¿Cómo Funcionan los Paneles Solares?

Probablemente has visto calculadoras que tienen unas pequeñas placas como espejos, que nunca necesitan baterías y en algunos casos ni siquiera tienen un botón de apagado. Mientras tengas la suficiente luz, parece que vayan a funcionar para siempre. Puede que hayas visto elementos parecidos en otros sitios, alimentando de energía diversos mecanismos o sistemas. Incluso los satélites tienen estos paneles solares, que son usados para dar energía a los sistemas eléctricos de estos objetos espaciales.

De todos modos, no hace falta que hayas visto muchos, ya que habrás oído hablar de la revolución de la energía solar en los últimos veinte años – la idea de que algún día el sol será el que nos de el suministro eléctrico que necesitamos.

Lo cierto es que es una promesa seductora, en un día soleado, el sol nos lanza aproximadamente mil vatios de energía por metro cuadrado sobre la superficie del planeta, y si pudiéramos recolectar esa energía, podríamos hacer funcionar nuestras casas, edificios, calles, etc. por un precio irrisorio, o incluso gratuitamente.

El uso de estos paneles

Las placas solares que utilizas en calculadoras y satélites son células fotovoltaicas o módulos (que son simplemente un grupo de baterías eléctricas conectadas y empaquetadas en un bloque. El término fotovoltaico implica como dice su palabra, luz (foto) y electricidad (voltaico), y convierte la luz de sol directamente en electricidad.

Esta tecnología se utilizaba principalmente en el espacio, pero los fotovoltaicos cada vez se utilizan más en maneras más variadas. De hecho, muchas casas donde no llega el tendido eléctrico, ya usa esta manera de energía alternativa.

Las placas fotovoltaicas están hechas de materiales especiales llamados semiconductores, como por ejemplo la silicona, la cual es la que actualmente más se utiliza. Básicamente, cuando la luz incide en la placa, una cierta porción es absorbida en el material semiconductor.

Esto significa que la energía de la luz absorbida es transferida al semiconductor. Estas placas fotovoltaicas también tienen uno o más campos eléctricos que fuerzan a los electrones liberados por la luz, para que fluyan en una cierta dirección. Este flujo de electrones es una corriente, y poniendo contactos metálicos en la parte superior e inferior de las baterías fotovoltaicas, podemos usar esta corriente para que se use de manera externa.

Este es el proceso básico, pero la verdad es que hay mucho más en esta tecnología. Para verlo, veremos como la silicona crea una placa solar.

La silicona tiene algunas propiedades químicas especiales, especialmente en su forma cristalina. Un átomo de silicona tiene catorce electrones, organizadas en tres localizaciones distintas. Las dos primeras que están más cerca del centro, están completamente llenas. La más lejana está media llena, teniendo solo 4 electrones.

Un átomo de silicona siempre buscará maneras de rellenar su última localización (donde lo ideal sería tener 8 electrones). Para hacer esto, compartirá electrones con 4 de sus átomos de silicona vecinos. Esto es lo que forma la estructura cristalina, y esta estructura hace que se importante para este tipo de batería fotovoltaico.

La silicona pura es un pobre conductor de electricidad porque ninguno de sus electrones están libres para moverse, al contrario que en otros conductores mejores como el cobre. En lugar de eso, los electrones  son bloqueados en la estructura cristalina.

La silicona en un panel solar se modifica ligeramente para que pueda funcionar como una placa solar. Un panel solar tiene silicona con impurezas – otros átomos mezclados con los átomos de silicona, cambiando la forma en que trabajan. Siempre pensamos en las impurezas, pero en nuestro caso, nuestro panel no podría funcionar sin ello. De hecho están puestos a propósito.

Materiales y funcionamiento

Cuando la energía se añade a la silicona pura, por ejemplo en forma de calor, puede causar que algunos electrones se liberen de sus ataduras y abandonen sus átomos. Un agujero es dejado en cada caso. Estos electrones vagan de forma aleatoria alrededor de la superficie buscando otro agujero donde caer.

En este caso los electrones se llaman portadores libres y transportan corrientes eléctricas. Sin embargo, hay pocas en la silicona pura y no son muy usadas. La mezcla de silicona con impurezas (por ejemplo átomos de fósforo) es otra historia. Cuesta menos liberarlos porque no tienen las mismas ataduras – los vecinos no están enlazados con ellos. Como resultado, muchos de estos electrones se liberan y tenemos muchos portadores libres comparados con la silicona pura.

Una parte del panel solar en de tipo N. La otra parte esta compuesta de boro, que tiene solo 3 electrones  en su localización externa en lugar de cuatro para convertirse en silicona del tipo P. En lugar de tener electrones libres, la silicona de tipo P (de positivo), tiene tres agujeros. Los agujeros son la ausencia de electrones, por lo que transportan la carga opuesta (positiva).

La parte interesante empieza cuando pones silicona tipo N con silicona tipo P. Recuerda que cada batería fotovoltaica tiene al menos un campo eléctrico. Sin un campo eléctrico, el panel solar no podría funcionar, y este campo se forma cuando los tipos N y P están en contacto. De repente, los electrones libres en la parte de la N (negativo), que han estado buscando huecos libres para introducirse, ven los agujeros en la parte P, y hay una furiosa lucha para llenarlos.

Anatomía de una placa solar

Antes de ahora, la silicona existente era eléctricamente neutra. Nuestros electrones extra eran balanceados por los protones extra en el fósforo. Los electrones faltantes (huecos) eran balanceados por los protones faltantes en el boro. Cuando los huecos y los electrones se mezclaban en la unión entre la silicona Tipo N y la del tipo P, esta neutralidad se rompía.

¿Llenaban los electrones libres todos los agujeros libres? La respuesta es no. Si lo hicieran, todo el entramado no sería demasiado útil. Sin embargo, justo en la unión, crean una mezcla y forman una barrera, poniendo muy difícil para los electrones en el lado N, ir al lado P. Eventualmente, se alcanza el equilibrio y tenemos un campo eléctrico separando ambos lados.

Este campo eléctrico actúa como un diodo, permitiendo (o incluso empujando) los electrones para que fluyan del lado P al lado N, pero no de la otra manera. Es como una colina – los electrones pueden ir fácilmente colina abajo (al lado N), pero no pueden escalarla (al lado P). Por tanto, tenemos un campo eléctrico actuando como un diodo donde los electrones solo se pueden mover en una dirección. Cuando la luz, en forma de fotones, incide en nuestra placa solar, su energía libera parejas de huecos de electrones.

Cada fotón con la suficiente energía normalmente liberará exactamente un electrón, y resultará en un hueco libre también. Si esto pasa lo suficientemente cerca al campo eléctrico, o si el electrón libre y el hueco vagan dentro de su rango de influencia, el campo enviará el electrón al lado N y el hueco al lado P. Esto causa un rompimiento de la neutralidad eléctrica, y si proveemos de una corriente externa, los electrones viajarán por esta vía a su lado original (lado P) para unirse a los huecos que el campo eléctrico envió ahí, haciendo el trabajo por nosotros.

El flujo de electrones provee la corriente, y el campo eléctrico de la placa causa el voltaje. Con la corriente y el voltaje, tenemos la energía, la cual es el producto de los dos. Hay algunos pasos más antes de que podamos usar la placa solar. La silicona es un material realmente brillante, lo cual significa que es muy reflectivo.

Los fotones que son reflejados no pueden ser usados por el panel solar. Por esta razón, se aplica un elemento anti-reflectivo en la parte superior del panel para reducir las pérdidas de reflexión a menos de un 5 por ciento.

La parte final es la cubierta de vidrio  que protege la placa de los elementos. Los módulos de placas fotovoltaicas se consiguen conectando varios paneles (usualmente 36) en serie o paralelo para conseguir niveles útiles de voltaje y corriente eléctrica. ¿Cuánta luz de sol absorbe una placa fotovoltaica? Desafortunadamente, lo máximo que nuestra placa solar puede absorber es un 25 por ciento, aunque suele ser algo menos. ¿Por qué tan poco?

Las pérdidas en los paneles solares

La luz visible solo es parte del espectro electromagnético. La radiación electromagnética no es monocromática – está hecha de un rango de diferentes longitudes de onda, y por ello, de distintos niveles de energía. La luz puede ser separada en diferentes longitudes de onda, y podemos verlo en formad e un arco iris. La luz que incide en nuestros paneles tiene fotones con variaciones de energía, por lo que algunos de ellos no tendrán suficiente energía para formar un par de electrones-huecos. Simplemente pasarán a través del panel solar como si fueran transparentes.

Sin embargo, otros fotones tienen demasiada energía. Solo una cierta cantidad de energía, medido en electro-voltios y definido por el material del panel, es requerida para una pérdida de electrones.

Si un fotón tiene más energía que la cantidad requerida, esa energía extra se pierde, a no ser que el fotón tenga el doble de la energía requerida y pueda crear más de una pareja de electrones-huecos, pero este efecto no es significante. Estos dos efectos por si solos son los culpables de alrededor del 70 por ciento la incidencia de energía en el panel.

¿Por qué no usar material con unas pérdidas bajas para poder usar más fotones? Desafortunadamente, el material también determina la fuerza (voltaje) del campo eléctrico, y si es demasiado bajo, lo que provocamos en la corriente extra (al absorber más fotones), lo perdemos al tener un voltaje pequeño.

Hay también otras pérdidas. Nuestros electrones tienen que ir de un lado a otro del panel por un circuito externo. Se ha cubierto el fondo con un metal permitiendo una mejor conducción, pero si cubrimos completamente la parte superior, entonces los fotones no pueden pasar por el conductor opaco y perdemos esa corriente. De todos modos, en algunos paneles se están usando conductores transparentes en la parte superior, pero no en todos.

Si ponemos los contactos solo en los lados del panel, entonces los electrones tienen que viajar una distancia extremadamente larga (para un electrón) para alcanzar los contactos. Hay que recordar que la silicona es un semiconductor – no es tan buena como el metal para transportar corriente. Su resistencia interna  es bastante alta, y una resistencia alta significa perdidas altas.

Para minimizar estas pérdidas, nuestro panel es cubierto con una rejilla metálica de contacto que acorta la distancia que los electrones tienen que viajar, mientras que cubren solo una pequeña parte de la superficie del panel. Aun así, algunos fotones son bloqueados por la rejilla, que no puede ser demasiado pequeña o sino su propia resistencia podría ser demasiada alta.

Alimentando una casa con paneles solares

¿Qué debemos hacer para dar energía a una casa con paneles solares? Aunque no es demasiado fácil como poner unos módulos en el tejado de nuestra casa, tampoco es demasiado difícil de hacer.

Lo primero es que todos los tejados tienen la orientación o ángulo de inclinación correctos, para poder beneficiarse de la energía solar. Habría que hacer un estudio en cada caso para saber cual es la mejor manera de poder sacar el máximo beneficio de nuestros paneles solares.

Se puede incluso utilizar diferentes inclinaciones si se quiere aprovechar la energía de la mañana o tarde, el invierno o verano, etc. Por supuesto, los módulos no deben estar nunca ensombrecidos por árboles o edificios cercanos. En un panel solar de 36 módulos, si uno de ellos queda ensombrecido, entonces la producción de energía se reducirá a la mitad.

Si tienes una casa con un tejado sin sombras y con una buena orientación, necesitas decidir el tamaño del sistema que necesitas. Esto es complicado por el hecho de que la producción de electricidad depende del tiempo, que no es siempre predecible, y que también que tú demanda de electricidad será variable. Hay soluciones para estos temas.

Los datos meteorológicos puede darnos la información del promedio de luz del sol de forma mensual para diferentes áreas geográficas. Aquí se considera los días lluviosos y con nubes, como también la altitud, la humedad y otros factores.

Con estos datos y sabiendo el consumo medio o demanda, hay sistemas sencillos que se pueden usar para determinar cuantos módulos fotovoltaicas harían falta. También se debe decidir sobre un sistema de voltaje, que se puede controlar decidiendo cuantos módulos se pueden cablear en serie.