¿Como funcionan las placas solares y la energía solar?

¿Como funcionan las placas solares y la energía solar?
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Las placas o paneles solares son dispositivos que aprovechan la energía solar para generar electricidad o calentar líquidos en función del tipo de radiación que absorban del sol.

En este artículo, nos centraremos en como se transforma la energía solar en electricidad, por medio de las placas solares o fotovoltaicas.

energía solar en casa

Para entender como funcionan las placas o paneles solares o fotovoltaicos, tenemos que viajar cerca de 150 millones de kilómetros hacía el centro de nuestro sistema solar, para encontrar el origen de la energía solar: el sol.

El sol es una estrella mediana que órbita alrededor de la vía láctea. Como cualquier estrella, el sol lleva a cabo una reacción nuclear de fusión. Concretamente, fusiona (une) átomos de Hidrógeno y los transforma en átomos de Helio.

Aproximadamente, se calcula que el sol convierte 4 millones de toneladas de Hidrógeno en 3 millones de toneladas de Helio cada segundo.

 

El millón de toneladas que falta se transforma en energía

Representación atómica de la reacción solar

Reacción de fusión del sol

Esta energía, formada por partículas llamadas fotones, escapa del sol, viaja hacía la tierra, y es la que nombramos energía solar. Sentimos la energía solar como luz y calor, las plantas la absorben para realizar la fotosíntesis, animales como los reptiles calientan su sangre y ciertos minerales y/o elementos químicos cambian en presencia de la energía solar.

Funcionamiento de las placas solares, el efecto fotoeléctrico

Fueron estos cambios químicos, producidos mayormente en metales y semiconductores, los que hicieron darse cuenta al físico francés Edmond Becquerel, en 1839, que la energía solar se podía transformar parcialmente en electricidad, en lo que más tarde se denominó el efecto fotoeléctrico.

El efecto fotoeléctrico se produce cuando los fotones de luz, presentes en la energía solar, indicen sobre los átomos aportándoles energía hasta el punto que se liberan de ellos los electrones. En principio, todos los átomos son susceptibles a este fenómeno, pero solo en unos pocos elementos este efecto es apreciable.  

efecto fotoelectrico, producir electricidad a partir de la energía solar

Una vez determinados los elementos en los que se produce un mayor número de liberación de electrones (metales y elementos semiconductores), solo tenemos que indicarles el camino a seguir (circuito eléctrico), y ya tenemos la energía solar convertida en energía eléctrica.

Esquema efecto Fotoelectrico, de la teoría a la práctica

¿De que están hechas las placas solares?

La primera placa solar para producir electricidad fue hecho por Charles Fritts en 1883. Estaba hecha de selenio con una capa fina de oro. Aparte de su baja eficiencia, alrededor del 1%, el elevado coste de estas placas hicieron inviable su utilización para producir electricidad de una forma significativa.

En 1946, el ingeniero estadounidense Russell Ohl, patentó las placas solares modernos constituidos por células de silicio semiconductor con uniones p-n. Y por fín, en 1954 los inventores Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller y Gerald Pearson, en los laboratorios Bell, pusieron en práctica los experimentos de Russel Ohl y construyeron la primera placa solar, como los que tenemos hoy en día. Estas placas solares llegaron a una eficiencia del 5% en la década de 1960.

¿Cómo se fabrican las placas solares?

Actualmente, el material más utilizado para fabricar placas solares es el silicio cristalino. Las placas solares están hechas, básicamente, de dos tipos de silicio unidos en finas capas. Estas uniones se denominan uniones p-n, donde el tipo de silicio p tiene una manca de  electrones y el tipo n tiene un exceso. Cuando la luz del sol incide en la unión, provoca el movimiento de electrones de un tipo a otro, generando electricidad. Estas placas llegan a tener una eficiencia entre el 12 y el 25%.

Esquema interno panel fotovoltaico

Esquema de las uniones p-n en una placa fotovoltaica


Dependiendo de la pureza de los cristales de silicio, tenemos placas monocristalinas y policristalinas:

Las placas monocristalinas se fabrican en cilindros largos, de una sola pieza, y se cortan en láminas delgadas. Si bien este proceso consume mucha energía y utiliza más materiales, produce las celdas de mayor eficiencia. Los módulos hechos de células de un solo cristal pueden tener eficiencias de hasta el 23 por ciento en las pruebas de laboratorio. Son de color negro, por lo que absorben más luz solar, generando electricidad incluso en días nublados, pero al ser de color negro cogen más temperatura lo que puede ser contraproducente. También son algo más caras que las placas policristalinas, debido a que los cristales son más puros.

Las placas policristalinas están hechas de silicio fundido en lingotes y luego cortado en cuadrados. Si bien los costos de producción son más bajos, la eficiencia de las celdas también es más baja. La eficiencia de los módulos está cercana al 20 por ciento. Son de color azulado y, aunque no sean tan eficientes como las monocristalinas, al no calentarse tanto, debido a su color, su rendimiento casi que no varia con la temperatura, haciéndolas ideales en lugares con mucha luz o radiación solar. Las placas policristalinas representan alrededor de la mitad del mercado fotovoltaico mundial.

Para determinar que tipo de placa nos conviene más, tendremos que hacer una media de la luz/radiación solar que tengamos en nuestra zona al largo del año, del tipo de instalación que queramos hacer y de nuestro presupuesto.

¿Cómo trabajan las placas solares?

Para trabajar, las células fotovoltaicas necesitan establecer un campo eléctrico. Al igual que un campo magnético, que se produce debido a los polos opuestos, un campo eléctrico se produce cuando las cargas positivas/negativas se separan. Para obtener este campo, los fabricantes "dopan" el silicio con otros materiales, dando a cada capa de las uniones una carga eléctrica positiva o negativa.

Específicamente, añaden fósforo en la capa superior de silicio, lo que agrega electrones adicionales, con una carga negativa, a esa capa. Mientras tanto, la capa inferior recibe una dosis de boro, lo que resulta en menos electrones o una carga positiva. Todo esto se suma a un campo eléctrico en la unión entre las capas de silicona. Luego, cuando un fotón de luz solar libera un electrón, el campo eléctrico expulsará ese electrón de la unión de silicio.

Un par de otros componentes de la célula convierten estos electrones en energía utilizable. Las placas conductoras de metal en los lados de la célula recogen los electrones y los transfieren a los cables. En ese punto, los electrones pueden fluir como cualquier otra fuente de electricidad.

Partes de una placa solar

Cada placal solar consta de células solares o fotovoltaicas más pequeñas unidas entre si en serie y paralelo. El número de células es el que determina la tensión y la potencia de la placa. Estas células en las placas monocristalinas están hechas de un solo cristal mientras que en las policristalinas las forman varios cristales.

A su vez, cada célula está formada por capas, con uniones de silicio tipo p-n además de capas de protección (normalmente cristal o plástico duro transparente). En la capa superior se encuentra el silicio de tipo n y en la inferior el de tipo p. 

Exceptuando algún tipo de placa,  normalmente las placas de 12v tienen 36 células, mientras que los de 24v tienen 60 o 72 células, dependiendo de su uso.

Ejemplo panel de 12v con 36 células

Panel de 12v con 36 células

Las placas solares, en su gran mayoría, traen un marco duro de protección para poderlos anclar en su soporte, además de un cristal que protege el conjunto de células. Actualmente, también han salido al mercado placas flexibles, donde las células fotovoltaicas están entre dos láminas de plástico.

Dependiendo del modelo, llevarán cables o clavijas para sus conexiones. Hay modelos que también llevan incorporado un diodo de protección eléctrica. 

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Referencias:

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