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Paneles solares y Células Fotovoltaicas: Definición y descripción

Publicado el 11 abril, 2024

La energía solar y el sol

La principal fuente de energía para toda la vida en la Tierra es el sol. Casi toda la energía que consumimos los humanos proviene del sol, desde las plantas que cultivamos hasta los animales que comemos y los combustibles fósiles que quemamos. Por supuesto, hay algunas excepciones, como la energía geotérmica, la energía nuclear y la energía mareomotriz. Sin embargo, es difícil negar que el sol es el principal dador de vida a todo lo que existe en la Tierra.

El sol tiene aproximadamente 864.000 millas (1,4 millones de kilómetros) de ancho, más de cien veces el diámetro de la Tierra. Está compuesto principalmente de hidrógeno y helio. De hecho, la fusión de átomos de hidrógeno en helio es el proceso que produce las enormes cantidades de energía que emite el sol. Una pequeña fracción de esa energía cae sobre el planeta Tierra. Sin embargo, es suficiente para dar vida a todas las plantas y animales, calentar la tierra, impulsar el viento y calentar los océanos.

Los seres humanos han utilizado durante mucho tiempo la energía del sol para calentarse, pero sólo recientemente hemos descubierto cómo convertir esta energía en electricidad. Los paneles solares modernos pueden hacer este trabajo directamente, aprovechando el efecto fotoeléctrico y canalizando el movimiento de los electrones impulsado por la luz hacia cables donde su corriente puede usarse para cualquier cosa, desde alimentar hornos tostadores hasta cargar teléfonos inteligentes. El sol también se utiliza en plantas de energía solar, que contienen enormes conjuntos de paneles solares o aprovechan la luz solar como fuente de calor, donde se utiliza para calentar un fluido, calentar grandes cantidades de agua, crear vapor e impulsar un turbina. Sin embargo, en la actualidad, las centrales solares térmicas son escasas. En Estados Unidos, sólo Arizona, California, Florida, Nuevo México y Nevada cuentan con plantas solares térmicas. Mientras tanto, los paneles solares, esos familiares rectángulos azules que a menudo se ven en los tejados, se pueden encontrar en los cincuenta estados y en países de todo el mundo.

¿Qué es un panel solar?

Técnicamente, un panel solar se define como cualquier panel diseñado para absorber la energía del sol y generar calor o electricidad. En la actualidad, el tipo más común de panel solar es el panel solar fotovoltaico (PV). Estos son los familiares paneles solares azules que a menudo se ven en los tejados o al borde de las carreteras. Cada uno de estos paneles es un grupo de células solares mucho más pequeñas, cada una de las cuales tiene sólo unos pocos centímetros de ancho. El panel completo contiene un grupo vinculado de entre 32 y 96 de estas celdas. Dado que cada celda proporciona aproximadamente la mitad de un voltio de electricidad, los paneles pueden producir entre 15 y 50 voltios, dependiendo de la intensidad de la luz solar.

Una imagen de una célula solar fotovoltaica típica.

Propósito de los paneles solares

El objetivo de un panel solar es extraer energía útil de los rayos del sol. Esto se puede lograr de dos maneras principales: extrayendo calor o produciendo electricidad. Los paneles solares de tejado más simples contienen agua rodeada de un material oscuro. El material absorbe la luz solar, termaliza la energía y calienta el agua en el panel. Desde allí se puede utilizar para suministrar agua caliente a la casa de abajo. Los paneles modernos más avanzados generan electricidad. La electricidad se recoge, se regula y se envía a la casa de abajo, donde puede ser utilizada por los electrodomésticos. Cualquier exceso de energía generado normalmente se devuelve a la red eléctrica, para que otros puedan utilizarlo.

Paneles solares fotovoltaicos típicos en tejados.

Paneles solares fotovoltaicos explicados

El término “fotovoltaico” conecta el mundo de la luz ( foto- ) y la electricidad ( -voltio ). La palabra se refiere a la producción de corriente eléctrica por sustancias que han sido expuestas a la luz. Así, un panel solar fotovoltaico es un panel que genera corriente eléctrica cuando se expone a la luz solar.

Esto se puede lograr de varias maneras diferentes. Hay paneles solares de silicio monocristalino, silicio policristalino y de película delgada, todos los cuales tienen costos diferentes, así como una lista diferente de ventajas y desventajas. Sin embargo, todos contienen células individuales que, una vez unidas, pueden crear cantidades utilizables de electricidad.

Comprensión de las células solares fotovoltaicas

Comprender las células solares fotovoltaicas requiere comprender a Albert Einstein. Resulta que el único Premio Nobel de Einstein no fue otorgado por su teoría de la relatividad o su descubrimiento de la mecánica cuántica. Más bien, fue un premio por su artículo de 1905 sobre el “efecto fotoeléctrico“. En pocas palabras, el efecto fotoeléctrico es la emisión de electrones cuando la luz u otras formas de radiación electromagnética inciden sobre un material.

Einstein descubrió que, para expulsar electrones de un material, la luz debe tener una frecuencia suficiente. Las células solares fotovoltaicas aprovechan esta propiedad. Al colocar un panel solar, uno que esté construido con los materiales adecuados, al sol, los electrones del material serán expulsados ​​de sus átomos anfitriones. En otras palabras, el panel albergará millones y millones de electrones saltarines.

Sin embargo, el salto aleatorio de electrones no es suficiente para generar una corriente eléctrica utilizable. Para producir un flujo neto de electrones, los paneles solares fotovoltaicos se fabrican en capas. Ambas capas suelen estar hechas de un cristal de silicio, pero una capa contiene un elemento adicional, como fósforo, que contiene electrones adicionales. Mientras tanto, la segunda capa contiene un elemento adicional, como el boro, al que le faltan electrones. Cuando se expone a la luz solar, inevitablemente saltarán más electrones de la capa de fósforo a la capa de boro. Esto crea un flujo neto de electrones, también conocido como corriente eléctrica, que luego puede recolectarse y usarse.

Energía Solar-Térmica vs. Energía Solar-Fotovoltaica

La energía solar fotovoltaica se refiere a la electricidad que se genera directamente mediante paneles solares. Sin embargo, en la mayoría de las plantas de energía solar a escala industrial, la electricidad se genera mediante un método completamente diferente. Esta tecnología se conoce como energía solar-térmica.

Las plantas de energía solar térmica suelen construirse en lugares soleados, cerca del ecuador, con poca nubosidad. Un diseño típico contará con una gran torre que alberga un receptor de luz solar que contiene un fluido (agua o sal fundida). La torre está rodeada de espejos a nivel del suelo que reflejan la luz del sol entrante hacia la torre. Cuando el fluido alcanza una temperatura suficientemente alta, se bombea al nivel del suelo donde se utiliza para generar vapor e impulsar una turbina de vapor convencional. Esta turbina genera electricidad que luego se envía a la red eléctrica.

Planta de energía solar térmica ubicada en Nuevo México, Estados Unidos.

Los diseños de estas centrales eléctricas varían. Algunos usan una torre central. Otros usan espejos parabólicos que canalizan el fluido a través del centro del espejo. Este diseño se llama cilindroparabólico. En todos los casos, los espejos deben mantenerse, limpiarse y ajustarse durante el día para capturar la máxima cantidad de luz solar entrante. Las plantas solares térmicas son costosas de construir, pero pueden tener una eficiencia de hasta el 70%, en comparación con sólo el 15-20% de eficiencia de los paneles solares fotovoltaicos. Las plantas solares térmicas también tienen la ventaja de generar electricidad gestionable. El calor generado por las plantas también se puede almacenar en plantas de almacenamiento de energía térmica, donde se puede utilizar para generar electricidad por la noche o según sea necesario. Mientras tanto, la electricidad generada por los paneles solares fotovoltaicos debe utilizarse inmediatamente.

Resumen de la lección

Los seres humanos han utilizado durante mucho tiempo la energía del sol para calentarse, pero sólo recientemente hemos descubierto cómo convertir esta energía en electricidad. Los paneles solares modernos pueden hacer este trabajo directamente, aprovechando el efecto fotoeléctrico y canalizando el movimiento de los electrones impulsado por la luz hacia cables. El sol también se utiliza en plantas de energía solar, que contienen enormes conjuntos de paneles solares o aprovechan la luz solar como fuente de calor para generar electricidad indirectamente. Las plantas termosolares recogen la luz solar y la utilizan para calentar un fluido, a veces mediante torres y otras mediante cilindroparabólicos. Luego, estas grandes cantidades de agua tibia crean vapor que impulsa una turbina y genera electricidad. En algunas plantas, el calor se almacena a nivel industrial en plantas de almacenamiento de energía térmica para poder generar electricidad durante la noche.

El tipo más común de panel solar es el panel solar fotovoltaico (PV). Estos son los familiares paneles solares azules que a menudo se ven en los tejados. Estos paneles son esencialmente un conjunto de células solares que aprovechan el efecto fotoeléctrico. Al colocar un panel solar al sol, las células albergarán millones y millones de electrones saltarines. Sin embargo, para producir un flujo neto de electrones, las células fotovoltaicas se fabrican en capas. Ambas capas están hechas de un cristal de silicio, pero una capa contiene un elemento adicional, como el fósforo, que contiene electrones adicionales. Mientras tanto, la segunda capa contiene un elemento adicional, como el boro, al que le faltan electrones. Cuando se expone a la luz solar, inevitablemente saltarán más electrones de la capa de fósforo a la capa de boro. Esto crea un flujo neto de electrones, también conocido como corriente eléctrica, que luego puede recolectarse y usarse.

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