La energía solar fotovoltáica
El fundamento de la energía solar fotovoltaica es el efecto fotoeléctrico o fotovoltaico, que consiste en la conversión de la luz en electricidad. Este proceso se consigue con algunos materiales que tienen la propiedad de absorber fotones y emitir electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.
Historia
En 1.905, el físico francés Edmundo Bequerel fue el primero en constatar el efecto fotoeléctrico. Más tarde, Willbughby Smith en 1.873 y Lenard en 1.900 verifican su existencia bajo diferentes condiciones. En 1.921 Albert Einstein gana el Premio Nobel de Física gracias a un trabajo en el que se describe la naturaleza de la luz y el efecto fotoeléctrico y en el cual está basada la tecnología fotovoltaica. En 1.920 el físico norteamericano Millikan corroborará totalmente la teoría de Einstein. Sin embargo, fue en 1.954 cuando se construye el primer módulo fotovoltaico en los Laboratorios Bell y es tratado como un experimento científico ya que su coste era demasiado elevado para su utilización a gran escala. Desde entonces, una sucesión de nuevos procesos industriales, junto con la expasión del mercado de consumo, han permitido una drástica reduccion de los costes de producción de módulos.
En la figura se observa como opera una célula fotovoltaica. Las células fotovoltaicas están hechas con silicio, material semiconductor muy utilizado también en electrónica. Para las células fotovoltaicas, una rejilla semiconductora recibe un tratamiento químico especial para formar un campo eléctrico, positivo en un lado y negativo en el otro. Cuando la luz solar incide en la célula, los electrones son desplazados del material semiconductor. Si ponemos conductores eléctricos tanto del lado positivo como del negativo de la rejilla, formando un circuito eléctrico, los electrones pueden ser capturados en forma de electricidad.
Esta electricidad puede ser utilizada para suministrar energía a una carga, por ejemplo encender una bombilla. La conjunción de varias células conectadas eléctricamente entre si y montadas en una estructura de apoyo o marco, se llama módulo fotovoltaico. Varios módulos pueden ser conectados unos con otros para formar un campo solar. Los módulos producen electricidad en corriente continua, pudiendo ser conectados en serie o paralelo para conseguir el voltaje que se requiera. La electricidad producida por los módulos se utiliza de diferentes formas según sea su aplicación. Los principales usos de la E.S.F. son la electrificación de lugares aislados de la red eléctrica (viviendas, sistemas de control remoto, telecomunicaciones, rótulos luminosos, farolas, embarcaciones, alarmas,….), el bombeo solar directo y la conexión a red.
ELECTRIFICACIÓN DE SISTEMAS AISLADOS
Los sistemas aislados sólo son rentables para alimentar consumos en ubicaciones donde no sea posible acceder a la red eléctrica por encontrarse esta demasiado lejos o por ser demasiado costoso. Estos sistemas son rentables para consumos que estén situados a más de 2 km de la red eléctrica. Si disponemos de red eléctrica o si la conexión no es viable por motivos de paso por fincas, zona protegida, etc. En caso de disponer de red eléctrica, sólo serían rentables los sistemas de conexión a la red eléctrica convencional.
En el caso de electrificación de lugares aislados de la red eléctrica de distribución la energía producida por los módulos pasa por un regulador de carga y se almacena en baterías, también llamadas acumuladores.
El convertidor, en caso de ser necesario, se encarga de transformar la corriente continua de las baterías en corriente alterna para abastecer los consumos. La potencia de los módulos se mide en vatios-pico (Wp).
La capacidad de almacenamiento de energía de las baterías se denomina en amperios-hota (Ah) y la capacidad de regulación de carga en amperios (A). El consumo de energía se deternia en vatios-hora (Wh) y la potencia necesaria en convertidor en vatios (W).
Según la energía que sea necesario consumir se determinarán los elementos que deben componer cada instalación. Se llama autonomía del sistema a la cantidad de días que se pueden abastecer los consumos sin que las baterías reciban carga, es decir que los módulos no reciban nada de luz solar.
BOMBEO SOLAR DIRECTO
Los sistemas de bombeo solar directo son ideales para el abastecimiento de agua con fines ganaderos y riego de cultivos leñosos, suponiendo un gran ahorro y comodidad frente a la utilización de grupos electrógenos.
En las instalaciones de Bombeo Solar Directo, las bombas sólo trabajan cuando hay radiación solar. En función de la cantidad de radiación trabajarán a mayor o menor potencia, es decir, extraerán más o menos caudal. En resumen, estos sistemas se adaptan a las necesidades reales de agua: más sol (radiación) = más necesidad de agua = más caudal de la bomba (si no hay sol las plantas no necesitan ser regadas).
Existen dos opciones:
- Bombeo solar directo con variador de velocidad. La energía producida por los módulos es transformada por medio de un variador de velocidad para suministrar electricidad a la bomba.
- Bombeo solar directo sin variador de velocidad. También existen en el mercado bombas para sistemas solares que trabajan en corriente continua. En estos casos, el campo solar se conectaría directamente a la bomba o a través de algún dispositivo de control.
- La cantidad de módulos necesarios para un bombeo viene determinada por la altura de elevación y el volumen que se necesite. También se deberá tener en cuenta si el agua se elevará a boca de pozo, si se va utilizar directamente a goteros o se almacenará en un depósito.
CONEXION A RED
Los sistemas de conexión a red inyectan la energía que producen a la red eléctrica convencional. A la salida de ellos existirá un contador para poder facturar a la compañía eléctrica la energía que se ha inyectado a su red. En función de la superficie disponible y de la inversión que se quiera realizar se diseñará el sistema más adecuado. En este caso, es imprescindible que haya un contrato de consumo con la compañía eléctrica.
En las instalaciones de conexión a la red eléctrica de distribución, la energía producida por los módulos es transformada a corriente alterna con la misma tensión y frecuencia que la red eléctrica para ser inyectada a ella.
En este caso la compañía deberá pagar toda la energía producida por el sistema fotovoltaico.
En España, la normativa vigente sobre Conexión a Red de sistemas de Energía Solar Fotovoltaica, incorpora un régimen especial de productores con este tipo de energía.
Según este régimen, toda la energía producida por estos sistemas es entregada a la red y será facturada por el productor con una tarifa especial muy por encima del precio de la energía que se consumirá en la vivienda, nave, etc.