Energa Solar FotovolticaQu es?

La Energa Solar Fotovoltica es una tecnologa que genera corriente continua por medio de semiconductores expuestos a un haz de fotones. Mientras la luz incide sobre una clula o celda solar, se genera potencia elctrica; cuando la luz se extingue, la electricidad desaparece. El principal problema de este tipo de generacin de energa es su almacenamiento, dado que solo genera energa durante el da.

Principio de funcionamiento

La conversin fotovoltaica se basa en el efecto fotoelctrico, es decir, en la conversin de la energa lumnica proveniente del sol en energa elctrica. Para llevar a cabo esta conversin se utilizan unos dispositivos denominados clulas solares, constituidos por materiales semiconductores en los que artificialmente se ha creado un campo elctrico constante. El material ms utilizado es el Silicio Estas clulas conectadas en serie o paralelo forman un panel solar encargado de suministrar la tensin y la corriente que se ajuste a la demanda

Historia

En 1839, Edmund Becquerel (abuelo de Henry Becquerel, el descubridor de la radiactividad natural) mientras trabajaba con celdas electrolticas observ que al iluminar uno de los electrodos se produca un voltaje y as descubri el efecto fotovoltaico, es decir, la conversin directa de luz en electricidad. Cincuenta aos despus, W. Smith encontr que el selenio (elemento derivado del mineral de cobre) tena propiedades fotovoltaicas; Charles Fritts construy las primeras celdas solares de selenio, y en 1878 G. W. Adams y R. E. Day observaron el efecto fotovoltaico en un semiconductor de selenio. En 1905, Albert Einstein, partiendo del concepto de cuanto, propuesto en 1900 por Max Planck, propuso que la luz est compuesta de cuantos o paquetes de energa y explic satisfactoriamente otro efecto, llamado fotoelctrico, que se presenta en los metales. Con esto, se daban las bases que llevaran a Niels Bohr y Max Born entre otros, a establecer alrededor de 1930 la mecnica cuntica. En el efecto fotoelctrico, cuando la luz llega a metales como el platino o el cesio, los electrones pueden empezar a moverse, y si los fotones de los rayos de luz tienen frecuencias y energa apropiadas, hacen saltar a los electrones de la superficie iluminada y se genera una corriente elctrica.

Sin embargo, durante muchos aos nadie se ocup de mejorar las celdas solares. Tuvieron que pasar casi ochenta aos para que Gordon Pearson, Darryl Chapin y Calvin Fuller, investigadores de los Laboratorios Telefnicos Bell, utilizaran silicio con impurezas en lugar de selenio para fabricar las celdas solares como una solucin para tener una fuente de energa en las instalaciones telefnicas de las reas rurales. As surgieron las primeras celdas solares que tenan una eficiencia de 15%. Una de las desventajas era su costo, que las haca inaccesibles. Por esto, cuando se empezaban a olvidar las celdas solares, a la NASA se le ocurri que la fuente ms indicada para los satlites espaciales seran las celdas solares y dedic mucho tiempo y dinero para perfeccionarlas y producirlas

Componentes de una planta solar fotovoltica:

Celdas solares

Las celdas solares convierten directamente la luz solar en electricidad, debido al efecto fotovoltaico. La luz est compuesta de fotones con diferentes energas. Cuando un fotn con energa suficiente choca con un tomo de algn material, por ejemplo el silicio, el tomo absorbe la energa del fotn y un electrn del material queda en un estado excitado por la energa absorbida, lo que permite, en algunos casos, que se mueva libremente. Si en lugar de uno son varios los electrones que circulan libremente, puede producirse una corriente elctrica bajo ciertas condiciones y, por lo tanto, generarse electricidad a partir de energa solar.

Para producir el efecto fotovoltaico se utilizan materiales semiconductores, es decir, aquellos que no son buenos conductores de la electricidad, como el cobre y la plata, y que tampoco sean buenos aislantes, como el corcho o la cermica. Un ejemplo de semiconductor son los materiales que se emplean en los transistores que posee cualquier radio. El silicio, por ejemplo, es un material semiconductor.

En los materiales semiconductores existe una regin que separa a la banda de valencia, en la cual los electrones estn ligados al ncleo atmico, de la banda de conduccin, en la que los electrones pueden circular libremente. Dicha regin se denomina banda prohibida. En los materiales aislantes sta es mayor de 5 eV (electrn-volt) y en los semiconductores, como el silicio es de 1.1 eV. Para lograr la conduccin se requiere que los electrones de la banda de valencia pasen a la de conduccin, y una forma de lograrlo es que los fotones de los rayos solares proporcionen la energa que se requiere para que los electrones salten la banda prohibida.

Si a un material semiconductor se le introduce una pequea proporcin de otro material, lo cual se denomina una impureza, se puede conseguir que se tenga un electrn de ms o de menos en la banda prohibida. Si esto ocurre cerca de la banda de conduccin, el material se denomina tipo n (por negativo). Y si el electrn de ms o de menos est cerca de la banda de valencia, el material se llama tipo p (por positivo).

Al juntar un semiconductor tipo n con uno tipo p, se presenta el efecto fotovoltaico, es decir, habr un flujo de huecos (falta de electrones) hacia el lado del semiconductor n y uno de electrones hacia el lado del semiconductor p. Los fotones provenientes del Sol llegan a la celda solar y la radiacin absorbida generar electrones en la banda de conduccin y huecos en la de valencia. Con ello, se generar una corriente elctrica del lado p al n y habr un voltaje.

Mdulo fotovoltico

Clulas de silicio monocristalino, policristalino, amorfo

Silicio Monocristalino: material de silicio caracterizado por una disposicin ordenada y peridica de tomo, de forma que solo tiene una orientacin cristalina, es decir, todos los tomos estn dispuestos simtricamente. Presentan un color azulado oscuro y con un cierto brillo metlico. Alcanzan rendimientos de hasta el 17%.

Silicio policristalino: silicio depositado sobre otro sustrato, como una capa de10-30 micrmetros y tamao de grano entre un micrmetro y 1 mm. Las direcciones de alineacin van cambiando cada cierto tiempo durante el proceso de deposicin. Alcanzan rendimientos de hasta el 12%.

Silicio amorfo: compuesto hidrogenado de silicio, no cristalino, depositado sobre otra sustancia con un espesor del orden de un micrmetro. No existe estructura cristalina ordenada, y el silicio se ha depositado sobre un soporte transparente en forma de una capa fina. Presentan un color marrn y gris oscuro. Esta tecnologa permite disponer de clulas de muy delgado espesor y fabricacin ms simple y barata, aunque con eficiencia del 6-8%. Su principal campo de aplicacin en la actualidad se encuentra en la alimentacin de relojes, calculadoras, etc.

Clulas solares de Capa fina

Para reducir los costos de produccin y salir de la posible escasez de silicio se empezaron a investigar e invertir en placas de otros materiales. A parte de paneles solares de capa fina consilicio (amorfas), se logr una importante reduccin de los costos usando otros elementos.

Los ms importantes son mdulos de capa delgada de cobre, indio y selenio o de cobre, indio, galio y selenio y mdulos de capa delgada a base de cadmio y telurio.

Se utilizan modernos procesos como por ejemplo tecnologas de imprenta que resultan en capas ultra finas usando menos materia prima, y consiguiendo eficiencias algo menores que en una clula fotovoltica de silicio amorfo pero con un costo mucho menor.

Sistemas fotovolticos de concentracin

Una fotopila de rea doble puede proporcionar el doble de intensidad de corriente elctrica. De aqu la tendencia observada a aumentar el dimetro de las fotopilas, siendo usual el tamao de 10 cm. de dimetro cuando hace algunos aos las mayores eran de 5 cm. de dimetro.

Otra manera deaumentar la intensidad de corriente (y con ello la potencia suministrada por la fotopila) es aumentar el valor de la irradiacin. Al aumentar el valor de la irradiacin, se aumenta el nmero de fotones que recibe la unidad de rea, con lo cual pueden crearse ms pares electrn-hueco y la intensidad de corriente aumenta.El aumentar el valor de la irradiacin mediante lentes o espejos lleva consigo el hecho de que la fotopila se caliente mucho ms; de ah que pueda ser necesaria su refrigeracin

Esquemas de sistemas autnomos

Este sistema se utiliza cuando se puede operar con corriente continua, por ejemplo en iluminacin, telecomunicaciones y sealizacin.

Si es necesario disponer de corriente alterna, se utiliza un sistema similar pero con un convertidor de corriente continua a alterna

Esquema de sistema conectado a la red

Estos sistemas estn compuestos por un generador fotovoltaico que se encuentra conectado a la red elctrica convencional a travs de un inversor, producindose un intercambio energtico entre sta y el sistema fotovoltaico. As, el sistema inyecta energa en la red cuando su produccin supera al consumo local, y extrae energa de ella en caso contrario

La diferencia fundamental entre un sistema fotovoltaico autnomo y los conectados a red, consiste en la ausencia del subsistema de acumulacin, formado por la batera y la regulacin de carga. Adems, el inversor, en los sistemas conectados a red, deber estar en fase con la con la tensin de la red.

Regulador de carga

El regulador tiene como funcin fundamental impedir que la batera contine recibiendo energa del colector solar una vez que ha alcanzado su carga mxima. Si, una vez que se ha alcanzado la carga mxima, se intenta seguir introduciendo energa, se inicia en la batera procesos de gasificacin (hidrlisis del agua en hidrgeno y oxgeno) o de calentamiento, que pueden llegar a ser peligroso y, en cualquier caso, acortara sensiblemente la vida de la misma. Otra funcin del regulador es la prevencin de la sobredescarga, con el fin de evitar que se agote en exceso la carga de la batera, dado que puede provocar una sensible disminucin en la capacidad de carga de la batera en sucesivos ciclos.

Dado que en la oscuridad la corriente podra fluir de las bateras a las fotoclulas, anteriormente se utilizaban diodos de bloqueo, que dejan pasar corriente en una sola direccin, pero actualmente estos reguladores tambin pueden incorporar sistemas que los sustituyan, con un costo menor.

Acumulador (Batera)

En las instalaciones fotovoltaicas lo ms habitual es utilizar un conjunto de bateras asociadas en serie o paralelo para almacenar la energa elctrica generada durante las horas de radiacin, para su utilizacin posterior en los momentos de baja o nula insolacin. Hay que destacar que la fiabilidad de la instalacin global de electrificacin depende en gran medida de la del sistema de acumulacin, siendo por ello un elemento al que hay que dar la gran importancia que le corresponde.

Es necesario recalcar que cuanto menos profundos sean los ciclos de carga/descarga, mayor ser la duracin del acumulador. Tambin es importante saber que, para la mayora de los tipos de bateras, un acumulador que queda totalmente descargado, puede quedar daado seriamente y perder gran parte de su capacidad de carga, para eso se utilizan los reguladores de carga.

Convertidor-Inversor

Un convertidor de corriente continua es un transformador que lleva la corriente de un voltaje menor a 110 220 voltios. La mayora de los mdulos fotovolticos comerciales tienen una tensin de salida de 12 voltios, y lo mismo para las bateras, por lo cual es muy comn conectar en paralelo varios mdulos a un regulador, que despus se conecta a una batera.

Durante el proceso de descarga, la corriente fluye de la batera hacia el convertidor, donde se pasara de los 12 voltios de la misma a los 220 necesarios para operar la mayora de los equipos elctricos domiciliarios.

Un inversor se utiliza para pasar de la corriente continua de bajo voltaje a alterna de voltaje domiciliario en un solo equipo. La eficiencia del inversor vara en funcin de la potencia consumida por la carga, es decir, por los equipos elctricos conectados. Esta variacin es necesario conocerla, sobre todo si la carga en alterna es variable a fin de que el punto de trabajo del equipo se ajuste lo mejor posible a un valor promedio especificado. Pueden trabajar automticamente, desconectndose y volviendo a rearmarse cuando haya o no equipos conectados.

Hay muchos equipos electrnicos, como televisores, radios, computadoras, que internamente utilizan 12 voltios de corriente continua, con lo cual podran transformarse por un tcnico y evitar el uso de un inversor.Seguidores solares

El seguidor solar es un aparato tecnolgico, cuya es aumentar la produccin de los paneles fotovoltaicos y otros dispositivos de concentracin por medio de sistemas mecnicos hidrulicos, elctricos y electrnicos que siguen la trayectoria del sol como lo hara un girasol, captando de este modo la mxima radiacin solar durante el mayor tiempo posible. Est conformado bsicamente por: una estructura de metal en la cual se puede montar el panel fotovoltaico cualquier otro dispositivo usado para captar la radiacin solar (estructura fsica); un mecanismo constituido por un reductor de velocidad acoplado a un motor de bajo consumo de energa (estructura mecnica) y; un circuito compuesto por microcomponentes de bajo costo, entre ellos transistores y elementos fotosensibles que son dispositivos fabricados especficamente para esa funcin y por lo tanto son los ms aptos para ejecutarla (estructura electrnica). Debido a que este aparato tecnolgico (seguidor solar) se orienta hacia el sol, las paredes fotovoltaicas se encuentran todo el da dirigidas directamente contra el sol y as notablemente aumenta su rendimiento.Aplicaciones de la energa solar fotovolticaEl carcter modular de los generadores fotovoltaicos implica que se pueden

constituir sistemas de suministro de energa elctrica en un amplsimo rango de potencia.

Aunque la Energa Solar Fotovoltaica se considera una forma cara de producir energa es, muy a menudo, en aplicaciones aisladas de la red, la solucin ms econmica de suministro elctrico.

Sistemas aislados

Aplicaciones de consumo

Interior: se utiliza la energa solar para recargar bateras de distintos equipos elctricos y electrnicos.

Exterior: se utiliza en dispositivos de carga, para impulsar las bombas de fuentes de agua, en linternas, luces de jardn, ventilacin en coches ( existen sistemas de ventilacin para extraer el aire caliente de un auto estacionado alimentados por energa solar) y barcosAplicaciones industriales

Telecomunicaciones (repetidores, estaciones base, centrales de comunicaciones mviles) , seales de trfico, telemtica, pantalla (existen pantallas de led autoalimentadas por energa solar o luz ambiente), luces para navegacin (boyas, faros) proteccin catdica (se utiliza una corriente elctrica para proteger caeras de oleoductos y gasoductos del efecto corrosivo del suelo), restaurantes y hoteles, refrigeracin de vacunas (existen pequeas heladeras alimentadas por energa solar para vacunas con cadena de fro.Aplicaciones remotas:

Alumbrado pblico, suministro a viviendas o poblados alejados de la red, purificacin de agua, riego, escuelas rurales.Sistemas conectados a la red elctrica

Descentralizados

Se instalan sistemas de energa solar fotovoltica en techos de casas particulares, para bajar el consumo de electricidad proveniente de la red, en escuelas y centros de formacin, y tambin se integran sistemas de energa solar en la fachada de edificios.Centralizados

Empresas de generacin de energa pblicas, colectivos de propietarios.Beneficios medioambientalesClima

La generacin de energa elctrica directamente a partir de la luz solar no requiere ningn tipo de combustin, por lo que no se produce polucin trmica ni emisiones de CO2 que favorezcan el efecto invernadero.

Geologa

Las clulas fotovoltaicas se fabrican con silicio, elemento obtenido de la arena, muy abundante en la naturaleza y del que no se requieren cantidades significativas. Por lo tanto, en la fabricacin de los paneles fotovoltaicos no se producen alteraciones en las caractersticas litolgicas, topogrficas o estructurales del terreno.

Suelo

Al no producirse ni contaminantes, ni vertidos, ni movimientos de tierra, la incidencia sobre las caractersticas fisico-qumicas del suelo o su erosionabilidad es nula. Aguas superficiales y subterrneas: No se produce alteracin de los acuferos o de las aguas superficiales ni por consumo, ni por contaminacin por residuos o vertidos.

Flora y fauna

La repercusin sobre la vegetacin es nula, y, al eliminarse los tendidos elctricos, se evitan los posibles efectos perjudiciales para las aves.

Paisaje

Los paneles solares tienen distintas posibilidades de integracin, lo que hace que sean un elemento fcil de integrar y armonizar en diferentes tipos de estructuras, minimizando su impacto visual. Adems, al tratarse de sistemas autnomos, no se altera el paisaje con postes y lneas elctricas.

Ruidos

El sistema fotovoltaico es absolutamente silencioso, lo que representa una clara ventaja frente a los generadores de motor en viviendas aisladas.

Medio social

El suelo necesario para instalar un sistema fotovoltaico de dimensin media, no representa una cantidad significativa como para producir un grave impacto. Adems, en gran parte de los casos, se pueden integrar en los tejados de las viviendas.

Eficiencia y costos

Las eficiencias de las clulas solares varan entre el 6% de aquellas basadas ensilicio amorfohasta el 45% de lasclulas multiunin.Las eficiencias de conversin de las clulas solares que se utilizan en los mdulos fotovoltaicos comerciales (de silicio monocristalino o policristalino) se encuentran en torno al 14-22%.

El costo de las clulas solares de silicio cristalino baj desde 76,67USD/vatio pico en 1977 hasta aproximadamente 0,74USD/vatio pico en 2013.

En 2011, el precio de los mdulos solares se redujo en un 60% desde el verano de 2008, colocando a la energa solar por primera vez en una posicin competitiva con el precio de la electricidad.

El costo medio de generacin elctrica de la energa solar fotovoltaica es ya competitivo con el de las fuentes convencionales de energa en una creciente lista de pases con buena cantidad de radiacin solar.

Se esperan mayores cadas del coste de la energa fotovoltaica en los prximos aos, lo que supone una creciente amenaza al dominio de las fuentes de generacin basadas en las energas fsiles. Bibliografa- Energa Solar Fotovoltica, Grupo Nuevas Actividades Profesionales, editado por el Colegio Oficial de Ingenieros en Telecomunicacin de Madrid.

- Curso de energa solar de la Universidad de Jan Grupo de Investigacin y Desarrollo en Energa Solar y Automtica

- El oro solar y otras fuentes de energa, Juan Tonda, editado por el Fondo de Cultura Econmica.

- Curso de Energa Solar, Ing. Jaume Ribot, editado por el Centro de Tecnologa Educativa.