Poniendo todo junto: las partes principales de un sistema fotovoltaico solar

Los sistemas solares fotovoltaicos son uno de los ejemplos más considerados e instalados de tecnología renovable en el mundo. Pero, para algunos, cómo funcionan realmente puede ser un misterio, casi mágico.

Pero, realmente no tiene por qué serlo. Exactamente cómo funcionan y qué constituye un sistema fotovoltaico es bastante interesante.

Entonces, si alguna vez se ha preguntado qué es realmente un sistema solar fotovoltaico, o cómo funciona, hemos creado una guía muy breve para ayudarlo a familiarizarse con los conceptos básicos.

Disfrutar.

En pocas palabras, los paneles solares fotovoltaicos convierten la luz solar en electricidad a través de un proceso conocido como efecto fotovoltaico (PV). Estrechamente relacionado con el efecto fotoeléctrico, el efecto PV fue demostrado por primera vez a fines de la década de 1830 por Edmond Becquerel.

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Becquerel notó que cuando las placas de platino u oro se sumergían en soluciones ácidas, neutras o alcalinas y se exponían a la radiación solar, se podía generar una pequeña corriente eléctrica. Un poco más tarde, en la década de 1880, Charles Fritts logró desarrollar la primera verdadera célula solar hecha de selenio recubierto con una fina capa de oro.

Si bien este panel funcionó, tuvo una eficiencia muy baja.

Los paneles solares modernos funcionan cuando los fotones de la luz solar liberan electrones de los átomos, generando un flujo de electricidad. Los paneles en realidad están formados por unidades más pequeñas llamadas células fotovoltaicas. Estas células solares son un sándwich de semiconductores hechos de silicio que está "dopado" con otros materiales.

El boro o el indio generalmente se agregan a una capa, dándole una carga positiva. Esencialmente, agregar un átomo de boro a un grupo de átomos de silicio crea un "agujero", un espacio que estaría ocupado por un electrón en el silicio puro. Esto se llama dopaje de tipo p o semiconductor de tipo p (p es para positivo). La otra capa generalmente se dopa con fósforo o arsénico, lo que agrega electrones adicionales, o una carga negativa, a esa capa (esto se llama dopaje de tipo n, o semiconductor de tipo n, para negativo).

Intercalar las dos capas crea un campo eléctrico en la unión, llamada unión pn. Cuando se expone a la luz, se genera un campo eléctrico dentro de esta unión a medida que los electrones absorben la energía de los fotones y se liberan de su átomo "padre".

Este proceso deja un "agujero" en los enlaces de valencia del material del que escapó el átomo. Debido al campo eléctrico preexistente en la unión pn, estos electrones y "agujeros" se mueven en direcciones opuestas: el electrón hacia el lado n y el "agujero" hacia el lado p.

Este movimiento del electrón crea una corriente eléctrica en la celda. Las placas conductoras de metal en los lados de la celda recogen los electrones y los transfieren a los cables, lo que permite que los electrones fluyan como cualquier otra fuente de electricidad.

Curiosamente, la mayoría de las fotocélulas tienden a ser más eficientes cuanto más pequeñas son, por lo que cada panel fotovoltaico suele estar formado por muchas células pequeñas. Si observa detenidamente un panel solar, podrá ver todas las fotocélulas de subunidades más pequeñas que forman el panel principal.

Por lo general, hechas de silicio dopado (aunque se puede usar germanio, sulfuro de plomo y otros semiconductores), las células fotovoltaicas son las centrales eléctricas de cualquier panel fotovoltaico moderno.

Más sobre eso en la siguiente sección.

Los paneles fotovoltaicos, como cualquier pieza de tecnología, son un revoltijo de diferentes materiales que forman diferentes partes, desde la fotocélula hasta el marco y todo lo demás. Sin embargo, lo que la mayoría de la gente quiere decir cuando hace una pregunta como esta es cuál es el ingrediente mágico que le da al panel fotovoltaico su capacidad aparentemente mágica para crear electricidad a partir de la luz solar.

Ese maravilloso material también es una de las sustancias más abundantes en la Tierra vegetal: el silicio. De hecho, constituye aproximadamente el 30% de la corteza terrestre, más o menos.

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El silicio es el segundo material más abundante en el planeta, después del oxígeno, pero rara vez se encuentra en estado libre en la naturaleza. Por lo general, se encontrará combinado con otros elementos para formar uno de la plétora de minerales de sílice que componen la corteza terrestre.

También tiene algunas propiedades físicas y electroquímicas interesantes que lo hacen bastante útil para la construcción de componentes electrónicos.

Uno de ellos es el hecho de que es un semiconductor. Un semiconductor, como su nombre indica, es cualquier material que tiene una conductividad entre la de un aislante (como una cerámica) y la de un conductor (como un metal).

Al ser un metaloide (ni metal ni no metal), el silicio comparte algunas propiedades de ambos, de ahí su función como semiconductor.

Esto significa que si bien puede conducir la electricidad, aunque menos bien que los metales, su capacidad para hacerlo aumenta a medida que aumenta la temperatura (a diferencia de los metales).

Por esta razón, el silicio se usa para fabricar muchos componentes eléctricos importantes, incluidos los transistores, que amplifican o cambian las corrientes eléctricas y son la columna vertebral de todo tipo de dispositivos electrónicos, desde radios hasta iPhones.

En cuanto a las células solares, el silicio puro es un mal conductor de la electricidad. Para superar esto, la mayoría de las células solares combinan silicio con otros elementos, como galio o arsénico, para producir capas deficientes en electrones o capas ricas en electrones, respectivamente. Esto es importante, como hemos visto, para producir pares electrón-hueco para generar campos eléctricos.

Si bien es muy abundante, existen algunas limitaciones en el uso del silicio como material base para las células solares. El principal es que los paneles son inherentemente frágiles y rígidos. Esto puede complicar el transporte y la instalación, entre otras cosas.

Por lo general, las células solares basadas en silicio vienen en algunas formas distintas en la mayoría de los paneles solares disponibles comercialmente. Éstas incluyen:

El tipo elegido suele ser una compensación entre el costo de fabricación e instalación y un límite aceptable en la eficiencia de generación eléctrica.

Las células solares basadas en silicio constituyen la gran mayoría de los paneles fotovoltaicos existentes, pero no son el único tipo de paneles solares fotovoltaicos que existen. Una estrella en ascenso es algo llamado panel/célula solar orgánica.

Las células solares orgánicas, o OSC para abreviar, son un desarrollo emocionante en el mundo de las tecnologías renovables. Fabricada normalmente a partir de polímeros orgánicos conductores especiales o pequeñas moléculas orgánicas, esta tecnología puede producir paneles solares más ligeros y flexibles.

Los OSC, aunque son relativamente nuevos, también tienen mayores eficiencias por área en comparación con los paneles fotovoltaicos más tradicionales. Los OSC existentes tienden a ser muy fuertes absorbentes de luz, y muchos expertos en el campo los promocionan como el futuro de la tecnología solar.

Debido a la forma en que están construidos, las células/paneles solares orgánicos tienen otras ventajas inherentes sobre sus contrapartes no orgánicas. El más importante de ellos es su naturaleza ligera, flexibilidad, cobertura de gran área y bajo costo de fabricación.

Algunas células solares orgánicas se fabrican mediante un proceso llamado producción de rollo a rollo. Este proceso es considerablemente más económico que la producción convencional de células solares no orgánicas y permite fabricar células solares orgánicas en un área grande.

Una celda solar orgánica, a veces llamada celda solar de plástico, es un tipo de celda solar de polímero que utiliza electrónica orgánica. Esta es una rama de la electrónica que se ocupa de polímeros orgánicos conductores o pequeñas moléculas orgánicas, para la absorción de luz y el transporte de carga para producir electricidad a partir de la luz solar a través del efecto fotovoltaico.

Esto permite que las células fotovoltaicas orgánicas conviertan la energía solar en energía eléctrica de manera más eficiente que otros tipos de células solares, incluidas las células de silicio que se encuentran en los paneles solares más comunes.

Sin embargo, los sistemas OSC actuales tienden a tener una vida útil más corta en comparación con los paneles basados ​​en silicio más tradicionales. Esto se debe a su menor estabilidad y menor resistencia en general.

Otro problema con los OSC son sus coeficientes de extinción de materiales relativos (una medida de la pérdida de luz debido a la dispersión y la absorción por unidad de volumen). Los materiales con coeficientes de absorción más altos absorben más fácilmente los fotones, que excitan los electrones en la banda de conducción. El coeficiente de extinción de los OSC aún no es tan bueno como el de los paneles solares basados ​​en silicio.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que los OSC todavía están en desarrollo, y los avances en nuevos materiales, métodos de procesamiento y arquitecturas de dispositivos probablemente solucionarán esta deficiencia.

Los OSC también se pueden usar para algunas aplicaciones interesantes que no serían posibles con paneles solares no orgánicos. Por ejemplo, pueden hacerse transparentes y especializados para longitudes de onda de luz específicas.

Esto podría tener aplicaciones en estructuras como invernaderos, donde los paneles OSC pueden formar el acristalamiento principal de la estructura. Tal configuración podría permitir que las longitudes de onda de luz comúnmente utilizadas por las plantas penetren a través de los paneles OSC, mientras usan otras longitudes de onda para generar electricidad.

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También se pueden integrar fácilmente en dispositivos electrónicos portátiles, lo que significa que los consumidores podrán alimentar/cargar sus dispositivos electrónicos en movimiento, incluso con poca luz.

Y así, al evento principal.

Si bien las instalaciones de energía solar fotovoltaica pueden variar en forma y diseño, un sistema solar fotovoltaico típico generalmente tendrá los siguientes componentes clave.

Las células solares o fotocélulas son los principales caballos de batalla de cualquier sistema solar fotovoltaico. Estas son las piezas que se notan más montadas en los techos de los edificios o, en algunas circunstancias, en las paredes o incluso en el suelo.

El trabajo de las fotocélulas es convertir la luz solar en electricidad. Lo hacen mediante el proceso que describimos anteriormente, es decir, el efecto fotovoltaico.

La mayoría de las células solares fotovoltaicas están hechas de una mezcla de silicio, aluminio (para el marco) y un respaldo de polímero. Las celdas solares fotovoltaicas pueden variar ampliamente en tamaño, color y forma, pero todas siguen el mismo diseño básico.

El tamaño de un panel solar generalmente está dictado por el rango de potencia máxima que el panel está diseñado para generar. Por lo general, para aplicaciones domésticas, puede oscilar entre 200 y 400 vatios por panel, aunque la mayoría generalmente ronda los 260 vatios.

Además de los componentes principales de la celda solar, las celdas solares tienden a estar intercaladas entre capas de encapsulado: placas traseras de metal y capas frontales de vidrio templado. Todas estas capas se mantienen juntas en, por lo general, un marco de aluminio.

Tener los paneles es excelente, pero en general, necesitará algo para montarlos y una forma de orientar los paneles. Aquí es donde los bastidores de montaje son de vital importancia.

Los sistemas de montaje en el techo son los más comunes, ya que las instalaciones en el techo generalmente se consideran más estéticas y eficientes que la instalación en el suelo. También hacen uso del espacio "desperdiciado" en estructuras existentes, como casas, sin necesidad de utilizar terrenos valiosos o espacios verdes.

Sin embargo, los sistemas montados en el techo suelen ser más difíciles de mantener debido a su ubicación elevada y, a menudo, inaccesible. Otros métodos de montaje, como el montaje en poste y, por supuesto, el montaje en suelo, también son bastante comunes.

Este último es la forma más sencilla de instalar el sistema de montaje y, en última instancia, es el más fácil para el mantenimiento y la reparación a largo plazo. Sin embargo, tienen la desventaja de ocupar espacio en el suelo que podría usarse para otra cosa, como otro edificio, parques, tierras de cultivo, etc.

Cualquiera que sea la ubicación de montaje que se elija, la mayoría de los sistemas de estanterías tienden a ser fijos o de seguimiento. El primero, como su nombre indica, "fija" los paneles a una altura y un ángulo dados y, como tales, no pueden moverse en orientación al Sol.

Los paneles solares tienden a funcionar mejor cuando la luz del sol incide directamente sobre el panel. Todo esto está muy bien para una fuente de luz fija, pero cuando se depende del sol (que está en constante movimiento en relación con el panel), esto puede ser casi imposible de mantener durante el día y el año con un sistema fijo.

Por esta razón, los sistemas fijos a menudo se instalarán en un ángulo fijo que es una especie de compromiso para el uso general. Esto es típicamente alrededor de 37 grados.

Los sistemas de montaje de seguimiento, por otro lado, pueden seguir el movimiento del Sol a lo largo del día y del año moviendo constantemente su dirección de orientación. También pueden ajustar su ángulo para mantener el ángulo de incidencia óptimo durante todo el año.

Los paneles solares son geniales, pero la electricidad que producen tiende a ser energía directa (CC). Si bien la CC se puede usar para algunas aplicaciones, la mayoría de los paneles solares se instalan con el fin de proporcionar electricidad utilizable para un hogar o un local comercial.

Esto significa que se requiere otra pieza de tecnología para convertir CC en corriente alterna (CA). Ese es el trabajo del inversor.

El inversor es una pieza de equipo trabajadora que está en funcionamiento casi constante durante la vida útil de un panel solar típico. Por esta razón, si un sistema de paneles solares falla por alguna razón, el principal culpable suele ser el inversor.

Por esta razón, la mayoría de los inversores tienden a tener una garantía más corta que el panel principal, algo a tener en cuenta si está considerando instalar un sistema solar.

Se suelen utilizar dos tipos diferentes de inversores en un sistema de paneles solares. Estos se llaman inversores de cadena y microinversores.

Los primeros son dispositivos más grandes y generalmente se instalan en una pared, espacio en el techo o área sombreada del sitio. Como sugiere el nombre, estos inversores convierten "una cadena" de electricidad generada por una matriz fotovoltaica, en lugar de por panel.

Los microinversores, por otro lado, se instalan en cada panel (normalmente en la parte trasera). Esto permite que el CC se convierta panel por panel antes de alimentar un edificio o la red.

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Si bien ambos tipos tienen sus pros y sus contras, una de las principales ventajas de los microinversores es el hecho de que cuando algunos paneles están sombreados en un sistema de inversor de cadena, la eficiencia de todos los paneles se ve afectada directamente. Este no es el caso de los microinversores, donde solo se ven afectados los paneles sombreados.

Ya sea que su sistema solar fotovoltaico tenga almacenamiento de batería o no, integrará algún tipo de medidor de servicios públicos para medir el consumo eléctrico por propiedad. Los medidores instalados en propiedades con paneles solares fotovoltaicos también registrarán la cantidad de electricidad generada por los paneles y, en algunos casos, le permitirán exportar cualquier exceso de energía a la red.

Dependiendo de dónde viva en el mundo y el acuerdo que tenga con su proveedor de electricidad, generalmente se le pagará por cualquier exceso de energía que exporte, lo cual es bueno.

Una de las principales críticas a la tecnología renovable, como las células solares fotovoltaicas, es su falta de fiabilidad en condiciones ambientales desfavorables. En el caso de la energía solar, la falta de luz solar (es decir, durante la noche) tiende a significar que efectivamente se convierten en tejas muy caras y poco más durante una buena parte del tiempo.

Para combatir esto, los paneles solares fotovoltaicos se combinan cada vez más con algún tipo de sistema de almacenamiento de baterías. Esta configuración significa que la electricidad puede almacenarse y aprovecharse más tarde, sin recurrir al uso de electricidad suministrada por la red cuando se pone el sol.

En el caso del Powerwall de Tesla, estos sistemas también ofrecen protección de respaldo para lugares que también sufren cortes de energía frecuentes.

Más comúnmente conocidas como sistemas de almacenamiento de energía, las baterías solares fotovoltaicas almacenan efectivamente el exceso de electricidad de los paneles fotovoltaicos para su uso posterior. Los grandes nombres en la escena incluyen Samsung y Tesla, y muchas compañías de energía también ofrecerán paquetes combinados de energía solar fotovoltaica y baterías.

Las baterías tienden a venir en una de pocas formas, pero las más comunes son las recargables de iones de litio. Esto se debe a su tamaño relativamente pequeño y su excelente capacidad para almacenar electricidad.

Sin embargo, hay algunas consideraciones a tener en cuenta antes de instalarlos. Por ejemplo, si la mayor parte de la energía producida por el conjunto fotovoltaico se consume realmente durante el día o se utiliza para calentar agua, es posible que una batería no sea rentable.

Para los sistemas fotovoltaicos que también integran un sistema de almacenamiento de batería, los controladores de carga son otra parte crítica del sistema. Principalmente encargados de proteger los paquetes de baterías para que no se sobrecarguen, regulan constantemente la capacidad de carga de una batería y ajustan el suministro en consecuencia.

Cuando la batería está llena, el controlador de carga apagará automáticamente la fuente de alimentación de los paneles fotovoltaicos para evitar que las baterías se dañen permanentemente.

Los controladores de carga tienden a venir en una de dos formas: Modulación de ancho de pulso (PWM) y Seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT). El primero es más adecuado para conjuntos fotovoltaicos domésticos más pequeños y tiende a variar entre 4 y 60 amperios.

Este último es más adecuado para instalaciones más grandes con voltajes más altos, a menudo hasta 160 voltios CC.

Y eso, iniciados de energía solar fotovoltaica, es su suerte para hoy.

Ahora que tiene una comprensión básica de lo que es un sistema solar fotovoltaico y cuáles son los componentes principales de uno, es posible que desee investigar la posibilidad de instalar uno en su propia casa.