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Paneles de energía
solar fotovoltaica

Panel fotovoltaico

Panel fotovoltaico

Una panel fotovoltaico es un tipo de panel solar diseñado para el aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica. Su función es transformar la energía solar en electricidad. También recibe el nombre de módulo fotovoltaico.

Los paneles fotovoltaicos se pueden utilizar para generar energía eléctrica tanto en aplicaciones domésticas como en aplicaciones comerciales.

Los módulos fotovoltaicos están formados por un conjunto de celdas fotovoltaicas interconectadas entre ellas. El panel fotovoltaico es el encargado de transformar de una manera directa la energía de la radiación solar en electricidad, en forma de corriente continua.

El resto de los elementos del sistema fotovoltaico se encargaran de gestionar y transformar esta tensión en corriente alterna, si fuera necesario. Esta función la realizan:

El equivalente en la energía solar térmica son los colectores solares. Los colectores solares son los paneles solares que, mediante las leyes de la termodinámica, aprovechan el calor del Sol para obtener calor.

¿Dónde hay que ubicación y orientar de los paneles?

La orientación e inclinación más apropiadas en cada emplazamiento depende de la latitud y de la época del año. Lo más aconsejable es un estudio de radiación solar recibida para cada emplazamiento.

En el hemisferio norte, por ejemplo, hay que orientar las placas, en dirección sur y con una inclinación determinada.

Por otro lado la inclinación de los módulos variará en función de las necesidades energéticas previstas y del período de utilización, a fin de hacer un balance estacional (invierno, verano) o anual.

¿Cómo se genera la electricidad mediante placas fotovoltaicas?

La célula solar sólo es capaz de generar una tensión de unas décimas de voltio (+/- 0,5 V) y una potencia máxima de 1 o 2 Watts. Por tanto, es necesario conectar en serie varias células (que se comportan como pequeños generadores de corriente) para conseguir tensiones de 624 V, aceptadas en muchas aplicaciones.

Panel fotovoltaico

Las placas fotovoltaicas producen electricidad en forma de corriente continua y suelen tener entre 20 y 40 células solares. De todos modos, es habitual que los módulos estén formados por 36 células para alcanzar los voltios necesarios para la carga de las baterias (12V).

Conexión de varias placas solares

Las placas solares fotovoltaicas se pueden unir entre ellas de dos formas:

  • Conexión en paralelo. Este tipo de conexión se se realiza con unión por una parte de los polos positivos y, por otro, de los negativos. La unión en paralelo entre los paneles solares proporciona una tensión igual a la del módulo (12-18 V)
  • Conexión en serie. La forma de conectar en serie dos o más paneles fotovoltaicos es conectando polo positivo de la primera con negativo de la segunda y sucesivamente. La unión en serie da una tensión igual a la suma de la de cada módulo (por ejemplo 12 V, 24 V, 36 V , etc.), dependiendo del número de placas interconectadas.

¿Cuáles son las diferentes tecnologías de los módulos fotovoltaicos?

De los muchos materiales que se pueden utilizar para la construcción de módulos fotovoltaicos, el silicio es el más utilizado. El silicio se obtiene en obleas que luego se unen para formar un módulo fotovoltaico.

Los tipos de construcción de las células fotovoltaicas más comunes son:

  • El silicio monocristalino: las células tienen una eficiencia de 18-21%. Tienden a ser costosos y también están presentes, se cortan con lingotes cilíndricos, es difícil cubrir con ellos superficies extendidas sin desperdiciar material o espacio.
  • El silicio policristalino: células más baratas, pero menos eficientes (15-17%), cuya ventaja radica en la facilidad con la que es posible cortarlas en formas adecuadas para unirse en módulos.
  • Silicio amorfo depositado por fase de vapor: las células fotovoltaicas tienen una eficiencia baja (8%), pero son mucho más baratas de producir. El silicio amorfo (Si-a) posee una banda importante de silicio cristalino (Si-c). Esto significa que es más eficiente en absorber la parte visible del espectro de la radiación solar, pero menos eficaz en la recolección de la parte infrarroja. Dado que el silicio nanocristalino (con dominios cristalinos del orden nanométrico) tiene aproximadamente el mismo intervalo de banda Si-c, los dos materiales se pueden combinar creando una célula fotovoltaica en capas, en la que la capa superior Si-a absorbe la luz visible y deja la porción infrarroja del espectro a la celda de silicio nanocristalina inferior.
  • CIS: las células se basan en capas de calcogenuro (por ejemplo, Cu (InxGa1-x) (SexS1-x) 2). Tienen una eficiencia de hasta el 15%, pero su costo todavía es demasiado alto.
  • Células fotoelectroquímicas: estas células fotovoltaicas, construidas por primera vez en 1991, se diseñaron inicialmente para imitar el proceso de fotosíntesis. Este tipo de celda en un módulo fotovoltaico permite un uso más flexible de los materiales y la tecnología de producción parece ser muy conveniente. Sin embargo, los tintes utilizados en estas células sufren problemas de degradación cuando se exponen al calor o a la luz ultravioleta. A pesar de este problema, esta es una tecnología emergente con un impacto comercial esperado dentro de una década.
  • Célula fotovoltaica híbrida: combina las ventajas de los semiconductores orgánicos y varios tipos de semiconductores inorgánicos.
  • Celda fotovoltaica concentrada: la utilización de esta celda en un módulo fotovoltaico combina las tecnologías antes mencionadas con lentes de concentración solar que aumentan significativamente la eficiencia. Representan la prometedora nueva generación de paneles aún en desarrollo.
  • Silicio monocristalino, en el cual cada célula está hecha de una oblea cuya estructura cristalina es homogénea (monocristal), dopada apropiadamente para formar una unión pn;
  • Módulo fotovoltaico con silicio policristalino, en el que la oblea mencionada anteriormente no es estructuralmente homogénea, sino que está organizada en granos ordenados localmente.

¿Qué materiales se utilizan para las estructuras de las placas solares?

Cuando se utiliza una estructura de soporte de los módulos solares, conviene emplear materiales que presenten buenas propiedades mecánicas, además de una gran durabilidad, teniendo en cuenta la larga vida útil de las instalaciones. Normalmente, los elementos de soporte son de:

  • Aluminio anodizado (de poco peso y gran resistencia)
  • Hierro galvanizado (apropiado para grandes cargas
  • Acero inoxidable (para ambientes muy corrosivos, es el de más calidad y precio más elevado)

Estructuras de madera

También existe la posibilidad de realizar las estructuras de los módulos fotovoltaicos con madera, debidamente tratada.

Las estructuras de madera deben tener unas operaciones mínimas de mantenimiento, y deben presentar unas condiciones aceptables para este uso. Las piezas de fijación, como los tornillos, deberían ser siempre de acero inoxidable.

¿Cómo se puede mejorar el rendimiento de los módulos fotovoltaicos?

En determinados casos, con el fin de aumentar los rendimientos del sistema de captación, se puede optar por las siguientes técnicas:

  1. Seguidores solares. Dotar de movimiento la estructura soporte con unos sistemas de seguimiento solar.
  2. Difracción de la luz. La difracción es un fenómeno característico de las ondas que se basa en la desviación de estas al encontrar un obstáculo o al atravesar una rendija.

Seguidores solares

Los seguidores solares funcionan mediante un motor normalmente asociado a un ordenador que, según la fecha y hora del día, ajusta la orientación de los paneles, ya sea respecto de uno o de los dos ejes del plano que contiene el panel. Estos sistemas son, naturalmente, más complejas e implican un mayor gasto y un mantenimiento más elevado.

Difracción de la luz

El fenómeno de difracción de la luz permite obtener paneles fotovoltaicos con un índice de transparencia superior al aparente, ya que la sombra proyectada por cada célula en el interior del edificio es inferior a la superficie que ocupa.

Esto implica que el panel solar se percibe sensiblemente más opaco desde el exterior que desde el interior.

Es posible, además, obtener una mayor transparencia si, dentro de una misma placa, se aumenta la distancia entre las células.

¿Cómo está compuesto un módulo fotovoltaico?

La placa fotovoltaica está diseñada para soportar las condiciones que se dan al aire libre y poder formar parte de la "piel" del edificio. Su vida útil se considera de 25 años.

Las células se encapsulan en una resina, y se colocan entre dos láminas para formar los módulos fotovoltaicos. La lámina exterior es de vidrio y la posterior puede ser de plástico opaco o de vidrio, si se quiere hacer un módulo semitransparente.

El silicio cristalino y el arseniuro de galio son las elecciones típicas de materiales para las células solares. Los cristales de arseniuro de galio se crean especialmente para usos fotovoltaicos, pero los cristales de silicio también se producen para el consumo de la industria de la microelectrónica .

El silicio policristalino tiene un menor porcentaje de conversión, pero a un costo reducido.

Panel fotovoltaico

Cuando se expone a una luz directa de 1 AU, una celda de silicio de 6 centímetros de diámetro puede producir una corriente de 0,5 ampirios a 0,5 voltios . El arseniuro de galio es más eficiente.

El cristal se corta en pequeños discos. Se pule para eliminar el peligro de corte. Los dopantes se insertan en los discos. Los controladores metálicos se depositan en cada superficie: un pequeño conector en la superficie que mira al sol y un conector en el otro lado. Los módulos solares están construidos con estas células cortadas en formas apropiadas, protegidas contra la radiación y dañadas mediante la aplicación de una capa de vidrio y cementadas sobre un sustrato (ya sea un panel rígido o flexible).

Las conexiones eléctricas se realizan en serie-paralelo para determinar el voltaje de salida total.

La capa protectora no debe ser un conductor térmico.  Como el calentamiento de la celda reduce la eficiencia operativa, es deseable reducir este calor.

Coste

Actualmente, los costos asociados con los módulos solares se vuelven baratos en aplicaciones donde la potencia de las estaciones eléctricas está disponible.

El costo de los combustibles fósiles está aumentando, y la experiencia de producción está reduciendo los costos de las células solares, esto puede no verse en un futuro muy cercano, pero a la larga la tendencia es un aumento en el uso de este tipo de energía renovable.

Placas fotovoltaicas como elemento constructivo

Panel fotovoltaicoLas placas fotovoltaicas empleadas en sistemas conectados a la red no son diferentes de las utilizadas por sistemas autónomos. Las que se integran en los edificios son normalmente módulos estándar.

Un problema habitual es el hecho de que pueden llegar a configurar estructuras independientes, superpuestas en el edificio, añadidas sin responder a criterios estéticos. En el mejor de los casos, se integran en las fachadas o el tejado. Por este motivo, algunas empresas han desarrollado elementos fotovoltaicos integrados en los edificios que pueden sustituir algunos elementos tradicionales de la arquitectura.

Las placas fotovoltaicas pueden ser, pues, tratadas como un elemento constructivo y ser combinadas con otros materiales en módulos prefabricados de gran superficie (actualmente se fabrican hasta 14 m²).

Son apropiadas para la formación de fachadas, la mejor orientación de las cuales es la sur, a pesar de no ser importante la influencia de una desviación de entre 30º y 45º hacia el este o el oeste en el cómputo anual de captación de energía.

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Fecha publicación: 2 de septiembre de 2015
Última revisión: 9 de abril de 2020