Hablemos de energía solar fotovoltaica,

Convertir la energía luminosa del sol en energía eléctrica de forma directa, tal y como se consigue a través de las células fotoeléctricas, es sin duda una de las formas más atractivas de generación eléctrica, no sólo por ser limpia y respetuosa con el medioambiente sino por aprovechar una fuente tan inagotable y fácil de explotar como la radiación solar.

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Las ventajas de esta tecnología son infinitas: constituye una fuente de energía inagotable; no genera residuos durante su funcionamiento; no provoca ningún tipo de impacto paisajístico ya que permite el aprovechamiento de todo tipo de superficies, desde un pequeño soporte sobre una señal de tráfico hasta la superficie de todas las cubiertas de los edificios; los materiales necesarios para la construcción de los paneles abundan en la naturaleza; permite la producción local de la energía…

No obstante, la energía solar fotovoltaica presenta también una serie de inconvenientes que dejan en entredicho a quienes creen que con ella bastaría para cubrir la demanda de energía eléctrica de un país. Ni en el principado de Andorra sería viable, al menos en la actualidad. Como ya hice en la entrada dedicada a la energía nuclear, en lugar de enumerar una serie ventajas e inconvenientes como si fueran los elementos de la tabla periódica o las preposiciones para los de letras, prefiero explicar algunos detalles básicos relacionados con esta tecnología y que suelen ser desconocidos. De esta forma, y aunque mi opinión quedará expuesta al final de esta entrada, cada uno será capaz de identificar y evaluar por sí mismo las ventajas, desventajas, potencial y limitaciones de la generación de energía eléctrica mediante paneles fotovoltaicos.

EL EFECTO FOTOELÉCTRICO

El efecto fotoeléctrico es el principio físico que explica la producción de corriente eléctrica en un metal cuando éste es expuesto a una radiación electromagnética de frecuencia adecuada. Evitando sin complejos ahondar en las teorías físicas sobre la naturaleza de la luz, aceptaremos que la luz está compuesta por “partículas especiales” llamadas fotones que poseen una energía característica. Esta energía depende de la frecuencia de la radiación electromagnética. Pues bien, si un fotón con la adecuada frecuencia impacta sobre un electrón de  la superficie de un metal sólido, puede ocurrir que el electrón se desprenda del átomo al que pertenece.

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        Para que el electrón sea arrancado, la energía aportada por el fotón ha de ser superior a una determinada energía mínima denominada función trabajo. La mayor o menor energía cinética y, por ende, la mayor o menor velocidad del electrón liberado dependerá de en cuanto es supera la energía del fotón a la función trabajo.
            El efecto fotoeléctrico explica otras obsevaciones como la carga positiva de las partículas de polvo de la superficie lunar sobre las que los fotones inciden con mucha mayor energía arrancando gran cantidad de electrones.

  

LOS PANELES FOTOVOLTAICOS

Evidentemente no es tan sencillo como poner un trozo de alambre al sol. Uno de los inconvenientes es que los electrones liberados del metal tienden a recolocarse de forma que, aunque exista desplazamiento de electrones de unas zonas a otras del metal, no se produce corriente eléctrica. En las células fotovoltaicas que componen los paneles el problema se resuelve mediante la existencia un campo eléctrico continuo que obliga a la circulación de los electrones en un sentido determinado. Esto se consigue mediante dos semiconductores dopados con carga negativa y positiva entre los que se realiza una unión P-N, para los más profanos en tecnología electrónica, basta saber que lo conseguido de esta manera es un diodo y que éste sólo permitirá el flujo de corriente en una dirección obteniéndose de esta manera un flujo de corriente continua.

Mediante la conexión en serie de un gran número de células fotovoltaicas se consigue el aumento del potencial eléctrico, al conjunto de células así conectadas junto con la estructura que permite esta unión se le conoce como panel fotovoltaico.

El material usado por excelencia en la fabricación de células fotoeléctricas es el Silicio, según su estructura se distinguen tres tipos de células fotovoltaicas de Silicio:

• Amorfas: No presentan estructura cristalina.
• Policristalinas: Están formadas por gran cantidad de pequeños cristales de Silicio.
• Monocristalinas: Formadas por un único cristal de Silicio.

La efectividad de las células es mayor cuanto mayor es el tamaño de sus cristales, también lo son sus costes y su peso.

OTROS ELEMENTOS DE LAS INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS

Además de los paneles fotovoltaicos, las instalaciones solares requieren de otros elementos entre los que destacaré los acumuladores, el regulador de carga y el inversor.

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• Acumuladores: Los acumuladores permiten que se pueda disponer de corriente eléctrica durante las horas de menor insolación. Por otro lado, los acumuladores permiten, a su vez, que pueda suministrarse una corriente eléctrica superior a la generada en los paneles. Los acumuladores más empleados en las instalaciones domésticas son baterías de Plomo-ácido y baterías de Níquel-Cadmio.

• Regulador de carga: La función de este dispositivo es la de controlar la carga y el funcionamiento de los acumuladores (baterías). Sin el regulador de carga la instalación funcionaría pero la vida de los acumuladores se acortaría indeseablemente.

• Inversor: Como se ha dicho anteriormente, la corriente producida en los paneles fotovoltaicos es corriente continua. La función del inversor es la de convertir la corriente continua almacenada en los acumuladores en corriente alterna de 220V y 50 Hz que es con la que funcionan la mayoría de los aparatos eléctricos domésticos y la que nos suministran las compañías a través de sus redes de distribución de baja tensión.

SILICIO SOLAR

Según datos de la Asociación de la Industria Fotovoltaica (ASIF), en el año 2004 más del 90 % de los paneles fotovoltaicos se construyeron empleando Silicio cristalino. La obtención de este material parte de la extracción de cuarcita ya que este mineral está formado en un 90% en peso por Óxido de Silicio (SiO2). La obtención del Silicio metálico (Si) se realiza por reducción en horno eléctrico en presencia de carbón, tras esta operación, de alto coste energético, se obtiene un Silicio metálico de pureza superior al 99%. Las aplicaciones del Silicio metálico en la industria metalúrgica son muchas, sin embargo, este material sigue sin ser apto para la fabricación de semiconductores.

El Silicio electrónico o solar debe tener una pureza mucho mayor (10 ppm), para lograr esta elevada pureza son necesarios dos procesos: En primer lugar, el Silicio metálico se convierte en gas mediante un proceso químico; En segundo lugar, se extrae el Silicio puro del gas (triclorosilano) mediante el depósito sobre una semilla de Silicio, este proceso se suele llevar a cabo en un reactor a alta temperatura donde se coloca una fina barra de Silicio sobre la que se deposita el Silicio puro (Proceso Siemens). Este Silicio de altísima pureza, generalmente presentado en forma de barras metálicas, es la materia prima base en la producción de células fotovoltaicas. En nuestro país destaca la empresa Silicio Solar situada en Puertollano (Ciudad Real).

Para obtener las obleas que conforman las células fotovoltaicas es necesario fundir el Silicio solar y fabricar lingotes de forma adecuada, el proceso de enfriamiento es muy delicado y de él depende el tamaño de los cristales de Silicio. Tras su solidificación, los lingotes son cortados en obleas cuyo espesor puede variar entre 300 y 180 micras.

DESVENTAJAS DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

Los principales inconvenientes de la generación de energía fotovoltaica son: el bajo rendimiento de las células fotovoltaicas, escasamente superior al 20%, obliga a que para obtener una intensidad de corriente respetable necesitemos una gran cantidad de células fotovoltaicas; los costes de fabricación de los paneles, tanto desde el punto de vista energético como desde el económico los costes de producción de los paneles fotovoltaicos son bastante elevados y su fabricación compite, además, con otras aplicaciones de la industria electrónica; la necesidad del uso de acumuladores (ámbito doméstico) es también un inconveniente ya que las baterías tienen una elevado potencial contaminante.

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En conclusión podemos decir que la generación de energía eléctrica con paneles fotovoltaicos tiene numerosas ventajas que la hacen enormemente interesante y, como cualquier tecnología, presenta una serie de inconvenientes y puntos débiles. Muchos de estos inconvenientes están siendo estudiados por investigadores de todo el mundo; Las nuevas tecnologías apuntan hacia células fotoeléctricas con componentes biológicos; Se estudian nuevos materiales y nuevos procesos que abaraten la fabricación de los paneles; Por otro lado, la gestión de los residuos electrónicos deberá jugar, a su vez, un papel destacable. Mientras los investigadores desarrollan nuevos procesos y mejoran los actuales, la energía fotovoltaica deberá caminar de la mano de otras fuentes de generación como la hidráulica, la térmica, otras renovables o incluso la nuclear. En las manos de nuestros gobernantes está siempre la responsabilidad de favorecer, no la instalación de huertos solares, sino la investigación. Sólo de manos de los investigadores llegará la tecnología que nos permita vivir con la satisfacción de saber que el 100% de la energía que consumimos procede de energías limpias.