Introducción a la energía solar: Parte 1
La mayoría de nosotros estamos familiarizados con las células solares porque las encontramos todos los días: en calculadoras, farolas y señales de tráfico. Si estos dispositivos tienen suficiente luz, en teoría pueden funcionar para siempre. Las células solares o fotovoltaicas (PV) están formadas por muchas células individuales apiladas entre sí. El material celular es un semiconductor que conduce electrones cuando se absorbe luz. La Figura 1 ilustra la configuración estándar del panel solar.
Figura 1. Sistema de células solares estándar
Tipos de sistemas fotovoltaicos
Actualmente hay dos tipos principales de sistemas fotovoltaicos disponibles en el mercado: placa plana y concentradores. Los sistemas de placa plana son los más comunes y consisten en módulos fotovoltaicos sobre una superficie rígida y plana para capturar la luz solar. Los sistemas fotovoltaicos de concentración utilizan un área de espejos o lentes específicamente diseñada para enfocar la luz solar en una pequeña área de células. Estos sistemas reducen la cantidad de material semiconductor y mejoran el rendimiento del sistema. Si estos sistemas tienen seguimiento de uno o dos ejes, se denominan fotovoltaicos concentradores de helióstatos (HCPV). Aunque este tipo de sistema tiene muchas ventajas, se han visto limitadas debido al costo del equipo de enfoque, seguimiento y enfriamiento.
Cuando se comparan los dos sistemas, los sistemas de placa plana suelen ser menos complicados pero emplean una mayor cantidad de celdas, mientras que los sistemas concentradores usan áreas más pequeñas de celdas pero requieren sistemas de seguimiento más sofisticados y costosos. En la Figura 1 se muestra una imagen de un sistema de placa plana y en la Figura 2 un sistema concentrador.
Figura 2. Sistema concentrador solar
Principios y características
Los sistemas fotovoltaicos simples alimentan muchas de las pequeñas calculadoras y relojes de pulsera que existen actualmente en el mercado. Los sistemas fotovoltaicos más grandes proporcionan electricidad para bombear agua, alimentar equipos de comunicaciones y alimentar casas o edificios enteros. Las células fotovoltaicas se han convertido en uno de los principales productores de energía modernos debido a las recientes mejoras en la eficiencia de conversión y la reducción de los costos de los paneles fotovoltaicos.
Las células solares suelen estar encapsuladas y luego conectadas para formar un módulo. Los paneles fotovoltaicos tienen una capa de vidrio sobre las células solares para proteger las obleas semiconductoras y permitir el paso de la luz. Dado que una única célula solar sólo proporciona un voltaje de aproximadamente 1/2 V, no puede alimentar un dispositivo por sí sola. Por lo tanto, se conectan varias celdas en serie para permitir que se sume el voltaje. El voltaje, la corriente y la resistencia se relacionan mediante una ecuación llamada Ley de Ohm, que es:
donde V son voltios, I es corriente y R es la resistencia. Las celdas se pueden conectar en paralelo para crear una corriente más alta. La Figura 3 ilustra células fotovoltaicas conectadas en serie y en paralelo.
Figura 3. Células fotovoltaicas conectadas en serie y en paralelo
La potencia de salida de un panel solar se mide en vatios (W) o kilovatios (kW). La potencia está relacionada con el voltaje y la corriente mediante la siguiente ecuación:
donde P es potencia, I es corriente y V son voltios. En los sistemas fotovoltaicos independientes, las baterías se pueden utilizar para almacenar energía que no se utiliza inmediatamente o para alimentar la carga cuando no se recoge suficiente energía.
Aplicaciones de energía solar
Hay un número ilimitado de aplicaciones para la energía solar: ¡estas células pueden alimentar cualquier cosa! Ya vemos muchas aplicaciones solares todos los días: en farolas, señales de tráfico, residencias y edificios. ¡Incluso se ha investigado la energía solar para alimentar automóviles! Examinemos brevemente las aplicaciones solares residenciales y automotrices.
Alimentar una casa con energía solar
Hay muchos detalles en los que pensar a la hora de alimentar una casa con energía solar. La Figura 4 muestra una ilustración de un sistema fotovoltaico doméstico típico. La primera consideración (además del costo) es asegurarse de que el techo tenga el ángulo u orientación correctos para aprovechar la energía del sol. El sistema debe estar inclinado en ángulo para absorber la máxima cantidad de energía durante todo el año. La mayoría de los sistemas se montan en un cierto ángulo o inclinación según la pendiente del techo, pero también hay sistemas que pueden cambiar el ángulo según la mañana, el mediodía, la noche y las estaciones. Los paneles fotovoltaicos no deben estar sombreados por árboles o edificios porque esto reducirá sustancialmente la producción de energía.
Cada sistema solar se personaliza en función de los requisitos totales de energía y el nivel promedio mensual de luz solar para el área geográfica. Las cargas totales y pico se utilizan para calcular la tensión y la corriente y, por tanto, el número de módulos a cablear en serie y en paralelo.
Figura 4. Ejemplo de sistema fotovoltaico doméstico
Cuando no hay luz solar durante el día, la energía se puede obtener de una fuente alternativa. La electricidad se puede utilizar y almacenar en baterías, pilas de combustible o en la red pública cuando sea necesario. Si se produce un exceso de energía, se puede volver a vender a la red. Las baterías se usan comúnmente con sistemas de paneles solares, pero dependiendo de la química de la batería, la vida útil varía y es posible que sea necesario reemplazar las baterías con frecuencia. Las baterías también contienen electrolitos ácidos, por lo que necesita un recinto no metálico y bien ventilado para ellas. Un sustituto de las baterías que se utilizan habitualmente en los sistemas fotovoltaicos son las pilas de combustible de hidrógeno. Las pilas de combustible no tendrán que ser reemplazadas con frecuencia y tendrán una larga vida útil. Tampoco requieren cerramientos especiales.
Otro aspecto importante de un sistema fotovoltaico es que la energía generada por el sistema es en forma de corriente continua (CC). La electricidad suministrada por la empresa de servicios públicos y el tipo que utilizan los electrodomésticos de su casa es corriente alterna (CA). Por lo tanto, se necesita un dispositivo para convertir CC en CA. Este dispositivo se llama inversor. Algunos sistemas fotovoltaicos ya tienen un inversor integrado.
Coches con energía solar
¿No sería fantástico si pudiéramos conducir nuestros coches sin gastar dinero en combustible? Hay coches que funcionan con energía solar y que han recorrido muchos kilómetros con éxito. La electricidad del coche alimentado por energía solar carga la batería. Algunos automóviles que funcionan con energía solar utilizan la electricidad para alimentar directamente el motor. Algunos de los principales fabricantes de automóviles (Ford y Mazda) han investigado los coches impulsados por energía solar. La empresa automovilística francesa Venturi ha presentado un interesante modelo de coche híbrido. El automóvil Eclectic combina energía solar, eólica y de batería para proporcionar electricidad para conducir en la ciudad. Este modelo fue diseñado únicamente para conducción urbana porque solo puede alcanzar hasta 30 millas por hora (48 kph). La Figura 5 ilustra el automóvil Venturi Eclectic y un automóvil alimentado por energía solar.
Figura 5. Automóviles impulsados por energía solar
Se han creado vehículos solares que pueden viajar cientos de millas hasta 60 millas por hora (96 kph) utilizando células solares de muy alta calidad. Alcanzar velocidades más altas también depende del peso y la aerodinámica de los coches de carreras solares. Estos coches suelen ser muy planos y pueden calentarse rápidamente debido a que están cubiertos de células solares. Cuando está nublado, el automóvil que funciona con energía solar podría usar una batería o un pequeño motor de gasolina como energía de respaldo.
Conclusión
La energía solar es una parte esencial de la futura economía de las energías renovables. Un sistema fotovoltaico se puede dimensionar para cualquier carga aumentando el número de células y paneles o cambiando las conexiones. Los sistemas fotovoltaicos también se pueden configurar en un estilo de placa plana o concéntrico, dependiendo del área solar disponible y los requisitos de energía. Los paneles solares se pueden ver a diario, desde calculadoras hasta señales de tráfico y edificios. El número de aplicaciones de la energía solar es infinito. Los paneles fotovoltaicos para casas se están volviendo bastante comunes; sin embargo, los paneles fotovoltaicos para automóviles aún no han ganado terreno a pesar de que se han investigado durante varias décadas. ¡Con suerte, algunos grandes científicos e ingenieros ayudarán a lograr un gran avance en los automóviles solares en un futuro cercano!
