La Energía Fotovoltaica

La posibilidad de convertir directamente la luz en electricidad fue descubierta por el físico Beckerel por medio del llamado efecto fotovoltaico. Merced al mismo, cuando un determinado material es iluminado con la parte visible del espectro solar parte de los electrones que configuran sus átomos absorben la energía que portan los fotones, se liberan de las fuerzas que los ligan al núcleo y adquieren libertad de movimiento.

Además, al salir de su estructura, el electrón deja un espacio o hueco que tiende a atraer a cualquier electrón que haya quedado libre. Así pues, los fotones de la luz han sido capaces de liberar una serie de electrones que se desplazan de su átomo hasta que el hueco creado en otro, los atrae y los fija de nuevo.

Para convertir este movimiento en una corriente eléctrica, es necesario conseguir que el movimiento de los electrones no sea errático sino direccionado, lo cual implica el crear un campo eléctrico en el seno del material. La forma más usual de crear ese campo eléctrico interno es impurificar el material con pequeñísimas cantidades de otros átomos (típicamente boro y fósforo).

El material al que venimos haciendo referencia ha de ser un material semiconductor y, de entre todos, el más utilizado es el silicio. Con los conceptos físicos ya determinados, sólo falta incorporar un sofisticado proceso constructivo que consiga crear una finísima capa de silicio impurificado con átomos de boro unida a otra capa similar esta vez con átomos de fósforo (esta unión es conocida como unión p-n) y con ello los electrones liberados tienden a desplazarse hacía el lado p (par positivo) y los huecos hacia el lado n (par negativo). Para completar la que ya podemos denominar célula solar basta con añadir unos contactos metálicos para extraer del semiconductor la corriente eléctrica.


En resumen, una célula solar puede ser considerada como una pila eléctrica inextinguible que genera unos 30 mA de corriente continua por cada cm2 de área a un voltaje de 0.45 V; la célula comercial estándar proporciona una corriente de 2.3 A y una potencia de 1 W.

La célula solar suministrará electricidad de forma proporcional a la intensidad de radiación solar que reciba. En el caso de estar a 25 ºC y recibir 1.000 W/m2 producirá una cantidad llamada potencia pico, que es la que se etiqueta con cada panel solar.

El voltaje varía poco y los 0.45 V por célula son casi constantes, pero la corriente varía linealmente con la cantidad de radiación que recibe.

Así nuestra célula capaz de mantener 1 W de potencia, mientras esté recibiendo la radiación típica del mediodía de un día soleado. En épocas nubosas cuando la radiación solar se viene abajo, el panel no deja de trabajar. Mientras haya luz la célula seguirá generando electricidad, aunque sea en menor cantidad.

El módulo solar

De la misma manera que para alimentar un aparato de radio hay que colocar varias pilas, para conseguir valores utilizables de voltaje, es preciso interconectar varias células solares.

Un módulo solar típico está constituido por alrededor de 50 células conectadas bajo un modelo que permite obtenerlos aproximadamente 15 voltios, necesarios para cargar una batería de 12 voltios y una potencia que oscila entre los 10 y los 200 W.

Existe una tendencia de los fabricantes a suministrar módulos más grandes y de mayor potencia, conforme se va desarrollando la tecnología de encapsulado de las células y de fabricación de los paneles. Mientras los paneles de los postes de socorro (SOS) de las autovías tienen una potencia de una decena de vatios, los de la instalación del Centro educativo son de 106 W.

No menos importante que incrementar el voltaje es la función de encapsulado que cumple el módulo; da rigidez mecánica a las frágiles y delgadas células y protege de las inclemencias atmosféricas a sus delicados contactos metálicos. La forma hoy en día más utilizada para cumplir estas funciones es colocar las células entre una lámina de vidrio y otra de un material plástico (EVA), rodeado todo de un marco de aluminio.

Se estima que la vida de tales módulos es superior a 20 años. De hecho hay operando instalaciones con módulos que tienen más de 30 años sin que se les haya detectado una pérdida de rendimiento significativa. No todo el área ocupada por el módulo está cubierta con células solares y además existen ligeras pérdidas eléctricas debidas a la asociación en serie; como resultado la eficiencia típica de los módulos es de un 10-12%. Con este valor de eficiencia se puede calcular el área de módulos (conectados en paralelo y en serie) que se necesitan para producir una determinada cantidad de energía: con 1 m2 de superficie de paneles expuestos a esa radiación de 1.000 W/m2 que consideramos óptima del mediodía de un día claro y soleado se obtendrá por ejemplo1.000 W/m2 x 1m2 x 0,10 =100 W.

Sumando la producción del panel a lo largo del tiempo en el que produce sus diversas potencias, tendremos la energía que será capaz de suministrar ese panel. La asociación en serie de paneles y éstos en ramas se conoce como generador.

Instalaciones aisladas

Las instalaciones fotovoltaicas se distinguen por el modo de suministrar la electricidad al usuario. Históricamente las instalaciones fotovoltaicas daban servicio a lugares que no disponían de la conexión de la red. Esas instalaciones, aún muy comunes, se conocen como instalaciones aisladas. El equipo solar tiene que producir la electricidad que va a necesitar el usuario, bien sea una casa, un repetidor de televisión o una isla.
 

Recientemente, los equipos fotovoltaicos han abierto la puerta del suministro directo a la red eléctrica. El tipo de instalación es distinta porque así lo es el usuario y las condiciones del suministro.

Una instalación aislada se compone de una serie de equipos conectados tal como muestra la figura 1. En ella se observa que el suministro puede realizarse bien a corriente continua (CC), típicamente 12 ó 24 V, o bien a corriente alterna (CA) utilizando para ello un inversor.
Habiendo analizado en el capítulo anterior el funcionamiento del elemento vital de la instalación que es el módulo, repasaremos los detalles más importantes del resto de los componentes.

Instalaciones conectadas a red

Una instalación conectada a red es aquella que vierte toda la energía que genera a la red eléctrica de distribución, de manera que esté disponible para cualquier usuario de la misma.

La ventaja de este tipo de instalaciones es la simplicidad del sistema, al eliminar las baterías para acumulación de energía, que suelen ser la parte más cara y compleja del sistema. Un sistema fotovoltaico conectado a red estará compuesto por el generador fotovoltaico, el inversor, las protecciones y los contadores.

Para que sea posible esta conexión con la red, la energía que producimos debe ser de las mismas características que la existente en la red, además de cumplir unos requisitos de seguridad para evitar daños a la red y viceversa.

Como nuestros módulos fotovoltaicos producen corriente y tensión continua, deberemos convertirla en corriente y tensión alterna idéntica a la de la red en el punto de conexión.

De esto se encarga el inversor, un aparato que realiza esa conversión y normalmente vigila que la tensión y la frecuencia estén dentro de los márgenes legales. Además suele incorporar otros equipos que desconectan la instalación en caso de no detectar tensión en la red, en caso de pérdida de aislamiento, o al detectar cualquier otro mal funcionamiento.

Otras protecciones, además de los vigilantes de tensión y frecuencia, son los diferenciales y magnetotérmicos. Los diferenciales protegen contra contactos directos, y los magnetotérmicos protegen el sistema contra sobrecargas, evitando que se dañe algún equipo o el cableado.

Por último los contadores, uno de entrada y otro de salida, se encargan de cuantificar la energía que hemos inyectado en la red y la que hemos consumido en la instalación, para poder facturar a la compañía eléctrica la energía realmente vertida en la red.
 

Es importante no confundir este contador de entrada de la instalación con el contador de entrada del lugar donde se sitúe la instalación. Por un lado pagaremos lo que consumamos en nuestra casa, centro, etcétera y por otro cobraremos lo que produzca nuestra instalación.