paneles solares necesitaríamos tener dos.

Regulador de carga de dos etapas.

Los modernos incorporan un microprocesador. Controlan las dos funciones, tanto la carga como la descarga de la batería. Son bastante más caros, aún así, son los usados en las huertas solares.

Convertidor eléctrico.

Los convertidores son los aparatos electrónicos encargados de convertir la tensión continua procedente de las baterías a corriente alterna. Además, lo hacen con un tipo de onda, esto es importante saberlo porque si vamos a realizar una instalación fotovoltaica con la intención de vender la energía generada, el cliente, normalmente una central eléctrica, nos exigirá una cantidad y una calidad de onda y frecuencia. También se les denomina inversores.

Para transformar la corriente continua (12 V, por ejemplo) recibida de los paneles, en corriente alterna (230 V). Hay que tener en cuenta que la mayoría de los aparatos modernos (televisores, ordenadores, hornos microondas, etc.) funcionan con corriente alterna. Estos inversores deben llevar protección contra descarga del sistema, exceso de temperatura, batería baja e inversión de polaridad.
En el mercado nos encontraremos tres tipos de convertidores para las tres ondas que producen:

Onda senoidal. Es la onda que nos pedirá el supuesto cliente. No tendremos ningún tipo de problema para alimentar los diferentes electrodomésticos, equipos electrónicos, etc. Son los más caros.

Onda trapezoidal.

Onda cuadrada.

Tanto los convertidores de onda trapezoidal como los de onda cuadrada, presentan problemas para alimentar según que equipos electrónicos, electrodomésticos, etc. Además, tienen pérdidas con los aparatos que utilizan onda senoidal.

El fabricante está obligado a indicar la siguiente información técnica;

Potencia nominal.

Tensión nominal de entrada.

Tensión nominal de salida.

Frecuencia nominal de salida.

Número de serie.

La polaridad de los terminales.

Sistemas de seguimiento solar. La foto a continuación nos muestra un sistema de seguimiento solar, para aprovechar al máximo las radiaciones durante todo el día. Los sistemas de giro pueden ser mecánicos o hidráulicos. Los sistemas de seguimiento solar encarecen el coste de la instalación pero aumentan mucho su rendimiento.

Seguidor solar hidráulico instalado en Vilalba (Lugo), considerado el más grande del mundo, con una superficie porta-paneles de 345 metros cuadrados y una potencia de 42 KW.


Vídeo explicativo de como se hace un panel solar