PANELES SOLARES


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¿QUÉ SON LOS PANELES SOLARES?

 Los paneles solares o también llamados placas solares son dispositivos que tienen la función de convertir la energía que nos proporciona el Sol en electricidad. Resumiendo, son dispositivos que convierten la luz en electricidad.

panel solar
 Para explicar y entender los paneles solares es imprescindible entender primero que es una célula o celda solar, ya que los paneles solares están formados por una colección de celdas solares.

que son los paneles solares

CELDAS SOLARES

 Una celda solar o célula solar es una pequeña placa que suele estar hecha de silicio cristalino que por su composición convierte la luz del Sol en electricidad, al igual que por ejemplo las plantas convierten la luz del Sol en su alimento. Luego veremos como lo hacen.

 Entonces, un panel solar en realidad no es más que una placa grande en la que hay muchas celdas solares juntas. Si una celda solar convierte la energía del Sol en electricidad, un panel solar convierte mucha más energía que una Sola celda solar. Las celdas se conectan unas con otras en serie dentro del panel.

 Cuanto mayor sea el panel solar más energía recibirá del Sol, más celdas tendrá y más electricidad podrá generar.

 Esta electricidad generada por el panel es la que podemos luego utilizar en nuestras casas para nuestros electrodomésticos, luz, etc. Pero no sólo es útil para nuestras casas, ya que el excedente de electricidad que generemos podemos venderla a la red eléctrica. Más adelante explicaremos sus utilidades.

 Esta energía generada por los paneles solares es la que se conoce como Energía Solar Fotovoltaica. Fotovoltaico equivale a decir “luz-electricidad”. Veamos como funcionan.
 

PANELES SOLARES FUNCIONAMIENTO

 Los metales fotoeléctricos son aquellos que al incidir la luz sobre ellos se liberan electrones de sus átomos. Realmente son los fotones de la luz los que liberan los electrones del metal, al cederles su energía. El silicio es un ejemplo de metal fotoeléctrico. Para saber mas sobre esto visita: Efecto Fotoeléctrico.

 Como hemos dicho antes un panel solar está formado por numerosas celdas solares. Las celdas solares son pequeñas células hechas de silicio cristalino (material fotoeléctrico) o arseniuro de galio. Las celdas son cristales de silicio o cristales de arseniuro de galio que son materiales semiconductores porque son materiales que pueden comportarse como conductores de electricidad o como aislantes, dependiendo del estado en que se encuentren. Puedes pinchar en la palabra subrayada para saber más.

 El Silicio es el material semiconductor más usado en electrónica y en las celdas fotovoltaicas. El silicio puro cuenta con 4 electrones de valencia que comparte con los átomos vecinos para hacer los enlaces covalentes. Al añadir impurezas (otro átomos) con más o menos electrones de valencia (como el fósforo 5 o el boro 3), se modifican las propiedades conductoras del Silicio.

 Pero para entender cómo se produce la corriente eléctrica externa en una celda solar fotovoltaica,, es necesario entender los 2 tipos diferentes de semiconductores fotoeléctricos diferentes utilizados en su construcción

 Semiconductor extrínseco tipo N: Se produce al dopar (introducir) en la estructura cristalina de Silicio impurezas. Dichas impurezas serán de un elemento con cinco electrones de valencia en su orbital externo. Pueden ser Fósforo (P), Antimonio (Sb) o Arsénico (As). Como se aprecia en la imagen, el átomo de P crea los cuatro enlaces covalentes. Además le sobra un electrón que se sale de su órbita para que quede estable. Con cada átomo de fosforo aparece un electrón libre en la estructura que aumenta su conductividad eléctrica. Son conocidos con el nombre de semiconductores tipo N por ser negativa la carga de los portadores añadidos. Pero OJO la carga eléctrica total de la mezcla es cero (Nº de Protones = Nº de electrones). Ver imagen de abajo.

 Semiconductor extrínseco tipo P: Se produce al dopar (introducir) en la estructura cristalina del Silicio impurezas. Dichas impurezas deben ser de un elemento con tres electrones de valencia en su orbital exterior. Pueden ser Boro (B), Galio (Ga) o Indio (In). Como se aprecia en la imagen, el átomo de Boro solo crea tres enlaces covalentes. De esta forma queda un átomo de Silicio con un electrón sin enlazar. Aparece entonces un hueco que se comporta como una carga positiva moviéndose por el interior de la red cristalina. Son conocidos con el nombre de semiconductores tipo P por ser positiva la cara de los portadores añadidos. Pero OJO la carga eléctrica total de la mezcla es cero (Nº de Protones = Nº de electrones).

silicio dopado

 ¿Qué pasará si unimos un semiconductor N con una P?

 Antes de explicarlo tienes que recordar dos cosas, cuando un electrón de un átomo está libre, siempre intentará buscar un hueco en un átomo para formar enlace (cargas diferentes se atraen). Además un electrón repele a otro electrón, hueco repele a otro hueco (cargas iguales se repelen).

 Unión del semiconductor P con el N: Al unir ambos semiconductores se produce un efecto de difusión (paso) de electrones :

 - De la zona N (alta concentración de electrones) a la zona P (baja concentración de electrones = con huecos).

 - Con lo huecos ocurre lo mismo, desplazándose desde donde hay mayor concentración (zona P) a donde hay menor concentración (zona N).

 En este movimiento de cargas, se produce en la zona de unión una neutralización debido a la combinación de electrones y huecos.

 La tensión que aparece entre las zonas, llamada barrera de potencial impide que continúe el movimiento de cargas, ya que las cargas positivas de la zona N repelen a los huecos que se acercan de P, y las cargas negativas de la zona P repelen a los electrones que se acercan de N.

diodo union pn

 Si ponemos la parte N de la unión expuesta a la radiación solar, le llegarán fotones que moverán los electrones libres por el efecto fotoeléctrico. Estos electrones no podrán pasar de la zona N a la P por la d.d.p que se generó en la región intermedia de la unión. Pero..

 ¿Qué pasará si unimos con un conductor la parte N con la P directamente (en cortocircuito)?

 Los fotones de las radiaciones solares moverán los electrones del silicio de la parte N y ahora sí que estos electrones escapan por el conductor hacia la parte P, donde encontrarán huecos para unirse a ellos.

 La parte P ahora queda cargada más negativa (llegaron electrones) y la N más positiva (se fueron electrones). Mientras le siga llegando luz a la parte N seguirán saliendo electrones hacia la parte P y seguirá produciendo corriente eléctrica. ¿Por qué?

 Pues porque los electrones llegados a la parte P de la N repelen a los que están en la zona intermedia y les hace pasar a la zona N. Estos ahora en la zona N se escapan por el exterior por la luz que incide sobre ellos (efecto fotoeléctrico).

 Dicho de otra forma, cuando llegan los electrones de la parte N a la parte P por el efecto fotoeléctrico, estos se recombinan con huecos de la parte P haciendo esta parte más negativa, y la parte P que abandonaron los electrones será más positiva. La diferencia de potencial o d.d.p. (tensión) en el interior de la unión o celda aumenta. Ya sabes que cuando tenemos una d.d.p entre dos puntos, si los unimos por un circuito eléctrico, se genera una corriente eléctrica. En definitiva la luz sobre la parte N genera una corriente eléctrica de N a P.

Como ves los fotones producen una corriente eléctrica por el exterior de la unión y además una corriente eléctrica por el interior de la unión. Mientras le llegan fotones a la parte N tendremos corriente eléctrica en nuestro material semiconductor.

 Si unimos la parte N con la P mediante un receptor (una bombilla, una batería, etc.) la corriente eléctrica atraviesa el receptor. En este caso se dice que está en carga.

celda solar en carga y en cortocircuito

 Puedes ver la celda en la imagen de abajo. El semiconductor N estará siempre en la parte iluminada de la celda.

celda solar

 Solamente si estas celdas tienen carga positiva (P) y negativa (N) pueden generar electricidad, de lo contrario no generarían electricidad.

 Abajo tienes un video que habla de lo explicado hasta ahora, pero antes hagamos un resumen.

 Resumen: Una parte de la celda solar se construye con un materia semiconductor al que le sobran electrones (carga negativa, semiconductor del tipo N) y otra parte se hace con un material semiconductor que le faltan electrones (con carga positiva o huecos en sus átomos, semiconductor tipo P). Al unirlos y llegar luz, los fotones de la luz ceden su energía a los electrones del semiconductor N moviéndose estos desde la parte N a la P por el circuito eléctrico externo a la celda, generando una corriente eléctrica.

 El Sol es la fuente más poderosa de energía para la Tierra. Sabemos que el Sol emite muchas partículas diferentes hacia la Tierra y los paneles solares están diseñados de tal manera que sólo absorban los fotones que emite el Sol, que son las partículas que reaccionarán con el silicio y el arseniuro generando electricidad en el panel. Veamos el video:



 

Placas Solares Características

 Curva I-V de una Celda Solar

 La curva I-V de una célula fotovoltaica representa pares de valores de tensión e intensidad en los que puede encontrarse funcionando la célula y representa el comportamiento típico en la salida de un dispositivo fotovoltaico (célula, módulo, panel o sistema).

 La corriente y la tensión de trabajo de un dispositivo fotovoltaico dependen de:

 -Radiación solar incidente. Se mide con una unidad llamada irradiancia. Es la energía de la luz solar.
 -Temperatura ambiente.
 -Características de la carga conectada al mismo.

 En la curva característica de una célula o un panel fotovoltaico, para una irradiancia y una temperatura dada, normalmente 1000 W/m2 y 25 ºc, se definen los siguientes parámetros:

- Intensidad de cortocircuito = Icc (tensión cero). A veces la solemos ver como Isc.
- Tensión de circuito abierto = Vca (intensidad cero). A veces la podemosver como Voc.
- Intensidad en el punto de máxima potencia. Ipm o Im.
- Tensión en el punto de máxima potencia. Vpm o Vm.
- Punto de máxima potencia. Wp = Ipm x Vpm. A veces lo podemos ver como Pm.

curva iv celda solar
 Esta curva es para una irradiancia determinada, pero para cada irradiancia y temperatura tendrá su curva diferente. Fijate en la siguiente imagen, donde vemos las diferentes curvas según la irradiancia en una celda solar.

irradiancia curvas iv
 Como la Potencia es la tensión por la corriente o intensidad, podemos incluir en nuestra gráfica una curva de las potencias.

curva potencia celda solar
 Te proponemos un par de ejercicios sobre la gráfica:

 - ¿Qué tensión y potencia máxima tendrá la placa de la gráfica de arriba para una irradiancia de 800w/m2?

 - Para la potencia máxima…¿Qué valor de tensión e intensidad tendrá la placa?

 Otro dato importante en una celda solar es el factor de forma (FF), que es la relación entre la potencia máxima (o el producto de la corriente y la tensión en el punto de máxima potencia) y el producto de Icc y Vca. Su valor es más alto cuanto mejor es la célula.

 FF= Vpm x Ipm / Vca x Icc

 Por lo general, un valor bajo de FF está asociado con la existencias de pérdidas de eficiencia en el dispositivo, mientras que una célula de buena calidad suele tener valores de FF superiores a 0.70. Los valores típicos son entre 0,7 y 0,8.

 Estos son los parámetros fundamentales de un panel solar, que deben siempre medirse bajo una serie de condiciones de trabajo aceptadas internacionalmente, conocidas como Condiciones Estándar de Medida (CEM o STC, del inglés, Standard Test Conditions), que se definen por 1000 W/m2 de irradiancia, con una distribución espectral AM1.5G y 25°C de temperatura.

TIPOS DE PANELES SOLARES

 Si queremos utilizar paneles solares para generar electricidad en nuestras viviendas tenemos que tener en cuenta que existen 3 tipos diferentes.

paneles solares

 Paneles Solares Fotovoltaicos: Éstos son los que hemos explicado anteriormente y pueden generar suficiente energía para abastecer las necesidades de nuestros hogares. Estos paneles necesitan además del panel, inversores cargadores fotovoltaicos que se utilizan para pasar la corriente continua de 12V 24V o 48V que generan los paneles a una corriente alterna de 220V que es la que se usa para las viviendas.

 Paneles Solares Térmicos: Estos paneles se recomienda usarlos en viviendas que tengan recepción directa del Sol con altas temperaturas y que tengan un espacio suficiente para colocarlos ya que son mayores que los anteriores porque si no, no serían eficientes. Actúan de la misma forma que los fotovoltaicos pero aparte contienen un liquido que absorbe el calor. Estos paneles convierten la energía del Sol en energía térmica en el líquido y transportan esta energía térmica hacia nuestros hogares.

 Paneles Solares Termodinámicos: Éstos últimos son los que se están utilizando cada vez más en nuestros hogares debido a que son más eficientes, más baratos y se pueden utilizar aparte para muchas más cosas. Su principal ventaja es que pueden absorber energía a pesar de que llueva o esté nublado o sea de noche, etc. Estos paneles se basan en los principios fundamentales de la termodinámica, es decir, que pueden absorber cualquier tipo de energía de cualquier ambiente siempre y cuando la temperatura exterior no baje de los 0 grados. Están fabricados de aluminio y contienen unos canales por donde circula un liquido refrigerante, es decir, un liquido de bajo punto de ebullición que es capaz de absorber grandes cantidades de calor al producirse en él un cambio de estado (gas, líquido o sólido).

 En cuanto a marcas una de las más vendidas es SunPower. Pero la mejor marca es aquella que te la ofrezca una empresa de confianza, piensa que los paneles tienen una duración de más de 30 años y te debes asegurar de tener repuesto si hiciera falta.

 Otras marcas importantes son Victron, SHARP, Solon, Schott, Conergy, Sovello… y recuerda que también se venden Kit Solar para autoconsumo.

¿PARA QUÉ SIRVEN LOS PANELES SOLARES?

  Como ya hemos mencionado la principal utilidad de los paneles solares es para nuestros hogares que suelen colocarse en los techos de las casas. Para suministrar energía a nuestros electrodomésticos, para proporcionarnos luz, calentar agua, etc.

placa solar

 Los paneles solares también se utilizan para nuestros satélites. Esto es lo que conocemos como Energía solar Espacial. Los satélites llevan a bordo paneles solares que absorben la luz del Sol y generan electricidad que puede ser utilizada para el funcionamiento del propio satélite o también para transmitir esa energía a la Tierra. Por ejemplo, una estación satelital de energía solar puede enviar la energía recolectada del Sol a la Tierra en forma de microondas o láseres para zonas por ejemplo donde escasee la energía en la Tierra.

 ¿QUÉ VENTAJAS POSEEN LOS PANELES SOLARES?

 La principal ventaja de utilizar paneles solares es que producen energía limpia y renovable, sin tener que recurrir a los recursos fósiles y energía nuclear. Afortunadamente la era del petróleo está llegando a su fin. La energía solar no produce apenas contaminación y, sin embargo, el uso de recursos fósiles libera grandes cantidades de gases tóxicos hacia nuestra atmósfera.

 Los paneles solares también ayudan a ahorrar energía e instalar un sistema renovable en casa es bastante rápido, aparte que el mantenimiento de estos paneles solares es mínimo y su vida es bastante larga. Aunque al principio puedan resultar algo caros, en cuestión de años habremos recuperado la inversión inicial y estaremos recibiendo energía solar en nuestros hogares de forma gratuita, cosa que no pasa con los combustibles fósiles.

 Otra gran ventaja es la de por fin poder liberarnos del monopolio de las empresas que nos suministran energía. Nosotros mismos podemos ser nuestros propios suministradores de energía gracias a los paneles solares.

 ¿QUE DESVENTAJAS POSEEN LOS PANELES SOLARES?

 Los paneles solares proporcionan energía limpia, sin embargo, su fabricación aún depende de energías no limpias. (El silicio o arseniuro de galio tienen que extraerse de la Tierra y luego son transformados en diferentes procesos para poder colocarlos en el panel, aparte de otros materiales que componen el panel).

 Como hemos dicho, al principio son caros aunque luego se recupere el dinero a lo largo de su utilización. El precio de una instalación de paneles solares en una vivienda puede variar desde 13.000 euros a 30.000 euros dependiendo de las necesidades de cada casa.

 Otra desventaja de los paneles solares, sobre todo los Fotovoltaicos es que dependen del clima. Si antes habíamos dicho que cuanta más luz reciban mejor, si vivimos en un clima escaso de Sol los paneles solares fotovoltaicos no nos serian muy útiles. Por eso es más habitual ver paneles solares en zonas de climas secos y cálidos que fríos y húmedos.

 El espacio es otra de las desventajas, ya que para que los paneles solares funcionen con eficiencia necesitan cubrir bastante espacio. Por ejemplo, para una casa pequeña, el espacio que necesitan los paneles solares sería desproporcionado en comparación con la propia casa y sus elementos.

 CONCLUSION

 A pesar de las desventajas de los paneles solares, este artículo pretende hacer hincapié en que nos vayamos mentalizando a utilizar en la medida de nuestras posibilidades las Energías Renovables, ya que la utilización de recursos fósiles nos causa verdaderos problemas. Las energías renovables (como la Energía solar, la Energía Eólica…etc.) pueden permitirnos no dañar el medio ambiente y ser nuestras propias suministradores de energía y con todo ello ayudar a que la calidad de la Tierra y la vida en la Tierra sea mucho mejor.



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