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  Energía Solar Fotovoltaica  
     
  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.

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

cell_solar
 

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.

 

celda-solar

Estructura y funcionamiento de una célula fotovoltaica, que transforma en electricidad la energía 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.
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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%).

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).
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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

sistema_fotovoltaico
 

Módulos o paneles fotovoltaicos, que son los que reciben las radiaciones solares y las convierten en una corriente électrica continua. Ver también "Descripción de Paneles Solares"

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). Nosa 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.

Baterías especiales (Baterías Solares), ya que como hemos dicho están sometidas a continuos ciclos de carga y descraga.

Inversor (también llamado convertidor), 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 mayória 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.

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.

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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.
 
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