1. Introducción a la Energía Fotovoltaica

1.1 Radiación Solar

Radiación electromagnética: propagación de campos eléctricos y magnéticos. La velocidad (v) de propagación se calcula como v = frecuencia * longitud de onda. La velocidad de la luz en el vacío es de 3 * 10^8 m/s.

Irradiancia: energía recibida por unidad de tiempo y área, medida en Kw/m².

Irradiación: energía recibida por unidad de área en un tiempo determinado, medida en Kwh/m².

1.2 Materiales Eléctricos

Dos electrones no pueden tener los mismos números cuánticos (Principio de Exclusión de Pauli).

• Conductores: no existe una banda prohibida de energía, por lo que la aplicación de un campo eléctrico genera un movimiento de electrones.
• Semiconductores: tienen propiedades intermedias entre conductores y aislantes. Los electrones de la banda de valencia pueden saltar a la banda de conducción si ganan suficiente energía.
• Aislantes: la banda prohibida de energía impide el paso de los electrones y, por lo tanto, la conducción en el material.

1.3 Semiconductores: Electrones y Huecos

1.3.1 Semiconductor Típico (Silicio)

El silicio tiene 14 electrones, con 4 electrones de valencia con espines paralelos. A temperatura ambiente, algunos enlaces covalentes se rompen, lo que permite que los electrones pasen a la banda de conducción. El enlace covalente incompleto deja un hueco, que actúa como un portador de carga positiva. En la banda de valencia, un electrón de un átomo vecino puede romper su enlace y pasar a rellenar el hueco, lo que provoca que el hueco se desplace, al igual que los electrones en la banda de conducción.

1.3.2 Impurezas Donadoras (Tipo N) y Aceptadoras (Tipo P)

Impurezas donadoras (tipo n): átomos pentavalentes (como fósforo, arsénico o antimonio) que se añaden al semiconductor. Cuatro de sus electrones de valencia ocupan enlaces covalentes con el silicio, mientras que el quinto electrón pasa a la banda de conducción. En un semiconductor tipo n, los portadores de carga mayoritarios son los electrones, mientras que los huecos son minoritarios.

Impurezas aceptadoras (tipo p): átomos trivalentes (como boro, aluminio, galio o indio) que se añaden al semiconductor. Al tener un electrón de valencia menos que el silicio, se genera un hueco en la banda de valencia. En un semiconductor tipo p, los portadores de carga mayoritarios son los huecos, mientras que los electrones son minoritarios.

1.4 Uniones PN

Al unir un semiconductor tipo n con uno tipo p, se produce una difusión de electrones de la zona n a la zona p, y de huecos de la zona p a la zona n. Como resultado, la zona n queda cargada positivamente y la zona p negativamente. Se crea una corriente Ipn, que fluye de la zona p a la n debido al movimiento de cargas positivas. El campo eléctrico resultante apunta de la zona n a la p, es decir, de las cargas positivas a las negativas, lo que genera un potencial V decreciente.

El potencial V es mayor en la zona n. Vo representa el potencial de equilibrio (aproximadamente 0,1 V). La corriente inversa de saturación (Io), con un valor típico de 10^-12 A, se debe al movimiento de portadores minoritarios: electrones que se mueven de la zona n a la p y huecos que se mueven de la zona p a la n.

• Polarización directa: se aplica un voltaje positivo a la zona p con respecto a la zona n. Esto disminuye la barrera de potencial (Vo – V), lo que facilita el paso de electrones de la zona n a la p y de huecos de la zona p a la n, permitiendo la conducción de corriente.
• Polarización inversa: se aplica un voltaje negativo a la zona p con respecto a la zona n. Esto aumenta la barrera de potencial (Vo + V), dificultando el cruce de la unión por parte de los portadores mayoritarios. Sin embargo, los portadores minoritarios (electrones en la zona n y huecos en la zona p) sí pueden cruzar la unión, dando lugar a la corriente inversa de saturación (Io).

1.5 Diodos LED

Un diodo LED es una unión PN que, al ser recorrida por una corriente en polarización directa, emite luz. Los electrones de la zona n cruzan la barrera de potencial y se recombinan con los huecos de la zona p, liberando energía en forma de fotones de luz.

2. La Célula Fotovoltaica

2.1 Funcionamiento

Una célula fotovoltaica es básicamente una unión PN formada por láminas muy delgadas de material semiconductor. Cuando la luz incide sobre la célula, se genera una corriente (IL) en sentido contrario a la corriente Ipn de la unión PN. Esta corriente IL no depende del voltaje aplicado. La curva característica de la célula fotovoltaica muestra dos zonas principales: una zona donde la corriente es casi constante a medida que aumenta el voltaje, y otra zona donde el voltaje es casi constante a medida que disminuye la corriente. El punto de máxima potencia (Pmáx) se encuentra en la zona de cambio de pendiente de la curva, donde se obtiene el producto máximo de voltaje (Vmáx) e intensidad (Imáx).

Las curvas características de las células fotovoltaicas se suelen proporcionar para condiciones estándar de medida (CEM), que incluyen una irradiancia de 1000 W/m², una temperatura de 25 °C y una masa de aire de 1.5G (correspondiente a una altura solar de 42°).

2.2 Aspectos Constructivos y Rendimientos

El material semiconductor más utilizado para fabricar células fotovoltaicas es el silicio (Si), que se obtiene a partir del dióxido de silicio (SiO2), abundante en la corteza terrestre. El método de Czochralski permite obtener lingotes de silicio monocristalino de alta pureza. Mediante procesos de difusión, se pueden introducir átomos de fósforo o boro para crear las zonas tipo n y tipo p, respectivamente.

Las células solares típicas tienen un tamaño de alrededor de 15 x 15 cm². Las redes cristalinas del silicio pueden ser:

• Monocristalinas: los átomos están perfectamente alineados en una única estructura cristalina. Ofrecen el mayor rendimiento, pero también son las más costosas.
• Policristalinas: están formadas por varios cristales pequeños. Son más económicas que las monocristalinas, pero su rendimiento es ligeramente inferior.
• Amorfas: no tienen una estructura cristalina definida. Son las más económicas, pero también las que menor rendimiento ofrecen.

Los rendimientos típicos de las células solares varían en función del tipo de silicio utilizado: desde un 6% para las células de silicio amorfo hasta un 20% para las células de silicio monocristalino.

2.3 Tecnologías Fotovoltaicas

• Thin film: tecnología de capa fina que consiste en depositar capas de material semiconductor de unos pocos nanómetros de espesor sobre un sustrato. Permite fabricar células solares flexibles y ligeras.
• Capas multiunión: se utilizan varias uniones PN apiladas, cada una optimizada para absorber un rango específico de longitudes de onda de la luz solar. Esto permite aumentar la eficiencia de la célula.
• HCPV (Concentración Fotovoltaica de Alta Concentración): se utilizan espejos o lentes para concentrar la radiación solar sobre las células solares, lo que permite reducir la cantidad de material semiconductor necesario y aumentar la eficiencia.
• Placas bifaciales: células fotovoltaicas que pueden captar la luz solar por ambas caras, lo que aumenta la producción de energía.
• PERC (Célula Solar con Contacto Pasivado Emisor Trasero): se añade una capa adicional en la parte trasera de la célula solar que refleja parte de los fotones que no han sido absorbidos, lo que aumenta la eficiencia.

2.4 Interconexión de Células

Las células solares individuales tienen valores de tensión e intensidad relativamente bajos. Para obtener valores más altos, se interconectan entre sí formando módulos fotovoltaicos. La conexión en serie permite sumar las tensiones de las células, mientras que la conexión en paralelo permite sumar las intensidades.

3. Usos de la Energía Fotovoltaica

3.1 Sistemas No Conectados a la Red (Sistemas Aislados)

Los sistemas fotovoltaicos aislados se utilizan en lugares donde no hay acceso a la red eléctrica. Constan de los siguientes elementos:

• Paneles solares fotovoltaicos: conjunto de células solares interconectadas y encapsuladas en un único bloque.
• Acumuladores: baterías que almacenan la energía generada por los paneles solares durante las horas de sol para su uso posterior, por ejemplo, durante la noche.
• Regulador de carga: dispositivo que regula el flujo de corriente entre los paneles solares y las baterías, evitando sobrecargas y sobredescargas.
• Inversor: dispositivo que convierte la corriente continua (DC) generada por los paneles solares y almacenada en las baterías en corriente alterna (AC), que es la que se utiliza en la mayoría de los electrodomésticos.

3.2 Sistemas Conectados a la Red

Los sistemas fotovoltaicos conectados a la red permiten inyectar la energía generada por los paneles solares a la red eléctrica. De esta manera, se puede compensar el consumo eléctrico de la vivienda o empresa, o incluso vender el excedente de energía a la compañía eléctrica.

3.2.1 Huerto Solar

Un huerto solar es una instalación fotovoltaica de gran tamaño que se conecta a la red eléctrica. Está formado por un gran número de paneles solares que se instalan en el suelo, generalmente en terrenos no cultivables. Los huertos solares pueden ser de propiedad privada o pública.

3.3 Elementos de los Sistemas Fotovoltaicos

3.3.1 Paneles o Módulos Fotovoltaicos

• Están formados por células solares encapsuladas en un material protector que las protege de la intemperie.
• Las células se conectan entre sí en serie y/o en paralelo para obtener los valores de tensión, intensidad y potencia deseados.
• Suelen tener una estructura metálica para aumentar su resistencia mecánica y facilitar su instalación.
• Generan corriente continua.

Tipos de Módulos Solares

• Módulos solares de 72 células: se utilizan principalmente en sistemas con baterías y también en sistemas conectados a la red. Generan una tensión de trabajo de 36-37 V, lo que permite cargar baterías de 24 V. Su potencia oscila entre 180 y 320 W.
• Módulos solares de 36 células: diseñados para sistemas aislados con baterías de 12 V. Su potencia oscila entre 140 y 150 W.
• Módulos solares de 60 células: se utilizan principalmente en sistemas conectados a la red. Generan una tensión de trabajo de 30 V. Su potencia oscila entre 240 y 260 W.

Características de los Paneles Solares

• Potencia nominal o máxima (PMÁX): valor máximo de potencia que puede entregar el panel en condiciones estándar de medida.
• Tensión e intensidad en el punto de máxima potencia (VMP, IMP): valores de tensión e intensidad a los que el panel entrega su máxima potencia.
• Tensión en circuito abierto (VOC): valor máximo de tensión que puede generar el panel cuando no circula corriente por él.
• Intensidad de cortocircuito (ISC): valor máximo de intensidad que puede circular por el panel cuando su tensión es cero.

3.3.2 Acumuladores

• Dispositivos que almacenan energía química para convertirla en energía eléctrica cuando sea necesario.
• Están formados por dos electrodos (cátodo y ánodo) y un electrolito.

Características de los Acumuladores

• Capacidad (Ah): cantidad de carga eléctrica que puede almacenar la batería. Se mide en amperios-hora (Ah).
• Profundidad de descarga: porcentaje de la capacidad total de la batería que se puede descargar sin dañarla.
• Vida útil en ciclos: número de ciclos de carga y descarga que puede soportar la batería antes de que su rendimiento se vea afectado.
• Autodescarga: pérdida de carga que experimenta la batería de forma natural con el tiempo, incluso cuando no está en uso.

Tipos de Baterías

• Monoblock de plomo-ácido: las más utilizadas en sistemas fotovoltaicos autónomos. Son económicas, pero tienen una vida útil limitada.
• Monoblock AGM: baterías de plomo-ácido selladas que utilizan una malla de fibra de vidrio para absorber el electrolito. Son más seguras y duraderas que las baterías de plomo-ácido convencionales.
• Monoblock GEL: similares a las AGM, pero utilizan un electrolito gelificado. Son más resistentes a las vibraciones y a las temperaturas extremas.
• Monoblock de Litio: más ligeras, compactas y duraderas que las baterías de plomo-ácido. También tienen una mayor profundidad de descarga. Sin embargo, son más caras.
• Estacionarias: diseñadas para aplicaciones que requieren un suministro continuo de energía durante largos periodos de tiempo. Tienen una larga vida útil.

3.3.3 Reguladores de Carga

• Dispositivos que protegen las baterías de sobrecargas y sobredescargas, regulando el flujo de corriente entre los paneles solares y las baterías.

Tipos de Reguladores de Carga

• PWM (Modulación por Ancho de Pulso): regulan la corriente que llega a la batería mediante pulsos de tensión. Son más económicos que los MPPT, pero menos eficientes.
• MPPT (Seguidor del Punto de Máxima Potencia): ajustan la tensión de los paneles solares para obtener la máxima potencia posible en cada momento. Son más eficientes que los PWM, pero también más caros.

3.3.4 Inversores o Convertidores

• Dispositivos que convierten la corriente continua (DC) generada por los paneles solares o almacenada en las baterías en corriente alterna (AC), que es la que se utiliza en la mayoría de los electrodomésticos.

Tipos de Inversores

• Inversores para sistemas aislados: se utilizan en sistemas que no están conectados a la red eléctrica. Elevan la tensión de las baterías (12/24/48 V) a la tensión de la red eléctrica (220 V).
• Inversores para sistemas conectados a la red: se utilizan en sistemas que están conectados a la red eléctrica. Inyectan la energía generada por los paneles solares a la red eléctrica.

3.3.5 Cableado y Elementos de Protección

• El cableado debe tener la sección adecuada para evitar pérdidas de energía por efecto Joule.
• Se deben utilizar elementos de protección como fusibles, interruptores magnetotérmicos y descargadores de sobretensión para proteger la instalación fotovoltaica contra cortocircuitos, sobrecargas y sobretensiones.

4. Sistemas Solares Térmicos

Los sistemas solares térmicos aprovechan la energía solar para calentar agua. Están formados por los siguientes subsistemas:

• Subsistema de captación: capta la energía solar y la transfiere al fluido caloportador.
• Subsistema de intercambio y acumulación: calienta el agua y la almacena para su uso posterior.
• Subsistema de distribución: transporta el agua caliente desde el acumulador hasta los puntos de consumo.
• Subsistema de apoyo: proporciona energía adicional cuando la energía solar no es suficiente.
• Elementos o sistema de regulación y control: aseguran el correcto funcionamiento de la instalación.

4.1 Tipos de Circuitos Hidráulicos

• Circuito primario: conecta los colectores solares con el acumulador.
• Circuito secundario: transporta el agua caliente desde el acumulador hasta los puntos de consumo.

4.2 Principios de Circulación

• Circulación natural o termosifón: el fluido circula por convección natural debido a la diferencia de densidad entre el fluido caliente y el fluido frío.
• Circulación forzada: se utiliza una bomba para impulsar la circulación del fluido.

4.3 Sistemas de Intercambio

• Sistemas directos (circuito abierto): el agua de consumo circula directamente por los colectores solares.
• Sistemas indirectos (circuito cerrado): se utiliza un fluido caloportador para transferir el calor desde los colectores solares hasta el agua de consumo a través de un intercambiador de calor.

5. Colector Solar Plano

El colector solar plano es el tipo de colector solar más utilizado en sistemas solares térmicos. Está formado por los siguientes elementos:

• Cubierta transparente: suele ser de vidrio y permite el paso de la radiación solar al interior del colector.
• Absorbedor: absorbe la radiación solar y la convierte en calor. Suele estar formado por una placa metálica de color oscuro.
• Aislamiento térmico: reduce las pérdidas de calor del colector al exterior.
• Circuito de fluido: transporta el fluido caloportador a través del colector.

5.1 Absorbedor

• Recibe la energía solar y la transforma en calor, que se transfiere al fluido caloportador.
• Suele estar formado por una o varias láminas metálicas (cobre, aluminio o acero) en contacto con tuberías metálicas por las que circula el fluido.

Características del Absorbedor

• Elevada absortancia (α): capacidad para absorber la radiación solar.
• Baja emisividad (ε): capacidad para emitir radiación térmica.
• Revestimientos selectivos: aumentan la absortancia y reducen la emisividad.

5.2 Aislamiento Posterior

• Evita pérdidas de calor por conducción a través de las paredes laterales y la parte posterior del colector.

Características del Aislamiento Posterior

• Resistente a altas temperaturas.
• Resistente a la humedad.
• No debe desprender vapores que puedan afectar a la transparencia de la cubierta o a las propiedades del absorbedor.