La energía fotovoltaica es una forma de energía renovable que se obtiene a partir de la radiación solar y se convierte en electricidad fotovoltaica mediante el uso de células fotovoltaicas. Estas células, generalmente fabricadas con materiales semiconductores como el silicio, capturan los fotones de luz solar y generan corriente eléctrica.
El proceso de generación eléctrica de un sistema fotovoltaico comienza con los paneles solares, que consisten en múltiples células fotovoltaicas conectadas en serie o en paralelo. Cuando la luz solar incide sobre las células, los electrones en el material semiconductor se excitan y se mueven, creando una corriente eléctrica continua.
Esta corriente se recoge y se envía a través de cables hacia un inversor, que convierte la corriente continua en corriente alterna, la cual es la forma de electricidad utilizada en los hogares y la industria.
Definición de energía fotovoltaica
La energía fotovoltaica es una forma de energía renovable que convierte la luz solar en energía eléctrica (electricidad fotovoltaica) mediante el efecto fotovoltaico. Este proceso ocurre en células fotovoltaicas, generalmente fabricadas con materiales semiconductores como el silicio, que generan una corriente eléctrica al ser expuestas a la radiación solar.
Esta tecnología se utiliza en sistemas de generación distribuida, como paneles solares en viviendas, y en plantas solares a gran escala para abastecer la red eléctrica. Su principal ventaja es que aprovecha una fuente inagotable de energía sin generar emisiones contaminantes, lo que la convierte en una alternativa sostenible a los combustibles fósiles.
¿Cómo funciona la energía fotovoltaica?
La energía solar fotovoltaica funciona mediante la conversión directa de la luz solar en electricidad a través del efecto fotovoltaico. Este proceso ocurre en células fotovoltaicas, generalmente hechas de silicio, un material semiconductor. Cuando la luz solar incide sobre estas células, los fotones transfieren su energía a los electrones del material, generando una corriente eléctrica continua.
Para su uso en aplicaciones domésticas e industriales, la electricidad generada se canaliza a un inversor, que convierte la corriente continua en corriente alterna, compatible con la red eléctrica y los dispositivos eléctricos.
Dependiendo del sistema, la energía puede consumirse en el momento, almacenarse en baterías o inyectarse en la red eléctrica. Al ser una fuente renovable y limpia, la energía fotovoltaica es una alternativa sostenible a los combustibles fósiles.
Componentes de una instalación fotovoltaica
Un sistema fotovoltaico consta de varios componentes que trabajan juntos para convertir la radiación solar en electricidad utilizable.
A continuación se describe cómo funciona un sistema de enrgía solar fotovoltaica básico:
Paneles solares
Los paneles solares, también conocidos como placas fotovoltaicas, están compuestos por células fotovoltaicas que contienen materiales semiconductores, generalmente silicio. Cuando los fotones de luz solar inciden sobre las células, excitan los electrones en el material semiconductor y generan una corriente eléctrica continua.
Cableado y conexiones
Los paneles solares están conectados en serie o en paralelo para aumentar la corriente o el voltaje, según sea necesario. Se utilizan cables eléctricos y conectores especiales para interconectar los paneles y crear un arreglo solar.
Inversor de corriente
La corriente eléctrica generada por los paneles solares es corriente continua (CC), pero la mayoría de los dispositivos y la red eléctrica utilizan corriente alterna (CA). Por lo tanto, se utiliza un inversor para convertir la corriente continua en corriente alterna. El inversor de corriente también controla y monitorea el rendimiento del sistema.
Medidor bidireccional y sistema de conexión a la red (si corresponde)
En algunos sistemas fotovoltaicos, especialmente aquellos conectados a la red eléctrica, se utiliza un medidor bidireccional para medir la cantidad de electricidad generada y la cantidad de electricidad consumida. Si el sistema está conectado a la red eléctrica, el exceso de electricidad generada puede ser enviado a la red, y el medidor registra esta producción adicional.
Baterías (opcional)
Algunas instalaciones solares incluyen baterías para almacenar el exceso de electricidad fotovoltaica generada durante el día y utilizarla durante la noche o en momentos de baja radiación solar.
Las baterías permiten la autosuficiencia energética y el uso de la electricidad generada incluso cuando no hay luz solar disponible.
Ventajas de la energía fotovoltaica
Los sistemas fotovoltaicos ofrecen diversas ventajas en comparación con otras fuentes de energía. Aquí se presentan algunas de las principales ventajas de esta tecnología:
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Energía renovable y sostenible: La energía fotovoltaica se basa en la radiación solar, una fuente inagotable de energía. A diferencia de los combustibles fósiles, cuya disponibilidad es limitada y contribuyen al agotamiento de los recursos naturales, la energía solar es una opción sostenible a largo plazo.
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Cero emisiones y respetuosa con el medio ambiente: Durante la generación de electricidad mediante paneles solares, no se liberan emisiones de gases de efecto invernadero ni contaminantes al medio ambiente. Esto contribuye a reducir la huella de carbono y a mitigar el cambio climático. -
Ahorro de costos a largo plazo: Una vez instalado, un sistema fotovoltaico puede generar electricidad de forma gratuita a partir del sol. Esto permite reducir o incluso eliminar la dependencia de la red eléctrica convencional y disminuir los costos de energía a largo plazo.
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Independencia energética: la instalación de placas solares permite a los usuarios generar su propia electricidad. Esto brinda independencia energética y reduce la vulnerabilidad ante posibles interrupciones en el suministro eléctrico.
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Amplia aplicabilidad y escalabilidad: Los sistemas fotovoltaicos se pueden adaptar a diferentes necesidades y escalas, desde instalaciones residenciales hasta proyectos a gran escala.
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Baja necesidad de mantenimiento: Los paneles solares requieren un mantenimiento mínimo. Generalmente, solo es necesario limpiarlos periódicamente para asegurar que la radiación solar incida eficientemente.
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Generación distribuida: Los sistemas fotovoltaicos pueden instalarse en áreas cercanas al punto de consumo, lo que reduce las pérdidas de transmisión y distribución de electricidad, optimiza la eficiencia y contribuye a la estabilidad de la red eléctrica.
Países con mayor producción de electricidad fotovoltaica
El porcentaje de energía eléctrica generada mediante energía solar fotovoltaica en el mundo ha experimentado un crecimiento significativo en los últimos años. Según datos de la Agencia Internacional de Energía Renovable (IRENA, por sus siglas en inglés), a fines de 2020, la capacidad instalada de energía solar fotovoltaica a nivel mundial alcanzó los 773 gigavatios (GW).
Según el informe Renewables 2021 de la Agencia Internacional de Energía (IEA), en 2020, la energía solar fotovoltaica fue responsable de alrededor del 3% de la generación global de electricidad en el mundo.
A continuación, se presenta una tabla con algunos de los principales países en términos de generación de energía fotovoltaica en el 2022.
|
País |
Capacidad instalada de energía fotovoltaica (GW) |
Porcentaje de potencia solar respecto a otras fuentes de energía |
|
China |
252 |
12.7% |
|
Estados Unidos |
110 |
3.4% |
|
Japón |
67 |
9.7% |
|
Alemania |
52 |
11.8% |
|
India |
45 |
4.2% |
|
Australia |
20 |
7.3% |
|
Corea del Sur |
16 |
2.9% |
|
Francia |
12 |
2.7% |
|
Italia |
20 |
8.6% |
|
España |
10 |
7.3% |
Eficiencia de las placas fotovoltaicas
Actualmente, la tasa mejor de conversión de la luz solar en electricidad es de alrededor de 21,5%.
Dependiendo de la construcción, las placas fotovoltaicas pueden producir electricidad a partir de una gama concreta de frecuencias de luz. De todos modos, en general no puede cubrir toda la gama solar. En concreto, las células fotoeléctricas no pueden convertir en electricidad a la luz ultravioleta, infrarroja y baja o luz difusa.
Una forma de aumentar la eficiencia de los paneles solares sería iluminándolos con con luz monocromática se podrían obtener eficiencias muy superiores.
Por tanto, otro concepto de diseño es el de dividir la luz en diferentes longitudes de onda. Una vez separadas, dirigirlas hacia diferentes células sintonizadas en estos rangos. Una instalación de este tipo es capaz de elevar la eficiencia eléctrica en un 50%.
Ejemplos de usos y aplicaciones
La finalidad de los sistemas fotovoltaicos es la producción de electricidad que se puede utilizar en múltiples aplicaciones. A continuación presentamos algunos ejemplos:
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Generación de energía eléctrica a gran escala. Existen grandes centrales eléctricas conectadas directamente a la red eléctrica que pueden generar cientos de megavatios. Sin embargo, estas granjas solares se construyen mediante concentradores solares y funcionan como una central de energía térmica.
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Sistemas integrados en tejados y edificios: Estos sistemas pueden ser para autoconsumo eléctrico pero también pueden estar conectados a la red pública.
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Electrificación rural. Este tipo de aplicación solar se utiliza en aldeas rurales donde las líneas eléctricas están muy alejadas de la población.
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Alumbrado de calles y carreteras.
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Sistemas independientes para alimentar pequeños dispositivos como calculadoras, cargadores de móvil solares, etc.
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En transporte: algunos vehículos eléctricos tienen integrados sistemas solares para accionar un motor eléctrico y obtener potencia motriz.
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Torres de comunicaciones y señalización que utilizan aparatos eléctricos que no consumen grandes cantidades de energía eléctrica y que resulta complicado conectarlos a la red de distribución eléctrica.
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Uso en naves espaciales y estaciones espaciales ya que en el espacio las fuentes de energía disponibles son escasas.
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Sistemas para el bombeo de agua.
Tipos de instalaciones fotovoltaicas
Las instalaciones fotovoltaicas se dividen en dos categorías principales según su relación con la red eléctrica:
Sistemas conectados a la red eléctrica pública
Estos sistemas fotovoltaicos están conectados a la red eléctrica pública. En este enfoque, los paneles solares generan electricidad cuando hay luz solar disponible. Si la producción de electricidad supera la demanda local en ese momento, el exceso se inyecta en la red eléctrica. A cambio, el propietario del sistema puede recibir créditos o compensación por la electricidad generada, lo que a menudo se denomina "medición neta".
Este enfoque es común en áreas urbanas y comerciales y puede incluir grandes plantas fotovoltaicas o parques solares que generan electricidad a gran escala.
Sistemas aislados de red
Los sistemas aislados de red son independientes de la red eléctrica pública y se utilizan para autoconsumo en lugares que no tienen acceso a la red eléctrica o en aplicaciones específicas. Estos sistemas generan electricidad fotoeléctrica a partir de la energía solar y la almacenan en baterías para su uso posterior.
Se utilizan en viviendas aisladas, estaciones meteorológicas remotas, iluminación de carreteras en áreas rurales o lugares remotos, y en situaciones donde no es posible o rentable conectarse a la red eléctrica convencional.