La tierra obtiene más energía solar en una hora de la que todo el mundo usa en un año. En números, 430 trillones de julios de energía solar llegan a la Tierra cada hora, y por las cifras del Departamento de Energía de los Estados Unidos de América la cantidad total de energía que todos los seres humanos utilizan en un año es de 410 trillones de julios.
Otro dato de la Union of Concerned Scientists afirma que 18 días de irradiación solar sobre la Tierra contienen la misma cantidad de energía que la acumulada por todas las reservas mundiales de carbón, petróleo y gas natural.
El sol es una fuente de energía renovable ya que según la NASA aún le quedan 5 mil millones de años de vida. La conversión de energía solar en electricidad puede utilizar el fenómeno fotovoltaico, típicamente con semiconductores (energía solar fotovoltaica), o utilizar procesos térmicos con una conversión posterior en electricidad, típicamente a través de turbinas (energía solar termoeléctrica). En este trabajo cuando se hable de energía solar se hará referencia exclusivamente a la primera.
El ritmo de la energía solar en los últimos años es muy significativo. Según la Agencia internacional de energías renovables (IRENA), en 2015 se instalaron 227.000 MW de potencia de energía solar en el mundo, siendo en el 2000 unos 1.223 MW.
Económicamente, comprar un panel de silicio monocristalino es aproximadamente un 80% más barato que hace 10 años.
El mercado fotovoltaico mundial superó la marca de los 100 GW por tercer año consecutivo. En 2019, nueve países tienen más de 10 GW de capacidad acumulada, cinco tienen más de 40 GW y solo China representó 204,7 GW. La Unión Europea (EU28), que solía liderar el ranking durante años, perdió su posición de liderazgo en 2015 y ahora ocupa el segundo lugar (131 GW), con EE. UU. tercero (75,9 GW) y Japón cuarto (63 GW)
Según la Agencia, si se pudiera producir un cuarto de la electricidad de todo el mundo para el año 2050, se podrían evitar más de 6.000 millones de toneladas de CO2 cada año.
Antes de pasar a la parte técnica, se muestran a continuación dos recursos de divulgación sobre la energía solar.
El primero es relativo a la Escala de Kardashov, un método para medir el grado de evolución tecnológica de una civilización, propuesto en 1964 por el astrofísico ruso Nikolái Kardashov.
La escala divide las civilizaciones en tres tipos: el tipo 1 o planetaria donde poder controlar la energía de todo el planeta (volcanes, océanos…) y la estrella más cercana, nuestro sol; el tipo 2 o estelar: donde controlar la energía de las estrellas, no solo transformar la luz en energía, y moverse a otros planetas cuando se agota. La “Esfera de Dyson” es un ejemplo en esa línea; y tipo 3 o galáctica donde controlar la energía de toda la galaxia y acceder a todas las regiones de esta.
En la actualidad nuestra civilización no entra en la escala, ya que estaría dentro del tipo 0, donde la producción de energía se basa en recursos no renovables como el petróleo o carbón. Sin embargo, las energías renovables y los proyectos basados en ellas son la semilla para pasar al tipo 1.
El físico teórico Michio Kaku sugiere que los seres humanos podríamos alcanzar el Tipo I en 100-200 años sobreviviendo por tanto como especie, o extinguiéndonos. Dicho de otra forma, llegando a las estrellas, o quedándonos como una civilización Tipo 0. El Tipo II en algunos miles de años y el Tipo III entre 100 000 a un millón de años.
El segundo es un artículo del New York Times de 1931, cuyo nombre era “Solución cercana para el uso de la energía solar” contenía ya una sugerencia en base a la exposición de un científico alemán, Dr. Lange,
La humanidad no tendrá que temer más al agotamiento de las reservas de carbón previstas para dentro de unos pocos cientos de años.
La célula fotovoltaica y el efecto fotovoltaico
La unidad básica fotovoltaica es la célula solar. Es un dispositivo electrónico que convierte directamente la luz solar en electricidad. El módulo, placa o panel fotovoltaico consta de varias células solares interconectadas y encapsuladas en una unidad estable y duradera con el fin de protegerlas del entorno, principalmente por daños mecánicos o por corrosión debido a agua o vapor.
El fenómeno físico denominado «efecto fotovoltaico» sirve para convertir la luz solar en energía eléctrica por medio de las células fotovoltaicas. Fue descubierto por el físico francés Alexandre-Edmond Becquerel en 1839.
Para entender el efecto fotovoltaico hay que empezar definiendo el fotón. Un fotón es un cuanto de energía (la menor cantidad de energía que puede transmitirse en cualquier longitud de onda) en forma de radiación electromagnética, emitido o absorbido por la materia. Se puede entender como una partícula de luz radiante.
Cuando los átomos forman una red cristalina, el último orbital se desdobla en dos grandes bandas: de valencia y de conducción. Si uno de los fotones impacta sobre un electrón de la última órbita de la banda de valencia de un semiconductor (llamado electrón de valencia), le entrega energía suficiente, puede entonces excitarle y producir electricidad, pasando a la banda de conducción.
Esto se da si la energía del fotón es mayor que el ancho de la banda prohibida (diferencia de energía entre la banda de conducción y la de valencia), el electrón se libera del enlace covalente y puede conducirse a través del semiconductor. Si hay suficientes electrones liberados en el semiconductor, puede existir corriente eléctrica.
Para cumplir los requisitos de conversión de energía fotovoltaica existen diversidad de materiales y procesos, pero en la práctica casi toda la conversión de energía fotovoltaica utiliza materiales semiconductores en forma de unión p-n.
Si se quiere observar el comportamiento de un panel fotovoltaico y sus valores de tensión e intensidad a unas condiciones ambientales determinadas, se introduce la curva de intensidad-voltaje (curva IV). Representa los valores de tensión y corriente de un panel fotovoltaico, a unas determinadas condiciones (radiación solar incidente y temperatura). Es la superposición de la curva IV del diodo de las células solares en oscuridad con la corriente inducida. En la siguiente figura se muestra una curva IV y se van a introducir los principales parámetros que permiten entenderla.
La corriente de cortocircuito, ISC, es la corriente que pasa por la célula solar a un voltaje igual a 0 (célula solar en cortocircuito). En el caso de una célula solar ideal, esta corriente y la corriente inducida por luz son iguales. Es por tanto la corriente más grande que puede extraerse de la célula solar.
La tensión en circuito abierto, VOC, es la tensión máxima disponible de una célula solar (cuando la corriente es cero).
El factor de llenado, FF, permite junto con los dos anteriores determinar la potencia máxima (producto de la corriente y la tensión en el punto de máxima potencia) de una célula solar. Es la relación de la potencia máxima de la célula solar para el producto de ISC y VOC. Puede venir expresado en tanto por ciento o tanto por 1, siendo el valor 100% el que corresponderá a un hipotético perfil de cuadrado.
La eficiencia, η, permite comparar rendimientos entre paneles solares y se define como la relación entre la producción de energía de la célula solar y la energía entrante del sol.
Finalmente se va a comentar cómo influye la irradiancia, la temperatura a la curva y las desuniformidades.
La irradiancia afecta principalmente a la corriente, pudiéndose considerar que la ISC es proporcional a ella, por lo que a mayor irradiancia mayor corriente de cortocircuito.
La temperatura sin embargo afecta principalmente al voltaje, sobre todo a VOC, aunque también modifica en menor cantidad la potencia máxima e ISC. Los aumentos de temperatura reducen la banda prohibida de un semiconductor, y es por tanto necesaria una energía más baja para romper el enlace del electrón.
El último punto es la no-informidad. La existencia de no uniformidades en la superficie fotovoltaica puede modificar el comportamiento óptimo del modelo, ya que no todas las células presentes en el módulo recibirían la misma irradiancia. Como las conexiones de las células normalmente son en serie, si una genera menos corriente se produce un efecto de desajuste. Esto limita la corriente de salida y produce otros efectos adversos como la disipación local en forma de calor de la energía que general las células que están iluminadas por aquellas que no lo están, causando calentamientos y daños irreversibles. La forma de corregir este problema es a través de diodos bypass
Eduardo Gracia 