Energía solar

¿Qué son las celdas fotovoltaicas?

Las celdas fotovoltaicas son dispositivos electrónicos cuya función es convertir la energía captada por el sol en electricidad.

Cuando los rayos solares inciden en una celda fotovoltaica, los fotones de la luz solar son absorbidos por la celda para luego irradiar electrones; cuando dichos electrones libres son capturados, se obtiene como resultado una corriente eléctrica.

Generalmente están hechas de materiales semiconductores, en especial de silicio, el mismo que se emplea en la industria de la microelectrónica, siendo primas hermanas de los transistores, los diodos emisores de luz (LED) y de otros dispositivos electrónicos.

¿Cómo funcionan?

Una celda solar consta de varias capas de materiales semiconductores con diferentes propiedades electrónicas. En una celda típica, la mayor parte del material es silicio dopado con una pequeña cantidad de boro para darle un carácter positivo (semiconductor tipo P).

Una capa delgada en el frente de la celda es dopada con fósforo para darle un carácter negativo (semiconductor tipo N). La interfaz entre las dos capas contiene un campo eléctrico llamado unión.

Cuando los fotones inciden sobre la celda solar, son absorbidos en la región de la unión, liberando electrones en el cristal de silicio. Si los fotones tienen suficiente energía, los electrones podrán superar el campo eléctrico en la unión y quedarán libres para pasar a través del silicio hacia un circuito externo. Al pasar por el circuito externo emiten energía en forma de trabajo útil (accionando motores, encendiendo lámparas, etc.) y regresan a la celda solar.

El proceso fotovoltaico es totalmente de estado sólido y autónomo. No existen piezas móviles y no se consumen o emiten materiales.

¿Qué pueden hacer funcionar las celdas fotovoltaicas?

Prácticamente cualquier necesidad de energía eléctrica se puede atender con un sistema de generación de energía solar fotovoltaica debidamente diseñado.

Esto incluye la energía para alumbrado, bombeo de agua, electrodomésticos, equipos de comunicaciones, etc.

 

¿Son difíciles de usar los sistemas fotovoltaicos?

Realmente no. Aunque la fabricación de celdas y módulos fotovoltaicos (conjunto de celdas agrupadas con un bastidor) requiere una tecnología muy moderna, son muy sencillos de usar. Los módulos fotovoltaicos suelen ser dispositivos de corriente continua de baja tensión, sin piezas móviles o que se desgasten. Una vez instalado, el campo solar (conjunto de módulos) no requiere más mantenimiento que una limpieza ocasional. La mayoría de los sistemas fotovoltaicos contienen baterías de almacenamiento que pueden requerir agua y mantenimiento similar al de la batería de su automóvil.

¿Cuál es el efecto ambiental que producen?

Podríamos decir que los sistemas solares fotovoltaicos prácticamente no producen efecto ambiental alguno, ya que:

  • la generación de energía eléctrica directamente a partir de la luz solar no requiere ningún tipo de combustión, por lo que no se produce polución térmica ni emisiones de CO2 que favorezcan el efecto invernadero.
  • Las celdas fotovoltaicas se fabrican con silicio, elemento obtenido de la arena, muy abundante en la naturaleza y del que no se requieren cantidades significativas.
  • La repercusión sobre la flora y la fauna es nula.
  • Los paneles solares tienen distintas posibilidades de integración, lo que hace que sean un elemento fácil de integrar y armonizar en diferentes tipos de estructuras, minimizando su impacto visual.
  • Los sistemas fotovoltaicos son absolutamente silenciosos, es decir, no existe ningún tipo de contaminación sonora.

¿Pueden usarse los sistemas fotovoltaicos para calentar piscinas o agua para uso doméstico?

Aunque técnicamente es factible usar la electricidad producida por un sistema fotovoltaico para calentar agua, normalmente no tiene sentido desde el punto de vista económico.

Si se desea calentar agua, generalmente se puede producir de manera mucho más económica con un sistema solar térmico (que utiliza colectores que absorben directamente el calor).

¿Funcionan en el frío los módulos fotovoltaicos?

Sí, y muy bien por cierto. Contrariamente a lo que piensa la mayoría de la gente, los módulos fotovoltaicos, en igualdad de condiciones, generan más energía a temperaturas más bajas. Esto se debe a que en realidad las celdas fotovoltaicas son dispositivos electrónicos, por lo tanto los módulos fotovoltaicos funcionan más eficientemente a una temperatura más fría.

En climas templados, los sistemas fotovoltaicos generarán menos energía en el invierno que en el verano, pero esto se debe a que los días son más cortos, a que los ángulos de incidencia del sol son menores y a una mayor cantidad de días nubosos y no porque las temperaturas sean más frías.

¿Funcionan en tiempo nublado? ¿Qué pasa en locales cerrados?

Los sistemas fotovoltaicos generan energía eléctrica en días nublados, aunque su producción disminuye. En general, la producción varía linealmente en forma descendente hasta alrededor del 10% de la intensidad normal completa del sol. Dado que los módulos fotovoltaicos son planos, no necesitan radiación solar directa; incluso pueden generar del 50% al 70% de su régimen nominal en un día nublado, pero brillante. En un día nublado oscuro podrían generar el equivalente a solo el 5% al 10%.

Los niveles de luz en locales cerrados, incluso en una oficina bien iluminada, son sorprendentemente más bajos que los del exterior, generalmente por un factor de varios cientos o más. Las celdas fotovoltaicas diseñadas para uso exterior generalmente no producirán potencia útil a estos niveles de luz, pues están optimizadas para intensidades lumínicas mucho más altas. Las celdas fotovoltaicas diseñadas para niveles de luz más bajos, como las usadas en calculadoras, están optimizadas para esas condiciones.

Aparte de los módulos, ¿qué más se necesita en un sistema fotovoltaico?

Aunque un sistema fotovoltaico podría estar formado sencillamente por un módulo y un consumo (tal como un ventilador accionado directamente), la mayoría de los sistemas fotovoltaicos son diseñados para suministra energía cada vez que se necesite y, por consiguiente, deben incluir baterías para almacenar la energía generada por los módulos fotovoltaicos.

Los sistemas con baterías requieren dispositivos electrónicos para regular su carga o limitar su descarga. Dado que los módulos fotovoltaicos y las baterías son inherentemente dispositivos de corriente continua, los sistemas de mayor tamaño suelen incluir inversores de CC/CA para suministrar corriente alterna con tensiones y frecuencias normales de uso domiciliario o industrial.

Esto permite utilizar aparatos electrodomésticos ordinarios en el sistema. De lo contrario, deben usarse aparatos especiales de CC (generalmente de las industrias de vehículos de recreo o marítima). Desde el punto de vista eléctrico, se requieren dispositivos protectores, tales como diodos, fusibles, interruptores de circuito, conmutadores de seguridad y puestas a tierra.

En general, los sistemas fotovoltaicos también requieren estructuras de montaje para soportar y elevar los módulos fotovoltaicos y elementos de interconexión para conectar entre sí todos los componentes.

¿Cuánto durará un sistema fotovoltaico? ¿Pierden potencia los módulos fotovoltaicos con el tiempo?

En general, los módulos fotovoltaicos son el componente de más larga duración de un sistema fotovoltaico. Los módulos de calidad reconocida, están diseñados para durar hasta 30/40 años y tienen una garantía de 20/25 años para su potencia mínima de generación.

Han sido diseñados para resistir todas las inclemencias atmosféricas, incluido el frío ártico, el calor del desierto, la humedad tropical, vientos superiores a 200 kph y granizo de 25 mm de diámetro a velocidad terminal.

En el mejor de los casos, las baterías durarán unos 10 años (las de tipo industrial de alta calidad). Las unidades selladas más chicas generalmente duran de 3 a 5 años.

Las baterías de automóvil no son apropiadas para los sistemas fotovoltaicos y suelen durar de 6 a 18 meses en este tipo de servicio.

¿Pueden romperse? ¿No contiene vidrio la mayoría de los módulos?

Los módulos fotovoltaicos poseen en su cara superior una cubierta de vidrio, normalmente vidrio templado de bajo contenido de hierro y están laminados con capas de plásticos. Esta construcción es muy duradera, pero si recibe un impacto muy fuerte, podría romperse. Si el vidrio se astilla o perfora, el módulo llegará a fallar con el tiempo debido a que el agua penetrará en las celdas solares y las corroerá.

Puede que pasen varios años antes de que el módulo falle totalmente (y ya no produzca energía). Por otro lado, si el módulo se daña de tal manera que se cortan las dos conexiones eléctricas entre cualquier par de celdas, no habrá paso para la corriente y el módulo no producirá energía eléctrica.



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