Cómo funcionan los paneles solares

Es una idea que ha existido por más de un siglo.

En 1839, el científico francés Edmond Becquerel descubrió que ciertos materiales emitirían chispas de electricidad cuando golpearan con la luz solar. Los investigadores pronto descubrieron que esta propiedad, llamada efecto fotoeléctrico , podía aprovecharse; Las primeras células fotovoltaicas (PV), hechas de selenio, se crearon a fines del siglo XIX. En la década de 1950, los científicos de Bell Labs revisaron la tecnología y, utilizando silicio, produjeron células fotovoltaicas que podían convertir el cuatro por ciento de la energía de la luz solar directamente en electricidad.

Los componentes de una celda PV

Los componentes más importantes de una celda PV son dos capas de material semiconductor comúnmente compuesto de cristales de silicio. Por sí solo, el silicio cristalizado no es un muy buen conductor de electricidad, pero cuando se agregan impurezas intencionalmente, un proceso llamado dopaje , se prepara el escenario para crear una corriente eléctrica.

La capa inferior de la celda PV generalmente está dopada con boro, que se une con el silicio para facilitar una carga positiva (P), mientras que la capa superior está dopada con fósforo, que se une con el silicio para facilitar una carga negativa (N).

La superficie entre los semiconductores “tipo p” y “tipo n” resultantes se denomina unión PN (consulte el diagrama a continuación). El movimiento de electrones en esta superficie produce un campo eléctrico que permite que los electrones fluyan solo desde la capa de tipo p a la capa de tipo n.

Cuando la luz solar ingresa a la célula, su energía libera electrones en ambas capas. Debido a las cargas opuestas de las capas, los electrones quieren fluir desde la capa de tipo n a la capa de tipo p. Pero el campo eléctrico en la unión PN impide que esto suceda.

Sin embargo, la presencia de un circuito externo proporciona la ruta necesaria para que los electrones en la capa de tipo n viajen a la capa de tipo p. Los electrones que fluyen a través de este circuito, típicamente cables delgados que corren a lo largo de la parte superior de la capa de tipo n, proporcionan al propietario de la celda un suministro de electricidad.

La mayoría de los sistemas fotovoltaicos se basan en celdas cuadradas individuales de unas pocas pulgadas de lado. Solo, cada celda genera muy poca energía (unos pocos vatios), por lo que se agrupan como módulos o paneles . Los paneles se utilizan como unidades separadas o se agrupan en conjuntos más grandes .

Hay tres tipos básicos de células solares:

• Las células monocristalinas  se hacen en cilindros largos y se cortan en obleas finas. Si bien este proceso consume mucha energía y utiliza más materiales, produce las células de mayor eficiencia, capaces de convertir la mayor cantidad de luz solar entrante en electricidad. Los módulos hechos de células de cristal único pueden tener eficiencias de hasta el 23 por ciento en algunas pruebas de laboratorio. El cristal único representa un poco más de un tercio del mercado mundial de PV [ 1 ].
• Las células policristalinas  están hechas de silicona fundida fundida en lingotes y luego cortadas en cuadrados. Si bien los costos de producción son más bajos, la eficiencia de las celdas también es más baja, con eficiencias de módulo superiores cercanas al 20 por ciento. Las células policristalinas constituyen alrededor de la mitad del mercado global de PV [ 2 ].
• Las células de película delgada implican la pulverización o el depósito de materiales (silicio amorfo, teluro de cadmio u otro) sobre superficies de vidrio o metal en películas delgadas, haciendo que todo el módulo sea una vez en lugar de ensamblar células individuales. Este enfoque da como resultado menores eficiencias, pero puede ser de menor costo. Las células de película delgada son alrededor del diez por ciento del mercado global de PV [ 3 ].

Históricamente, la mayoría de los paneles fotovoltaicos se utilizaron para fines fuera de la red, alimentando hogares en ubicaciones remotas, torres de teléfonos celulares, señales de tráfico y bombas de agua. Sin embargo, en los últimos años, la energía solar ha experimentado un notable crecimiento en los Estados Unidos y otros países para aplicaciones donde la energía se alimenta a la red eléctrica. Estas aplicaciones fotovoltaicas conectadas a la red ahora representan más del 99 por ciento del mercado solar mundial [ 4 ].

Cómo se integra la energía solar en la red eléctrica

La transición a un sistema eléctrico con una mayor cantidad de energía solar proporciona muchos beneficios. La gama de tecnologías, incluidos los sistemas solares distribuidos a pequeña escala (en su mayoría sistemas de techo) y los sistemas fotovoltaicos a gran escala, presentan diferentes ventajas para los propietarios de viviendas, empresas y servicios públicos.

La electricidad generada por los paneles solares de los tejados abastece primero las necesidades in situ, y la red suministra electricidad adicional según sea necesario. Cuando el hogar o negocio genera más electricidad de la que consume, la electricidad se retroalimenta a la red.

Uno de los mayores beneficios que la energía solar en la azotea  proporciona a la red es que a menudo produce electricidad cuando, y dónde, esa energía es más valiosa. Por ejemplo, en muchas regiones, la demanda del sistema eléctrico alcanza su punto máximo por la tarde en días calurosos y soleados, cuando el uso del aire acondicionado es alto y cuando la energía solar en la azotea está funcionando fuertemente. Tales sistemas, por lo tanto, ayudan a las empresas de servicios públicos a satisfacer la demanda máxima sin encender plantas de energía que rara vez se usan, que son caras y más contaminantes que la mayoría de las otras opciones [ 5 ].

Los sistemas de techo también reducen la tensión en la distribución de electricidad y el equipo de transmisión al permitir que los hogares y las empresas consuman primero la energía en el sitio en lugar de depender completamente de la red eléctrica. Los beneficios son dobles: el uso de energía en el sitio evita las ineficiencias del transporte de electricidad a largas distancias, y los sistemas en el sitio potencialmente permiten que la empresa posponga actualizaciones costosas a su infraestructura [ 6 ].

Los sistemas solares a gran escala , a diferencia de los solares en la azotea, alimentan su electricidad directamente a la red eléctrica de alto voltaje y, por lo tanto, tienen algunas similitudes con las plantas de energía centralizadas alrededor de las cuales evolucionó el sistema eléctrico de EE. UU.

La energía fotovoltaica a gran escala, como los sistemas de techo, tiene la ventaja de operar a menudo a la máxima capacidad cuando la demanda también es mayor. Además, la naturaleza inherentemente modular de la tecnología fotovoltaica ayuda a hacer que los sistemas fotovoltaicos sean más resistentes al clima extremo que las centrales eléctricas tradicionales que reemplazan. Las grandes plantas de carbón, gas natural y nuclear son propensas a fallas en cascada cuando se daña parte de un sistema. Con la energía fotovoltaica a gran escala, incluso si una sección de un proyecto solar está dañada, es probable que la mayoría del sistema continúe funcionando.

Y si bien los sistemas solares a gran escala dependen de las líneas de transmisión que pueden verse afectadas por el clima extremo, los proyectos mismos vuelven a estar en servicio poco después de los eventos.

Soluciones para altos niveles de energía solar.

Es deseable alcanzar altos niveles de uso de PV, dados todos los beneficios que ofrece la energía solar, pero también presenta desafíos. Sin embargo, esos desafíos no son insuperables; Las actualizaciones de la tecnología y las actualizaciones sobre cómo se compra y se vende la electricidad pueden ayudar a hacer posibles niveles crecientes de penetración solar.

Un desafío para la energía solar en la azotea es que tener energía que fluye desde los clientes, en lugar de hacia ellos, es una situación relativamente nueva para los servicios públicos. Los vecindarios donde muchas casas han adoptado energía solar pueden acercarse a un punto en el que los sistemas de techo pueden producir más de lo que el vecindario puede usar durante el día. Sin embargo, las líneas “alimentadoras” que sirven a los clientes de estos vecindarios pueden no estar listas para manejar los flujos de electricidad en la dirección opuesta.

Los proyectos fotovoltaicos a gran escala enfrentan sus propios desafíos, ya que pueden ubicarse lejos de los centros urbanos, y a menudo requieren líneas de transmisión para llevar la electricidad a donde realmente se utilizará. Esto requiere inversión en la construcción de las propias líneas y da como resultado “pérdidas de línea”, ya que parte de la energía se convierte en calor y se pierde.

La variabilidad de la generación solar asociada con la energía fotovoltaica en ambas escalas presenta nuevos desafíos porque los operadores de la red no pueden controlar la salida de estos sistemas con solo presionar un interruptor como lo hacen con muchas plantas de energía no renovables. La cantidad de generación de los sistemas FV depende de la cantidad de luz solar en un momento dado. Cuando las nubes bloquean el sol, la generación de una matriz solar puede caer repentinamente.

Por el contrario, en días particularmente soleados con altas cantidades de energía solar en la red, si la producción de las plantas de energía no renovables no se reduce para permitir la generación solar, los suministros de electricidad podrían exceder la demanda. Ambas situaciones pueden provocar inestabilidad en la red.

Pero los problemas asociados con la adición de más PV a la red son eminentemente solucionables. Las soluciones a los problemas de transmisión y alimentación son en gran medida económicas, no técnicas. Y los desafíos de variabilidad se entienden bien en parte porque los operadores de la red ya manejan las fluctuaciones causadas por los cambios constantes en la demanda de electricidad y las caídas en los suministros de electricidad cuando las grandes centrales eléctricas o las líneas de transmisión fallan inesperadamente.

Gran parte de la variabilidad inherente a la generación solar también es predecible y manejable, y puede manejarse de varias maneras, incluyendo:

• Usar mejores herramientas de pronóstico para permitir predicciones más precisas de cuándo podría disminuir la generación solar
• Instalación de energía solar en un área geográfica grande para minimizar cualquier impacto de la variabilidad de generación debido a la cobertura local de nubes
• Cambiar el suministro de electricidad y almacenar el exceso de energía para su uso posterior
• Cambiar la demanda de electricidad alentando a los clientes a usar la electricidad cuando esté más disponible
• Colaborar con las regiones vecinas para ampliar las capacidades de importación / exportación de electricidad y compartir recursos.

En general, las fuentes de energía renovables, incluida la energía solar, ayudan a estabilizar y hacer que el sistema eléctrico de EE. UU. Sea más resistente, tanto económica como ambientalmente.

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