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Fuentes de Energía Renovables

Energía Solar Fotovoltaica

La energía solar fotovoltaica es uno de los dos tipos de energía solar que hemos mencionado en este blog. Es ciertamente el tipo de energía cuyo crecimiento ha sido más acelerado durante los últimos años, llegando en el 2015 a una capacidad instalada mundial de 227 gigawatts.

planta fotovoltaica moquegua
La Central Solar Moquegua FV, en Perú

¿Qué es la energía solar fotovoltaica?

La energía solar fotovoltaica consiste en la transformación directa de la radiación solar en energía eléctrica mediante un dispositivo especial llamado “celda fotovoltaica“. Todo esto gracias a un fenómeno llamado “efecto fotoeléctrico“, del cual hablaremos más adelante.

¿Cómo funciona la energía solar fotovoltaica?

La energía solar fotovoltaica funciona a través de celdas fotovoltaicas, las cuales utilizan el efecto fotoeléctrico para generar energía eléctrica de manera directa.  Pero, ¿cómo funciona exactamente una celda fotovoltaica?

Cuando una celda fotovoltaica es expuesta a la luz solar, un fotón de luz le otorga suficiente energía a un electrón como para que este se separe del átomo -fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico-, este electrón deja un espacio vacío el cual es llenado por otro electrón. Cuando la cantidad de electrones desprendidos es lo suficientemente grande, se genera una corriente eléctrica.

Entonces, cuando se tiene un número elevado de celdas fotovoltaicas se puede producir una corriente significativa. Cabe recalcar que la electricidad producida por estos sistemas está dada en corriente continua. Por ello para alimentar cargas en corriente alterna es necesario el uso de un inversor. De la misma manera, la energía solar fotovoltaica al ser convertida en energía eléctrica sólo puede ser utilizada durante el día, si se quisiera utilizar durante la noche se tendría que instalar un sistema de baterías solares para almacenar la energía generada durante el día.

Celdas solares fotovoltaicas

Las celdas o células solares fotovoltaicas son dispositivos construidos para convertir la energía solar en electricidad. La conversión se da directamente a través del efecto fotoeléctrico. Las celdas solares en la actualidad tiene como principal componente el silicio. La principal propiedad del silicio y por la cual es utilizada en las celdas solares, es que es un material semiconductor.

Para entender cómo funciona una celda solar fotovoltaica necesitamos primero saber cómo está conformada y cómo esta interactúa con la luz solar:

Las celdas solares están formadas por dos tipos de material, generalmente silicio tipo p (positivo) y silicio tipo n (negativo). La capa tipo “n” está conformada por silicio combinado con fósforo (el cual tiene una cantidad de electrones mayor), y la capa tipo p por silicio con pequeñas cantidades de oro (elemento con menos electrones que el silicio). Esto genera una diferencia de electrones entre ambas capas.

celda fotovoltaica
Esquema de una celda fotovoltaica

La influencia de la energía solar en todo esto es que, si un fotón de luz solar contiene energía suficiente, este puede obligar a un electrón a pasar de la capa positiva hacia la capa negativa, generando un flujo de electrones entre ambas capas. A estos electrones arrancados no les queda otra alternativa que ir a través del circuito conectado para regresar otra vez a la capa positiva y así “recombinarse”. Entonces, mientras haya luz solar este proceso se dará de manera continua, y se producirá electricidad.

Si quieres aprender más a fondo sobre las celdas solares fotovoltaicas, te recomendamos visitar nuestro artículo sobre Celdas Solares.

Sistema de energía solar fotovoltaica

Un sistema de energía solar fotovoltaica consiste en integrar los paneles solares junto con otros componentes para que esta energía eléctrica pueda aprovecharse para diferentes fines. Sus componentes principales son:

Paneles Solares Fotovoltaicos

Los paneles solares fotovoltaicos son un conjunto de celdas fotovoltaicas conectadas entre sí para brindar una mayor potencia eléctrica. Estos vienen en diferentes voltajes y corrientes. Los tipos más conocidos son: Monocristalinos, Policristalinos y Amorfos o de capa fina. También puedes visitar nuestro post sobre paneles solares fotovoltaicos, en donde hablamos de los tipos, cómo funcionan y qué precios tienen los paneles fotovoltaicos.

Paneles Solares Monocristalinos

Son la tecnología más eficiente de las tres. Los paneles  solares monocristalinos están constituidos, tal y como su nombre lo dice, por celdas fotovoltaicas de un único cristal de silicio de alta pureza. Estas planchas de silicio tienen normalmente entre 1/3 a 1/2 milímetro de espesor y se cortan de un gran lingote de silicio fabricado alrededor de los 1400°C. Por su gran pureza y la complejidad de su fabricación esta tecnología es la más costosa. Sin embargo, es la más eficiente, alcanzando eficiencias de entre 15 y 21%. Se pueden distinguir pues sus celdas tienen la forma de un octágono.

panel solar monocristalino
Panel solar monocristalino (sus celdas son octogonales).

Paneles Solares Policristalinos

panel solar policristalino
Panel solar policristalino

Los paneles solares policristalinos están constituidos de céldas policristalinas. Estas celdas policristalinas son fabricadas mediante un proceso de moldeo en el cual el silicio fundido se vierte en un molde y se deja solidificar. Estas planchas hechas por moldeo son mucho más fáciles de producir, sin embargo debido a que sólo se le deja asentar sin mayor control, presentan imperfecciones y no son de una pureza alta.

Su costo es menor al de los monocristalinos, sin embargo su eficiencia es es de entre 13 y 18%. Además, son más pesados y por ser menos eficientes requieren un mayor tamaño para generar la misma energía que un monocristalino.

Paneles Solares Amorfos

panel solar amorfo
Celda fotovoltaica amorfa

Las celdas de los paneles solares amorfos están hechas de silicio amorfo y su eficiencia es de alrededor del 10%. El silicio amorfo es una de las tecnologías de lámina delgada y es creado depositando silicio sobre un substrato de vidrio de un gas reactivo tal como silano (SiH4). Este tipo de célula solar se puede aplicar como película a substratos del bajo costo tales como cristal o plástico.

Las celdas de lámina delgada tienen muchas ventajas incluyendo una deposición y un ensamblado más fácil, la capacidad de ser depositadas en materiales de más baratos que el silicio y su facilidad para ser producidas en masa. Es por ello que su costo es el más barato de entre todos, sin embargo, es el menos eficiente.

Controlador de Carga Solar

controlador de carga solar
Esquema de un controlador de carga solar

El controlador de carga es el que se encarga de distribuir la energía producida por los paneles solares hacia las baterías (si hubiera) o hacia el sistema de distribución o cargas. El controlador de carga también sirve para desconectar el panel una vez este deje de producir energía en horas de la noche. Además, funciona como un regulador de voltaje para la carga de las baterías y la entrada al inversor solar.

Baterías Solares

Las baterías solares son baterías especiales diseñadas para tener un mayor tiempo de vida que las convencionales. La función de las baterías es almacenar la energía sobrante producida por los paneles durante el día, y liberarla durante la noche cuando no hay producción. Dependiendo de la potencia requerida por el sistema estas pueden ser de múltiples capacidades.

baterias solares fotovoltaicas
Conjunto de baterías para acumular la energía

Un dato importante acerca de las baterías solares es su amplia profundidad de descarga. En las baterías los ciclos de carga y descarga son un indicador del tiempo de vida de las mismas: si una batería es descargada y cargada constantemente, su tiempo de vida se va acortando cada vez más y más. En el caso de las baterías solares es importante que puedan soportar varios ciclos de carga y descarga debido a que van a ser utilizadas constantemente.

Inversor solar

inversor solar
Inversor Solar

Recordemos que los paneles solares producen energía en corriente continua (cc). Sin embargo, la mayoría de cargas en una vivienda son en corriente alterna. Entonces necesitamos un dispositivo que convierta la electricidad en corriente continua a alterna: el inversor. El inversor es entonces quien recibe la corriente en cc y al voltaje de los paneles y la convierte en alterna al voltaje de la red.

Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica

Energía solar fotovoltaica para viviendas

Una intalación fotovoltaica para viviendas es utilizado para satisfacer las necesidades de energía eléctrica en un hogar. Esta satisfacción puede ser parcial o total y para ello se utilizan diferentes tipos de instalaciones:

Instalación Solar Fotovoltaica Aislada

sistema fotovoltaico aislado
Sistema fotovoltaico aislado de la red

Una instalación fotovoltaica aislada es, tal cual su nombre indica, una sistema pequeño separado completamente de la red eléctrica. En este caso la energía solar fotovoltaica abastece al 100% las necesidades de energía eléctrica de la vivienda. Las instalaciones de este tipo son utilizadas generalmente en zonas rurales a donde las líneas de electricidad no llegan.

Estos sistemas son más costosos debido a que requieren baterías solares para poder almacenar energía y utilizarla durante la noche. Sin embargo, son alternativas eficaces para lograr electrificar zonas aisladas que de otra forma sería imposible atender.

Instalación Solar Fotovoltaica Conectada a la Red

Una instalación solar fotovoltaica a la red es la alternativa utilizada dentro de muchas ciudades actualmente. En este sistema se utiliza una combinación de la energía solar fotovoltaica y la red eléctrica para atender las necesidades energéticas de una vivienda.

Estos sistemas utilizan los mismos componentes ya mencionados a excepción de las baterías. Sin embargo necesitan un dispositivo conmutador especial que permita disponer tanto de la energía de los paneles como la energía de la red. Este dispositivo es llamado conmutador y que en estos sistemas comúnmente viene fusionado con el inversor y el controlador en un sólo dispositivo.

sistema fotovoltaico interconectado
Esquema de un sistema fotovoltaico interconectado

Planta Fotovoltaica

Una planta fotovoltaica es una agrupación masiva de paneles solares fotovoltaicos que producen una gran cantidad de energía la cual es vendida e inyectada a la red. Este sistema de generación agrupa una inmensa cantidad de paneles solares puestos en serie y en paralelo. La energía de estos paneles es luego convertida a corriente alterna mediante grandes inversores y luego de ser regulada, es inyectada al sistema de transmisión.

Actualmente el la planta fotovoltaica más grande del planeta es el Kurnool Ultra Mega Solar Park en India, el cual cuenta con una potencia de 1000 megavatios. Este parque tiene una extensión de 2400 hectáreas y requirió una inversión de 1100 millones de dólares. Su instalación requiere de más de 4 millones de paneles solares con una capacidad de 315 vatios cada uno.

planta fotovoltaica de kurnool
La planta fotovoltaica más grande del mundo: Kurnool, India

Ventajas y desventajas de la energía solar fotovoltaica

Ventajas de la energía solar fotovoltaica

sistema fotovoltaico aislado
Electrificación rural con energía solar
  • Por ser una energía renovable, el recurso es ilimitado y no se agotará jamás.
  • Es amigable con el medio ambiente ya que su producción no emite gases contaminantes ni otro tipo de emisión.
  • Requiere poco mantenimiento y además este es sencillo.
  • Sus costos de operación son muy bajos, sólo requiere monitoreo.
  • Los paneles solares tienen un tiempo de vida de alrededor de 20 años. Suficientes para recuperar la inversión.
  • Se pueden integrar a cualquier tipo de estructura, nueva o existente.
  • Se pueden realizar arreglos de varias potencias, colocando más o menos paneles de diferentes potencias.
  • Su costo ha ido disminuyendo con el tiempo y el avance de la tecnología, y todo indica que así seguirá.
  • Permite obtener energía eléctrica de manera sencilla en zonas donde no puede llegar la red eléctrica.
  • Su uso no genera ningún tipo de ruido y no perturba el ambiente.

Desventajas de la energía solas fotovoltaica

  • Tienen un costo de instalación elevado.
  • Se necesitan grandes extensiones de terreno para generar gran cantidad de energía.
  • Las baterías solares convencionales necesitan cambiarse cada tres o cuatro años, lo cual implica un costo extra. Y las nuevas tecnologías como las baterías de litio son aún demasiado costosas.
  • Está supeditada al clima, en días lluviosos o nublados la producción será muy baja e incluso nula.

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Comentarios (2)

Buenos dia,
estoy buscando una empresa en Republica Dominicana que trabaja en el area de fotovoltaico que necesita de project manager, o vendedores tecnico.
Gracias por su atencion.
Madeleine Caribe
Angelo Bruzzone

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Quiero hacer el curso

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