En los últimos años, la generación de energía fotovoltaica ha pasado a cumplir un papel fundamental dentro de las energías renovables.
Aunque los paneles fotovoltaicos son la parte más cara de una instalación suponiendo bastante más del 50% de la inversión total, en los últimos diez años su tecnología de fabricación ha evolucionado drásticamente convirtiendo a la fotovoltaica en un sistema de generación competitivo sin necesidad de subvenciones, con el agregado de aportar ventajas en relación con el cuidado del medio ambiente.
Ya sea a gran escala o pequeña, la construcción de una planta fotovoltaica es un proceso sencillo y rápido.
En un marco regulatorio a favor de la democratización de la energía y del cuidado del medioambiente que promueva la generación distribuida, no tiene sentido incorporar baterías en una instalación doméstica, con lo cual los componentes principales serían los paneles y el inversor mientras que por otra parte tendríamos otros componentes accesorios como las estructuras para el montaje de los paneles, el cableado, el monitorizador o el contador especial bidireccional.
En este artículo vamos a profundizar sobre el principio de funcionamiento de los paneles fotovoltaicos, los diferentes tipos que hay y sobre el punto de máxima potencia.
Principio de funcionamiento
Los paneles fotovoltaicos se componen de varias celdas conectadas en serie. Cada celda suministra corriente continua al recibir luz solar.
Las celdas se fabrican con láminas de un semiconductor. Mayoritariamente se usa el silicio, uno de los elementos mas abundantes en la superficie de la Tierra.
Celdas fotovoltaicas
Entre las propiedades de los semiconductores, está la de que cuando es expuesto a la luz, un fotón arranca un electrón (carga negativa) de su orbital llevándolo a otro sitio mas alejado del núcleo que llamamos banda de conducción y donde se encuentra mas libre para moverse. Esto origina a la vez un “hueco” (carga positiva) en el sitio que ocupaba. Lo normal, en el silicio puro es que las cargas vuelvan al equilibrio y el electrón regrese a ocupar el hueco que había dejado liberando en forma de calor la energía recibida del fotón.
Lo que interesa en una celda es que el electrón se vea forzado a circular en lugar de regresar a un hueco, y así generar una corriente eléctrica. Esto se consigue contaminando o “dopando” el silicio puro.
El átomo de Silicio tiene una estructura basada en cuatro electrones de valencia en su orbital externo, esto significa que tiene capacidad para crear cuatro enlaces. De esta manera, en estado puro, cada átomo de Silicio se encuentra unido a otros cuatro.
Para fabricar celdas fotovoltaicas, al igual que diodos, transistores o microprocesadores, el silicio debe contener una mínima cantidad de determinada impureza que lo hará donante de electrones (Tipo N) o receptor de electrones (Tipo P).
Como impureza que aporta electrones se suele usar el fósforo que tiene cinco electrones de valencia (uno más que el silicio) y como impureza que aporta huecos, el boro con tres electrones de valencia (uno menos que el silicio). Al agregado de estas impurezas se le llama “dopado”.
Al unir una lámina tipo N (silicio dopado con fósforo) con otra tipo P (silicio dopado con boro), hay una migración de electrones libres desde la tipo N a la tipo P, creándose en la unión una zona de carga positiva en el material tipo N (que ha perdido electrones) y una zona de carga negativa en el material tipo P (que ha ganado electrones). Esto da origen a una diferencia de potencial y un campo eléctrico en la zona de unión que permite el flujo de electrones solo en una dirección. Ésta es la clave para entender el funcionamiento de una celda fotovoltaica.
Esquema de lo que ocurre en la unión de un semiconductor tipo P con otro de tipo N. Si se cierra el circuito, al incidir la luz habrá un flujo de electrones saliendo por la región tipo N
La lámina tipo N es la que está expuesta al sol. Cuando un fotón cede su energía a un electrón de esta lámina tipo N lo arranca de su orbital y se crea un par electrón-hueco. A causa del campo eléctrico cada uno irá en dirección opuesta de manera que el electrón no regresa al hueco. Si cerramos el circuito generará una corriente eléctrica con una salida de electrones desde la región tipo N.
Si imaginamos una celda como una pila, será fácil comprender cómo varias celdas interconectadas forman un panel fotovoltaico, y varios paneles fotovoltaicos interconectados generan un campo fotovoltaico que proporciona energía eléctrica en forma de Corriente Continua.
Tipos de celdas
En el mercado comercial, (dejando de lado tecnologías experimentales o para uso aeroespacial) el silicio es el elemento utilizado para fabricar las celdas. Según la tecnología empleada, el silicio puede estar en tres formas diferentes:
Monocristalino
Policristalino
Amorfo
Las celdas monocristalinas son las mas eficientes y se diferencian por su color oscuro y uniforme y por su forma octogonal, con 4 lados largos y cuatro cortos. Las policristalinas tienen una coloración azul y están formadas por pequeños cristales fácilmente reconocibles. En las amorfas, el silicio no está cristalizado y la eficiencia es menor que en las otras.
A mayor tamaño de cristal, mayor es la eficiencia. Se calcula en función de la cantidad de energía eléctrica que puede generar un panel a partir de la cantidad de energía recibida del sol. La eficiencia de las células monocristalinas está en torno al 17%.
En la hoja de características de un panel fotovoltaico encontraremos una gráfica como la siguiente:
Esta curva corresponde a valores de tensión y corriente a 25ºC (la eficiencia aumenta en la medida que baja la temperatura) y parte de una radiación máxima de 1000 W/m², que es un valor relativamente alto teniendo en cuenta que la energía que llega al exterior de la atmósfera terrestre sobre una superficie perpendicular a los rayos solares es de 1.353 W/m².
Vemos en la curva que para una determinada radiación, si nos movemos a la derecha partiendo del eje Y, aumenta el valor de tensión y el valor de la corriente casi se mantiene constante hasta llegar a un punto de inflexión en el que cae a cero. En el punto de inflexión está el punto de máxima potencia del panel y sobre este, es donde tiene que trabajar el inversor para obtener la máxima potencia posible con la función MPPT (Maximum Power Point Tracking: Búsqueda del Punto de Máxima Potencia).
En la siguiente gráfica vemos en color rojo una curva que correspondería a una radiación determinada de las cinco de la curva anterior y en color morado cómo varía la potencia en la medida que nos desplazamos en el eje X.
El punto de máxima potencia (MPP) varía continuamente en función de la radiación recibida (estación del año, hora del día, estado del cielo, etc.) y la temperatura del panel.