Energía solar fotovoltaica: Energía limpia y fiable para un futuro sostenible

Energía solar fotovoltaica

La energía solar fotovoltaica (FV) es un método de generación de energía eléctrica que convierte la radiación solar en corriente continua mediante semiconductores que exhiben el efecto fotovoltaico. Es una fuente renovable y sostenible, y actualmente la tercera más importante en capacidad instalada global tras la hidroeléctrica y la eólica.

Las celdas solares, o celdas fotovoltaicas, convierten directamente la energía solar en electricidad. El término "fotovoltaico" proviene de la conversión de luz (fotones) en electricidad (voltaje), conocida como "efecto fotovoltaico (FV)". Este efecto consiste en que los fotones excitan electrones a un estado de mayor energía, permitiéndoles actuar como portadores de carga para una corriente eléctrica. Fue observado por primera vez por Alexandre-Edmond Becquerel en 1839. El término denota el modo de operación sin polarización de un fotodiodo donde la corriente se debe exclusivamente a la energía lumínica transducida. Prácticamente todos los dispositivos fotovoltaicos son algún tipo de fotodiodo. El efecto FV del silicio (elemento presente en la arena) se descubrió en 1954, cuando científicos de Bell Telephone hallaron que el silicio generaba carga eléctrica al exponerse a la luz solar.

Potencial y crecimiento de la energía solar

La energía solar es el recurso energético más abundante en la Tierra. La conversión directa en electricidad en celdas FV es una de las tres tecnologías solares activas, junto con la energía solar de concentración (CSP) y los colectores solares térmicos para calefacción y refrigeración (HSC). Hoy la FV proporciona más del 0,1% de la generación energética global, con una capacidad que crece a una tasa media anual superior al 40% desde 2000 y un gran potencial de crecimiento a largo plazo. Es una tecnología comercialmente disponible y fiable que no solo reduce emisiones de gases de efecto invernadero, sino que también mejora la seguridad del suministro energético y el desarrollo socioeconómico. La creciente demanda de renovables ha impulsado avances considerables en la fabricación de celdas y módulos fotovoltaicos.

Funcionamiento y configuración de sistemas FV

Las celdas solares producen corriente continua a partir de la luz solar, usable para alimentar equipos o recargar baterías. La primera aplicación práctica fue alimentar satélites y naves espaciales, pero hoy la mayoría de los módulos se usan para generación conectada a red, requiriendo un inversor para convertir CC a CA.

Los paneles solares para generación suelen fabricarse combinando celdas en módulos de unas 40 celdas. Múltiples paneles forman un sistema llamado campo solar (solar array). Cables de cobre conectan módulos (cable de módulo), campos (cable de campo) y subcampos. Un edificio típico usa 10-20 paneles para cubrir sus necesidades. Para aplicaciones industriales o de utilities a gran escala, cientos de campos solares se interconectan formando grandes sistemas FV de escala utility.

Optimización del rendimiento

Para maximizar la generación, los paneles FV deben orientarse hacia el sol el mayor tiempo posible. Los seguidores solares (trackers) mueven los paneles para seguir al sol, aumentando la captación hasta un 20% en invierno y 50% en verano. Los sistemas fijos pueden optimizarse analizando la trayectoria solar; a menudo se instalan con inclinación igual a la latitud, pero el rendimiento mejora ajustando el ángulo estacionalmente. Como en otros dispositivos semiconductores, temperaturas por encima de la ambiente reducen el rendimiento de las celdas fotovoltaicas.

Principio de la celda solar

Una celda solar consta de capas de material semiconductor. Al incidir la luz, se crea un campo eléctrico entre capas que hace fluir la electricidad. Cuanta mayor intensidad lumínica, mayor flujo eléctrico. Sin embargo, un sistema FV también genera electricidad en días nublados; no requiere luz solar directa. El rendimiento se mide por la eficiencia de conversión de luz solar en electricidad. Un módulo FV con eficiencia del 12,5% convierte una octava parte de la luz incidente en electricidad.

Capacidad y factor de carga

La capacidad de potencia fotovoltaica se mide como potencia máxima bajo condiciones de prueba estandarizadas (STC) en "Wp" (vatios pico). La potencia real en un momento dado puede ser menor o mayor que este valor nominal, según ubicación geográfica, hora, clima y otros factores. El factor de carga (PLF) de plantas FV es típicamente inferior al 25%, menor que muchas otras fuentes industriales de electricidad.

Tipos de celdas solares fotovoltaicas

Las celdas tradicionales son de silicio, normalmente de placa plana y las más eficientes. Requieren protección ambiental y se encapsulan tras una lámina de vidrio. La tecnología fotovoltaica usa los siguientes tipos:

Celdas de silicio cristalino

Son las más eficientes, fabricadas con "silicio grado solar". Esta tecnología se desarrolló primero y hoy representa la mayoría de aplicaciones en paneles. Las celdas se hacen de finas láminas (wafers) cortadas de un solo cristal de silicio (monocristalino, c-Si) o de un bloque de cristales de silicio (policristalino o multicristalino, poly-Si o mc-Si).

• Monocristalino: Las celdas de wafer de cristal único tienden a ser más caras al cortarse de lingotes cilíndricos. No cubren completamente un módulo cuadrado sin desperdicio sustancial de silicio refinado; quedan huecos en las cuatro esquinas.
• Policristalino/Multicristalino: Fabricados a partir de lingotes cuadrados fundidos (grandes bloques de silicio fundido enfriados y solidificados cuidadosamente). Son menos costosos de producir que los monocristalinos, pero menos eficientes.

Celdas de película fina

Son celdas de segunda generación, fabricadas depositando capas extremadamente finas de materiales fotosensibles sobre un sustrato de bajo coste (vidrio, acero inoxidable o plástico). Los materiales fotosensibles son silicio amorfo y no silicio como telururo de cadmio (Cd-Te) y seleniuro/ sulfururo de cobre, indio y galio (CIGS). Usan capas de semiconductor de solo unos micrómetros de espesor. Los menores costes de producción compensan su menor eficiencia. Han ganado popularidad frente al silicio en wafer por costes menores y ventajas como flexibilidad, menor peso y facilidad de integración.

Un proceso típico de fabricación de película fina incluye: (i) recubrimiento del sustrato con capa conductora transparente, (ii) deposición de la capa activa por técnicas como deposición química/física de vapor, (iii) metalización posterior (contactos) mediante grabado láser o serigrafía tradicional, y (iv) encapsulado en carcasa de polímero de vidrio. Las técnicas roll-to-roll se usan a menudo con sustratos flexibles para reducir tiempo y costes.

Otros tipos de celdas (tercera generación)

Varias tecnologías FV se desarrollan o empiezan a comercializarse hoy. Son celdas de tercera generación fabricadas con nuevos materiales: tintas solares con tecnologías de impresión convencional, colorantes solares y plásticos conductores. Algunas usan lentes o espejos plásticos para concentrar luz solar en una pieza muy pequeña de material FV de alta eficiencia. El material FV es más caro, pero al necesitarse tan poco, estos sistemas son coste-efectivos para utilities e industria. Sin embargo, al requerir que las lentes apunten al sol, el uso de colectores concentradores se limita a zonas muy soleadas.

Eficiencia de conversión y vida útil

La tabla 1 muestra las eficiencias de conversión de distintas tecnologías. La vida de una celda FV es de 25 años, pero su eficiencia y generación se degradan con el tiempo: 10% en los primeros 10 años y otro 10% en los siguientes 15.

Tabla 1: Eficiencias de conversión de diferentes tecnologías
Tipo de tecnología	Eficiencia de conversión (%)		Eficiencia en laboratorio (%)	Área/kW (m²/kW)
	Célula	Módulo
Monocristalino	16-22	13-19	24,7	7
Policristalino	14-18	11-15	20,3	8
Silicio amorfo	4-8		10,4	15
Cd-Te	10-11		16,5	10
CIGS	9-12		20,3	10
Otros materiales	3-5		6-12	10

Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica

Los sistemas FV pueden instalarse en tejados o en suelo, como plantas conectadas a red o sistemas aislados (off-grid). La conexión a red permite verter excedentes e importar energía cuando no hay sol. Los sistemas off-grid llevan electricidad a zonas remotas y sirven para electrificación rural. La FV también se usa en bienes de consumo. La figura 1 muestra el esquema de una planta FV.

Figura 1: Esquema de una planta solar fotovoltaica

Ventajas de la energía solar fotovoltaica

• La luz solar que llega a la superficie terrestre es abundante y tiene potencial para convertirse en la principal fuente energética mundial.
• La energía solar es libre de contaminación durante su uso.
• Las instalaciones FV tienen larga vida con muy poco mantenimiento.
• Los costes operativos son extremadamente bajos.
• La electricidad solar conectada a red puede usarse localmente, reduciendo pérdidas de transporte y distribución.

Desventajas de la energía solar fotovoltaica

• La inversión inicial es alta.
• Requiere gran superficie.
• No hay generación cuando no hay luz solar.
• El tamaño máximo de planta conectada a red está limitado a 10 MW (dato que puede estar desactualizado; hoy existen plantas de cientos de MW).