Considerados como una fuente de energía alternativa prometedora durante décadas, los paneles solares coronan los techos y los letreros en las carreteras. Pero, ¿cómo funciona la energía solar fotovoltaica?
En pocas palabras, funciona al permitir que los fotones, o partículas de luz, liberen a los electrones de los átomos, generando un flujo de electricidad. En realidad, los paneles solares comprenden muchas unidades más pequeñas llamadas células fotovoltaicas.
¿Qué es la energía fotovoltaica?
El término “fotovoltaica” proviene de la palabra griega “phos”, que significa “luz”, y de “volt”, la unidad de fuerza electromotriz, el voltio. Significa que convierten la luz solar en electricidad. Muchas células conectadas entre sí forman un panel solar.
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El efecto fotovoltaico fue descubierto por primera vez por Edmund Bequerel, un físico francés, en 1839. Bequerel descubrió que ciertos materiales podían producir pequeñas cantidades de corriente eléctrica cuando estaban expuestos a la luz.
Luego, en 1095, la investigación ganadora del Premio Nobel de Albert Einstein describió la naturaleza de la luz y el efecto fotoeléctrico en el que se basa la tecnología fotovoltaica.
Sin embargo, no fue hasta 1954 cuando Bell Laboratories construyó el primer módulo fotovoltaico como una “batería solar”. Esto se debe a que era demasiado caro para que el módulo ganara tracción y se utilizara en aplicaciones generalizadas.
Las células solares pronto se utilizaron para alimentar satélites espaciales y elementos más pequeños como calculadoras y relojes. Hoy en día, la electricidad de las células solares se ha vuelto competitiva en costos en muchas regiones y los sistemas fotovoltaicos se están implementando a gran escala para ayudar a alimentar la red eléctrica.
¿Cómo funciona la energía fotovoltaica?
La tecnología fotovoltaica utiliza semiconductores para producir energía basada en el efecto fotoeléctrico. Si fotones de luz (ya sean naturales o artificiales) con suficiente energía penetran en una celda fotovoltaica, pueden excitar los electrones a un estado de mayor energía.
De hecho, los electrones de un semiconductor que normalmente no están libres, se liberarán y actuarán como si estuvieran en un material conductor.
Estos electrones libres se pueden capturar, lo que da como resultado una corriente eléctrica que se puede utilizar para producir electricidad. Cuanta más luz se absorba, más electricidad producirá la energía fotovoltaica.
Entonces, al utilizar el fenómeno fotovoltaico, podemos convertir fácilmente la energía solar en electricidad y usarla como una alternativa a los medios tradicionales de generación de energía.
¿Cómo funciona la tecnología fotovoltaica?
Los fotones golpean e ionizan el material semiconductor en el panel solar, lo que hace que los electrones externos se liberen de sus enlaces atómicos. Debido a la estructura del semiconductor, los electrones se fuerzan en una dirección creando un flujo de corriente eléctrica.
Las células solares no son 100% eficientes en células solares de silicio cristalino, en parte porque solo se puede absorber cierta luz dentro del espectro. Parte del espectro de luz se refleja, parte es demasiado débil para generar electricidad (infrarrojos) y parte (ultravioleta) crea energía térmica en lugar de electricidad.
¿Son iguales los paneles solares y la energía fotovoltaica?
Los paneles solares y los sistemas fotovoltaicos son sinónimos. Si varias células solares están conectadas eléctricamente entre sí dentro de una estructura de soporte, se fabrica un módulo fotovoltaico.
Puedes conectar las células solares de dos formas diferentes: en serie y en paralelo. De esta manera, los módulos fotovoltaicos se pueden fabricar a diferentes voltajes para diferentes aplicaciones.
La combinación de varios módulos (o paneles) fotovoltaicos se denomina sistema fotovoltaico. Los paneles solares producen corriente continua, pero con un inversor solar, puede convertirlo en corriente alterna (CA), que se utiliza para electrodomésticos.
Tipos de tecnología fotovoltaica
El panel solar fotovoltaico es el componente principal de un sistema fotovoltaico. Si bien todos estos sistemas tienden a verse muy similares, la tecnología fotovoltaica en el corazón de estos paneles puede variar. Estos incluyen:
Paneles fotovoltaicos de silicio monocristalino
Los paneles solares monocristalinos son los paneles solares más populares que se utilizan en las instalaciones de paneles solares en tejados en la actualidad.
Las células solares de silicio monocristalino se fabrican utilizando algo llamado método de Czochralski, en el que se coloca un cristal “semilla” de silicio en una cuba fundida de silicio puro a alta temperatura.
Este proceso forma un solo cristal de silicio, llamado lingote, que se corta en finas obleas de silicio que luego se utilizan en los módulos solares.
Hoy en día, hay varias variedades de paneles solares monocristalinos en el mercado para elegir. Las células de emisor pasivado y de contacto posterior, más comúnmente denominadas células PERC, se están convirtiendo en una opción monocristalina cada vez más popular.
Las celdas PERC pasan por un proceso de fabricación y ensamblaje diferente que aumenta la cantidad de electricidad que pueden producir las celdas.
Paneles fotovoltaicos de silicio policristalino
Los paneles policristalinos, a veces denominados “paneles multicristalinos”, son populares entre los propietarios de viviendas que buscan instalar paneles solares con un presupuesto limitado.
Al igual que los paneles monocristalinos, los paneles policristalinos están hechos de células solares de silicio. Sin embargo, el proceso de enfriamiento es diferente, lo que hace que se formen múltiples cristales, en lugar de uno.
Las células policristalinas suelen ser más baratas de producir que las células monocristalinas debido al proceso de fabricación mucho más sencillo. Sin embargo, esto tiene un costo de eficiencia que se sitúa en torno al 12%.
Paneles fotovoltaicos de silicio amorfo (“película delgada”)
Las células solares de película delgada se utilizan principalmente en instalaciones solares industriales y de servicios públicos a gran escala debido a sus índices de eficiencia más bajos.
Los paneles solares de película delgada se fabrican depositando una capa delgada de una sustancia fotovoltaica sobre una superficie sólida, como el vidrio. Algunas de estas sustancias fotovoltaicas incluyen silicio amorfo (a-Si), seleniuro de cobre, indio, galio (CIGS) y telururo de cadmio (CdTe). Cada uno de estos materiales crea un “tipo” diferente de panel solar, sin embargo, todos caen bajo el paraguas de las células solares de película delgada.
Durante el proceso de fabricación, la sustancia fotovoltaica forma una lámina fina y ligera que, en algunos casos, es flexible.
Ventajas de la energía solar fotovoltaica
- Los paneles fotovoltaicos proporcionan energía limpia y verde. Durante la generación de electricidad con paneles fotovoltaicos no hay emisiones de gases de efecto invernadero nocivas, por lo que la energía solar fotovoltaica es respetuosa con el medio ambiente.
- La energía solar es energía suministrada por la naturaleza, por lo que es gratuita y abundante.
- La energía solar puede estar disponible en casi cualquier lugar donde haya luz solar.
- La energía solar es especialmente apropiada para redes de energía inteligente con generación de energía distribuida.
- El costo de los paneles solares se está reduciendo rápidamente y se espera que continúe reduciéndose durante los próximos años; en consecuencia, los paneles solares fotovoltaicos tienen un futuro muy prometedor tanto para la viabilidad económica como para la sostenibilidad ambiental.
- Los costos de operación y mantenimiento de los paneles fotovoltaicos se consideran bajos, casi insignificantes, en comparación con los costos de otros sistemas de energía renovable.
Desventajas de la energía solar fotovoltaica
- Como en todas las fuentes de energía renovable, la energía solar tiene problemas de intermitencia; no brilla por la noche pero también durante el día puede haber tiempo nublado o lluvioso.
- En consecuencia, la intermitencia y la imprevisibilidad de la energía solar hacen que los paneles de energía solar sean una solución menos confiable.
- Los paneles de energía solar requieren equipos adicionales (inversores) para convertir la electricidad directa (CC) en electricidad alterna (CA) para poder ser utilizados en la red eléctrica.
- Para un suministro continuo de energía eléctrica, especialmente para conexiones a la red, los paneles fotovoltaicos requieren no solo inversores sino también baterías de almacenamiento; aumentando considerablemente el coste de inversión de los paneles fotovoltaicos.
- En el caso de instalaciones de paneles fotovoltaicos montados en tierra, requieren áreas relativamente grandes para su despliegue, por lo general, el espacio de la tierra se compromete para este propósito por un período de 15 a 20 años, o incluso más.
- Aunque los paneles fotovoltaicos no tienen costos considerables de mantenimiento u operación, son frágiles y pueden dañarse con relativa facilidad.
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