Energía Fotovoltaica

La energía fotovoltaica es un tipo de energía renovable que se obtiene de la conversión directa de energía solar en energía eléctrica. Para lograr esta conversión se emplean células fotovoltaicas, las cuales están compuestas por materiales semiconductores o por finas capas de metales sublimados inversamente.

Desde una perspectiva científica, el principal motor de la energía fotovoltaica es el efecto fotoeléctrico, un fenómeno cuántico en donde las partículas de la luz (fotones) al interactuar con un material liberan electrones de los átomos. Fundamentalmente por ello, es posible generar electricidad a través de la radiación electromagnética del sol.

Así pues, el uso actual de la energía fotovoltaica se centra en la producción de electricidad limpia, la cual es empleada a gran escala para energizar viviendas, vehículos, dispositivos autónomos, entre otros. De esta forma, la energía fotovoltaica se ha convertido en el tercer tipo de energía renovable más utilizada a nivel global, después de la energía hidroeléctrica y eólica; llegando a producir hasta 500 GW.

A pesar de todo el avance logrado con la tecnología de la energía solar fotovoltaica, esta energía renovable tiene limitaciones considerables al depender directamente de la radiación solar, la cual varía en función de varios factores. No obstante, se están realizados múltiples esfuerzos para hacerla asequible a la mayoría de la población y para mejorar la eficiencia de los paneles solares, así como de las plantas solares fotovoltaicas.

Ejemplos

En el mundo moderno están empezando a abundar los ejemplos de energía fotovoltaica, ya que cada vez más aumenta la importancia de la independencia de los combustibles fósiles, la reducción de gases de efecto invernadero y la sostenibilidad de la energía ecológica. Por tanto, algunos de los ejemplos más llamativos son:

Planta solar fotovoltaica


Una planta solar fotovoltaica es la principal instalación utilizada para producir electricidad limpia por medio del sol. Esta instalación está compuesta por paneles solares, los cuales están constituidos por múltiples células fotovoltaicas; y por inversores, que son dispositivos que convierten la corriente continua, generada por las células, en corriente alterna. A las plantas fotovoltaicas se le suele añadir componentes secundarios para incrementar la eficiencia de la producción, algunos de ellos son los seguidores solares y aparatos de concentración solar.

Satélites artificiales y sondas espaciales


En el espacio interestelar del sistema solar, una de las mejores fuentes de energía es aquella que proviene del primario, es decir, el sol. Principalmente por esta razón, las sondas espaciales y los satélites son equipados con módulos fotovoltaicos, obteniendo energía eléctrica para transmitir mensajes y operar según las indicaciones del equipo técnico. Posteriormente, la tecnología de los módulos y paneles solares se extendió, usándose en estaciones espaciales, telescopios orbitales y vehículos de exploración extraterrestre.

Automóviles eléctricos


Un tipo de automóvil eléctrico es aquel que hace uso de la energía fotovoltaica para activar su sistema electrónico, por medio de paneles solares, los cuales son colocados como recubrimiento de las superficies exteriores. El diseño de estos automóviles difiere de lo convencional, ya que son construidos tomando en cuenta la aerodinámica y el área de los paneles solares, para así aumentar la eficiencia en el transporte y la comodidad del conductor.

Calculadoras solares


Existen calculadoras que además de consumir la energía electroquímica de baterías, cuentan con células fotovoltaicas que sirven como suministro energético de reserva, por lo que pueden seguir funcionando a pesar de que se haya agotado la energía de las baterías, siempre y cuando reciban la suficiente radiación solar.

Cómo se produce

La energía solar fotovoltaica es producida por las células fotovoltaicas, que constituyen los paneles solares de las plantas fotovoltaicas de producción eléctrica. Las células fotovoltaicas son fabricadas con materiales semiconductores impuros, los cuales al interactuar con la radiación electromagnética del sol liberan electrones, ya que los fotones del sol energizan a los electrones de los átomos del material, haciendo que dejen un hueco.

Los electrones liberados del semiconductor, luego de cierto tiempo, serán atraídos por los huecos de otro material semiconductor impuro, de la misma naturaleza que el original de donde partieron. Así la energía cinética, que ganaron gracias a la interacción electromagnética con los fotones solares, se disipa en forma de calor siguiendo los principios de la termodinámica.

Este proceso de liberación y captura de electrones se realiza millones de veces, ya que el objetivo es lograr una corriente eléctrica, produciendo una diferencia de potencial de manera semejante a una pila.

El silicio es el material semiconductor más usado en las células fotovoltaicas, el cual es dopado para producir una unión PN, que es una celda compuesta por una capa con exceso de carga negativa y por otra con déficit de carga negativa, es decir, un exceso de carga positiva (huecos). De esta manera, la interacción electromagnética entre la radiación solar y el silicio dopado provoca un campo eléctrico, que posibilita la corriente eléctrica entre las capas.

Cómo funciona

La energía fotovoltaica funciona según las reglas del electromagnetismo clásico y de la mecánica cuántica, respetando las leyes de la termodinámica, especialmente la ley de conservación de la energía. Pero, en un nivel esencial, la energía fotovoltaica se debe a:

Efecto fotoeléctrico.
  • Efecto fotoeléctrico: explicado teóricamente por Einstein, es un fenómeno cuántico que consiste en la emisión de electrones de los átomos de un material debido a la incidencia de fotones. Esto sucede porque los fotones transfieren su energía fundamental a los electrones de un átomo, y si esta es lo suficientemente intensa, el electrón podrá liberarse del nivel energético en el cual se encuentre.
  • Semiconductividad: es una propiedad de los materiales, que les permite comportarse como un conductor o como un aislante, según sea los factores que intervengan, ya sea un campo eléctrico, magnético, la presión, la radiación electromagnética o la temperatura ambiental. Esta propiedad es importante para la energía fotovoltaica porque posibilita el dopaje de materiales, alterando la carga eléctrica neta mediante la incorporación de impurezas.
  • Unión PN: es una celda de silicio impuro compuesta por una capa del tipo n, es decir, con exceso de carga negativa; y por una capa del tipo p, con déficit de carga negativa. La capa n está formada por silicio con trazas de otros átomos de mayor valencia, los cuales contribuyen a la acumulación de electrones. En contraste, la capa p está conformada por silicio y fracciones de átomos de menos valencia, que propician la generación de huecos
  • Flujo eléctrico unidireccional: cuando los fotones inciden sobre la capa n de la célula fotovoltaica, excitan a los electrones libres, los cuales son atraídos por los huecos de la capa p, recombinándose con ellos. Debido a este desplazamiento de electrones libres, se produce una polarización de las capas, quedando la capa n con carga positiva y la capa p con carga negativa, provocando la formación de un campo eléctrico que va de n a p. Así, la corriente eléctrica se da unidireccionalmente de la capa p a la n.

Usos de la energía fotovoltaica

Como bien se sabe, la energía fotovoltaica es usada para generar electricidad por medio de plantas fotovoltaicas y así alimentar diversidad de instalaciones, sistemas electrónicos o dispositivos. Pero, en los últimos años la energía fotovoltaica ha trascendido pasando a ser parte importante de la sociedad moderna, por usos como los siguientes:

Uso doméstico de paneles fotovoltáicos.
  1. Edificación de residencias autónomas y establecimiento de sistemas electrónicos independientes de la red de distribución eléctrica.
  2. Fuente de energía para sistemas de bombeo que puedan formar parte de complejos de riego, de agua potable en áreas rurales, para actividades ganaderas o en instalaciones de desalinización de agua.
  3. Alimentación energética de las centrales telefónicas, antenas de radio y televisión, estaciones repetidoras de microondas, entre otras instalaciones importantes para las telecomunicaciones. La energía fotovoltaica también es utilizada como fuente alternativa de energía en casos de emergencia.
  4. Fabricación de señalizaciones, lámparas, postes de iluminación urbana y rural, capaces de producir y almacenar energía fotovoltaica durante las horas diurnas.
  5. Construcción de sondas, satélites, telescopios, vehículos y estaciones espaciales capaces de operar y funcionar en las condiciones del vacío del espacio exterior.
  6. Creación de sistemas híbridos de energía fotovoltaica y diésel, con la capacidad para producir mayor energía eléctrica que la generada por los medios ecológicos convencionales.
  7. Además de servir para fabricar automóviles amigables con el ambiente, la energía fotovoltaica está siendo utilizada para producir barcos y aviones autosostenibles y autónomos.

Ventajas y desventajas de la energía fotovoltaica

La tecnología utilizada para producir energía fotovoltaica tiene, como la de otros tipos de energía renovable, tanto pros como contras, puesto que todavía está en proceso de perfeccionamiento. Sin embargo, este tipo de energía presenta una serie de limitaciones inherentes, siendo insalvables por cualquier medio, por lo que se necesitan nuevas estrategias técnicas para mejorar la eficiencia de la generación de energía fotovoltaica.

Ventajas

  • La energía solar, fuente de la energía fotovoltaica, es prácticamente inagotable desde una perspectiva humana. Por ello, durante miles de generaciones supondrá una fuente permanente de electricidad.
  • Las plantas fotovoltaicas y demás instalaciones fotovoltaicas no producen agentes de contaminación ambiental, evitando la generación de gases de efecto invernadero.
  • Según se desarrollan nuevas tecnologías para la eficiencia fotovoltaica, se da una reducción de los costos, volviendo más asequibles a los paneles solares.
  • Permite la generación de electricidad en lugares aislados de la red eléctrica de distribución.
  • Las instalaciones fotovoltaicas pueden adaptarse a múltiples formas y tamaños de las viviendas, edificios, sistemas, complejos, etc.

Desventajas

  • La producción de la energía fotovoltaica depende de la radiación solar, la cual varía según la orientación de los paneles solares, la ubicación en el planeta, la hora del día, la época del año, las condiciones atmosféricas, suciedad en los paneles, entre otras.
  • Cualquier instalación alimentada por energía fotovoltaica necesita contar con una fuente de energía adicional, ya que su capacidad de producción eléctrica es insuficiente para atender las necesidades cotidianas por períodos largos.
  • La fabricación de paneles solares produce residuos tóxicos.
  • La instalación de plantas fotovoltaicas en desiertos, los cuales son los lugares preferidos para el aprovechamiento de energía solar, puede provocar alteraciones en el ecosistema.