Energía solar fotovoltaica

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La energía solar fotovoltaica básicamente consiste en la transformación directa de la radiación solar en electricidad. Esta transformación se produce debido a la incidencia de la radiación solar sobre materiales semiconductores presentes en las llamadas células fotovoltaicas.

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Reseña histórica 

becquerelLa historia de la energía solar fotovoltaica se remota desde el descubrimiento del fenónemo efecto fotovoltaico en el año 1839 por el francés Alexandre Edmond Bequerel (izquierda) cuando éste experimentaba con una pila de electrolítica en la que observó el incremento de corriente eléctrica a causa de la exposición a la luz solar. Éste científico generó importantes aportes en el estudio de la electricidad y en óptica que lo catalogan como el padre de la energía solar fotovoltaica.Willoughby Smith

Porteriormente, en el año 1873 este mismo fenómeno se descubre en los sólidos por el ingeniero eléctrico inglés Willoughby (derecha) Smith al experimentar con el selenio que más adelante permitió el desarrollo de las células fotoeléctricas.

De esta manera, años más tarde en 1877 en Inglaterra se desarrolló la primera célula fotovoltaica de selenio por parte del profesor inglés William Grylls Adams en colaboración de su alumno Richard Evans al experimentar con los mismos barrotes de selenio que Willoughby Smith había utilizado, observando que la acción de la luz generaba electricidad. Si bien este experimento generó que la cantidad de electricidad fuera muy reducida y que además para la época quedaba descartada por completo cualquier aplicación práctica, se demostraba la posibilidad de transformar la luz solar en electricidad por medio de elementos sólidos.

charlesSin embargo, no fue sino hasta 1883 que el estadounidense Charles Edgar Fritts (izquierda) construyó el primer módulo solar real a partir de una lámina de cobre que recubrió con selenio y una capa extremadamente delgada de oro. Las celdas resultantes tenían una eficiencia de solo el 1% debido a las propiedades del selenio. Además del costo del selenio y el alto costo del oro, hizo que estas primeras celdas solares no fueran comercialmente factibles para la época.

eisteinCabe resaltar un hecho importante que se dió a finales del siglo XIX e inicios del siglo XX, cuando el físico alemán Albert Einstein (derecha) consiguió dar la explicación teórica del efecto fotoeléctrico en un artículo publicado en 1905 por el cual recibe el premio nobel en 1921; un fenómeno descubierto por Heinrinch Hertz en 1887 que no podía ser explicado en términos comprensibles debido a que no se conocía en profundidad sobre la interacción de la luz con la materia. Esta novedosa descripción permitió comprender la acción de la luz solar sobre diferentes materiales semiconductores para generar una transformación en energía eléctrica fénomeno también denomidado efecto fotovoltaico.

Bell Labs Solar CellLa posibilidad de una aplicación práctica y más moderna de las primeras celdas solares no se dió  sino en abril de 1954 cuando los investigadores: Gerald Pearson, Daryl Chapin y Calvin Fuller (izquierda) del laboratorio Bell en Nueva Jersey, E.E.U.U. construyeron la primera celda solar a base de silicio dando pie al término "célula solar" como consecuencia de una investigación con trasistores, lograron adquirir una eficiencia de solo el 6%, que era comparable con el rendimiento de un motor de gasolina típico en ese momento.

También generaba suficiente electricidad para hacer funcionar pequeños dispositivos eléctricos. Los científicos de Bell creían que la eficiencia podría elevarse al 10% mediante diferentes técnicas de ingeniería. De esta manera, inició una nueva era tecnológica que aprovechaba la energía del sol por medio de células solares cada vez más sofisticadas y que incluso sus primeras aplicaciones se dieron en satélites espaciales lanzados por E.E.U.U. y la unión soviética en la década de los 50.

 

Aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica

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Este tipo de energía solar se usa para alimentar dispositivos como las células y paneles solares; su funcionamiento se explica por medio del efecto fotoeléctrico para convertir esta radiación en energía electrica que puede ser utilizada para abastecer viviendas, edificaciones o para producir electricidad a gran escala a través de redes o conexiones de distribución. Debido a la creciente demanda de energías renovables, la fabricación de células y paneles solares ha avanzado exponencialmente en los últimos años. A continuación, se muestran los principales sistemas fotovoltaicos que se emplean para aprovechar la energía del sol:

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CELDA O CÉLULA SOLAR

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Una célula fotoeléctrica también conocida como celda solar, es un dispositivo electrónico que funciona principalmente a base de silicio, (un semiconductor muy abundante en la Tierra) que está formada por varias láminas de este material y recubiertas de un vidrio transparente con el fin de evitar pérdidas de calor.

Tienen como finalidad, transformar la energía lumínica que emite fotones en energía eléctrica, generada por el movimiento o flujo de electrones mediante el mencionado efecto fotoeléctrico. El silicio como material semiconductor (generalmente tipo p y tipo n), absorbe fotones de luz y emiten electrones, que al ser liberados generan como resultado una corriente eléctrica.

 

Tipos de células fotovoltaicas

 

Celulas fotovoltaicas

Figura 1. Tipos de células fotovoltaicas

 

Para la fabricación de células solares, existen varios tipos de materiales que son utilizados dependiendo de su naturaleza y características. Algunos de ellos son el germanio (Ge) y el selenio (Se), sin embargo el tipo más común es el silicio cristalino (Si), donde este material semiconductor se clasifica teniendo en cuenta su estructura interna. En la figura 1, se muestran los tres principales tipos de células fotovoltaicas: monocristalino, policristalino y amorfo.

  • Células de silicio monocristalinas:

Estas células están formadas por un gran monocristal de silicio puro, cuya estructura atómica está bien ordenada, por cual son considerados lo más complejos de construir lo cual aumenta su precio, sin embargo son las células más eficientes donde su rendimiento puede variar entre un 15 % y 18 %.  Figura 2. 

 

monocristalina

Figura 2. Célula de silicio monocristalina

 

  • Células de silicio policristalinas: 

Se componen de un gran número de cristales de silicio. A diferencia de las células monocristalinas, su estructura atómica es menos ordenada lo que indica que son menos eficientes con un redimiento que varía entre el 12% al 15% lo que ofrece actualmente un costo más económico. Figura 3. 

policristalina

Figura 3. Célula de silicio policristalina

 

  • Células de silicio amorfas:

Son consideradas las células fotovoltaicas de fabricación más sencilla, económica y rentable, debido a que sólo se necesita poco material para su elaboración; sin embargo son las células fotovoltaicas menos eficientes en relación con las monocristalinas y policristalinas, donde su rendimiento es inferior al 10%, debido a que su estructura atómica se presenta muy desordenada. Figura 4.

amorfaFigura 4. Célula de silicio amorfa

Enlaces complementarios

Los siguientes enlaces direccionan a diferentes artículos, libros, revistas, etc. que le proporcionarán mayor información sobre células solares:

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Construya su propia celda solar casera

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PANEL SOLAR

panel solar

 

Un panel solar es un dispositivo que está construido gracias a una conexión en serie o paralelo de varias células o celdas solares idénticas entre sí que se encuentran encajadas y protegidas, de tal manera que se puede manejar según las necesidades que vaya a cubrir el panel, la tensión y la corriente que este tenga. La mayoría de estos paneles, se construyen uniendo primero las células en serie, hasta alcanzar el nivel de tensión deseado y posteriormente conectando estos grupos de células en paralelo para poder conseguir la corriente necesaria. En la figura 5, me muestran las principales características que componen a un panel solar.

 

panel solar partes

Figura 5. Constitución de un panel solar

 

Aplicaciones del panel solar fotovoltaico

El desarrollo inicial de estos sistemas fue producto de las necesidades de  la  técnica  e  investigación  espaciales,  convirtiéndose  en  la  forma  más común y fiable de suministrar energía eléctrica a una sonda o satélite. Las células fotovoltaicas pueden emplearse solas como en el caso de relojes, calculadoras, etc. o formando paneles solares los cuales se clasifican en dos grandes grupos, de acuerdo a su uso, según estén diseñados para ser empleados lejos de la red eléctrica (aislados), o para el abastecimiento directo  de  la  misma  red  (conectados). Figura 6.

Entre  las  aplicaciones  aisladas  más comunes cabe mencionar: electrificación de cercas, sistemas de bombeo de agua y riego, iluminación de diferentes recintos, alumbrado público, antenas de telefonía, electrificación de viviendas, etc.; para garantizar el abastecimiento  nocturno  o  en  periodos  de  poca  radiación  es  necesario  recurrir  a dispositivos de acumulación de energía como las baterías.

 

red electrica

Figura 6. Instalación fotovoltaica conectada a la red

 

Enlaces complementarios

Los siguientes enlaces direccionan a diferentes artículos, libros, revistas, etc. que le proporcionarán mayor información sobre paneles solares:

Referencias

 

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