Un panel solar (o placa solar) es un dispositivo que captura la energía radiante del sol y la convierte en otra forma de energía utilizable. Existen dos tipos principales de paneles solares: fotovoltaicos y térmicos.
Un panel solar fotovoltaico está compuesto por celdas solares fotovoltaicas que contienen materiales semiconductores capaces de convertir la luz solar en electricidad. Estas celdas absorben los fotones de luz solar y liberan electrones, generando así una corriente eléctrica de corriente continua (CC). Las placas fotovoltaicas se utilizan para producir electricidad y se pueden encontrar en sistemas residenciales, comerciales e industriales.
Por otro lado, un panel solar térmico está diseñado para aprovechar la energía térmica del sol y calentar agua u otros fluidos. Estos paneles térmicos están compuestos por colectores solares que absorben la energía solar y transfieren el calor al agua o al fluido circulante. Los paneles solares térmicos se utilizan principalmente para calentar agua en aplicaciones residenciales, comerciales e industriales, y pueden contribuir significativamente a la reducción del consumo de energía convencional para el calentamiento de agua.
Paneles fotovoltaicos: generación eléctrica
Los paneles fotovoltaicos están diseñados para la producción de electricidad. Este tipo de paneles está compuesto por pequeñas celda solares que convierten la radiación del Sol en energía eléctrica gracias al efecto fotovoltaico.
Este tipo de placa solar está compuesto por materiales semiconductores que normalmente son derivados del silicio. Los paneles se construyen interponiendo dos capas de silicio en las que cada una está tratada de una forma especial para generar un campo eléctrico.
Cuando un fotón de la luz impacta contra estas capas hace saltar un electrón de un átomo de silicio. Los electrones sueltos fluyen en la misma dirección generando una corriente eléctrica debido al campo eléctrico creado.
Los paneles solares fotovoltaicos generan electricidad en forma de corriente continua y habitualmente van compañadps de conversores de corriente para obtener corriente alterna.
¿Cómo funciona? El efecto fotovoltaico
Los paneles fotovoltaicos funcionan gracias al efecto fotovoltaico, un fenómeno físico que permite convertir la luz solar en electricidad. Este efecto se produce en ciertos materiales semiconductores, como el silicio, que son capaces de generar una corriente eléctrica cuando son expuestos a la luz.
Cada panel fotovoltaico está compuesto por muchas celdas solares, que son las unidades básicas donde ocurre el efecto fotovoltaico. Cuando la luz solar incide sobre una celda solar, los fotones (partículas de luz) transfieren su energía a los electrones del material semiconductor. Esta energía adicional permite que los electrones se liberen de sus átomos, creando pares electrón-hueco (el hueco es la ausencia de un electrón). Debido a la estructura de la celda, los electrones libres se desplazan hacia un lado del semiconductor, mientras que los huecos se mueven hacia el lado opuesto, generando una diferencia de potencial eléctrico, o voltaje.
Este movimiento de electrones genera una corriente continua que puede ser utilizada directamente para alimentar dispositivos eléctricos o, mediante un inversor, convertida en corriente alterna para uso en hogares o industrias. Así, los paneles fotovoltaicos transforman la energía solar en energía eléctrica de manera limpia y sostenible.
Materiales utilizados
En general las celdas solares están compuestas por silicio cristalino o arseniuro de galio. Los cristales de arseniuro de galio se crean para estos usos, mientras que los cristales de silicio también se producen para el consumo de la industria de la microelectrónica.
Dependiendo de la configuración del silicio de las celdas solares, las placas fotovoltaicas se clasifican en policristalinas, monocristalinas y placas solares de capa fina. Las principales diferencias entre ellas son el coste y la eficiencia.
Técnica de construcción
Una celda de silicio de 6 cm expuesta a una luz directa de 1 AU puede producir una corriente de 0,5 amperios a 0,5 voltios. El arseniuro de galio es aún más eficiente que el silicio.
El cristal se corta en pequeños discos y se pule para eliminar el peligro de corte. Luego, se insertan los dopantes en los discos y 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.
Las placas solares están construidos con estas células cortadas en formas apropiadas. Ademnás, están protegidas contra la radiación y otros daños al aplicar 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 y deben tener una capa protectora debe ser un conductor térmico.
Células fotovoltaicas que componen un panel solar
Aunque cada célula fotovoltaica proporciona poca cantidad de energía, un conjunto de células solares puede generar suficiente energía para ser útil.
Las configuraciones más habituales de células solares son las siguientes
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Paneles solares de 36 células: este tipo de panel es el más compacto del mercado y la opción más recomentdada en instalaciones aisladas pequeñas. Las 36 células solares para generan una tensión de salida de 12 voltios.
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Paneles solares de 60 células. Utiliza 60 células solares para obtener una tensión de salida superior a 24 V.
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Paneles solares de 72 células. Este tipo de módulo fotovoltaico conecta 72 células solares para obtener una tensión superior a 24V y se utilizan principalmente en instalaciones de conexión a la red eléctrica.
Colectores solares: generación de calor
Los colectores solares forman parte de las instalaciones de energía solar térmica.
Su función es aprovechar la energía calorífica del sol para calentar un líquido.
Este tipo de panel solar funcionan haciendo circular un fluido dentro de él. El panel capta la energía calorífica del sol. Este fluido, se calienta al circular por dentro del colector.
Tipos de colectores solares
Existen varios tipos de colectores solares, cada uno diseñado para aplicaciones específicas según la temperatura que se necesita alcanzar:
- Colectores de baja temperatura:
Colectores solares planos: Son los más comunes y consisten en una superficie plana que absorbe la radiación solar. Son ideales para aplicaciones como calentamiento de agua para uso doméstico o calefacción.
Colectores de tubos de vacío: Estos colectores tienen una mayor eficiencia que los planos, especialmente en climas fríos. Están formados por tubos que contienen un vacío en su interior, lo que reduce las pérdidas de calor. - Colectores de alta temperatura:
Concentradores solares de espejo parabólico: Utilizan espejos parabólicos para concentrar la radiación solar en un pequeño receptor, aumentando así la temperatura. Se utilizan en aplicaciones industriales o en la generación de electricidad.
Espejos planos o lentes Fresnel lineales: Estas tecnologías también concentran la radiación solar, pero con un diseño diferente al parabólico, y son empleados en aplicaciones donde se requiere alta temperatura. - Colectores de muy alta temperatura:
Centrales solares térmicas: En estas instalaciones, se utilizan campos de espejos planos orientables que reflejan la radiación solar hacia un único punto focal. Este tipo de colectores es capaz de alcanzar temperaturas extremadamente altas y se utilizan principalmente en la generación de electricidad a gran escala.
Ejemplos de usos y aplicaciones
La instalación de paneles solares ofrece la capacidad de generar electricidad o calor, lo que amplía sus posibilidades de uso en una variedad de aplicaciones.
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Electrónica portátil: Los paneles solares se utilizan para suministrar electricidad y recargar baterías en dispositivos electrónicos de consumo, como calculadoras y dispositivos portátiles.
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Carga de vehículos eléctricos: Los automóviles eléctricos pueden cargar sus baterías con energía solar. Esto se puede lograr mediante paneles solares incorporados en el vehículo o en estaciones de carga.
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Energía para edificios: En regiones tropicales y subtropicales con abundante luz solar, los paneles solares de gran tamaño, como los colectores solares, se utilizan para abastecer de energía a edificios y viviendas.
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Aplicaciones espaciales: Las naves espaciales emplean baterías solares como fuente principal de generación eléctrica. Estas baterías son altamente eficientes y sostenibles, en contraste con las fuentes de energía nuclear y radioisótopos.
Las aplicaciones principales de los colectores solares son:
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Agua caliente sanitaria: Los colectores solares se emplean para calentar agua utilizada en hogares y edificios, reduciendo así la necesidad de sistemas de calentamiento convencionales.
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Sistemas de calefacción: Proporcionan calor para sistemas de calefacción en viviendas y edificios, lo que disminuye la dependencia de fuentes de calor tradicionales.
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Producción de electricidad a gran escala: En centrales térmicas de vapor, los colectores solares se utilizan para generar electricidad a gran escala, aprovechando la radiación solar como fuente de calor.