Energía Solar Fotovoltaica

que es la energía solar fotovoltaica

Definición de Energía Solar Fotovoltaica

La energía fotovoltaica (PV) es la conversión de la luz en electricidad utilizando materiales semiconductores que exhiben el efecto fotovoltaico, un fenómeno estudiado en física, fotoquímica y electroquímica. Y es asi como se produce la energía solar Fotovoltaica.

Un sistema fotovoltaico emplea paneles solares, cada uno compuesto por una serie de células solares, que generan energía eléctrica. Las instalaciones fotovoltaicas pueden montarse en el suelo, en la azotea o en la pared. El montaje puede ser fijo, o usar un seguidor solar para seguir el sol a través del cielo.

Etimologia de fotovoltaico

El término "fotovoltaico" proviene del griego (phos) que significa "luz", y de "volt", la unidad de fuerza electro-motriz, el voltio, que a su vez proviene del apellido del físico italiano Alessandro Volta. Inventor de la batería (pila electroquímica). El término "fotovoltaico" se usa en inglés desde 1849.

Características de la Energía solar fotovoltaica

La Energía solar fotovoltaica (PV) genera electricidad directamente de la luz solar a través de un proceso electrónico que ocurre naturalmente en ciertos tipos de material, llamados semiconductores. Los electrones en estos materiales son liberados por la energía solar y pueden inducirse a viajar a través de un circuito eléctrico, alimentando dispositivos eléctricos o enviando electricidad a la red.

Los dispositivos fotovoltaicos se pueden utilizar para alimentar cualquier cosa, desde pequeños dispositivos electrónicos como calculadoras y señales de tránsito hasta hogares y grandes negocios comerciales.

¿Cómo funciona la Energía solar fotovoltaica?

Los fotones golpean e ionizan el material semiconductor en el panel solar, causando que los electrones externos se liberen de sus enlaces atómicos. Debido a la estructura del semiconductor, los electrones son forzados en una dirección creando un flujo de corriente eléctrica.

Las células solares no son 100% eficientes en el Diagrama de una célula solar de silicio cristalino típica. Las células solares no son 100% eficientes en parte porque parte del espectro de luz se refleja, algunas son demasiado débiles para generar electricidad (infrarrojos) y otras (ultravioleta) generan energía térmica en lugar de electricidad.

como se obtiene la energía solar fotovoltaica
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Para hacer este tipo de células, las "obleas" de silicona de alta pureza se "dopan" con varias impurezas y se fusionan. La estructura resultante crea un camino para la corriente eléctrica dentro y entre las células solares.

Otros tipos de tecnología fotovoltaica

Además del silicio cristalino (c-Si), existen otros dos tipos principales de tecnología fotovoltaica:

La fotovoltaica de película delgada es una pequeña parte del mercado de energía solar comercial que crece rápidamente. Muchas firmas de películas delgadas son empresas de nueva creación que desarrollan tecnologías experimentales. En general, son menos eficientes, pero a menudo más baratos, que los módulos de c-Si.

En los Estados Unidos, las matrices de concentración de PV se encuentran principalmente en el suroeste del desierto. Usan lentes y espejos para reflejar la energía solar concentrada en células de alta eficiencia. Requieren luz solar directa y sistemas de seguimiento para ser más efectivos.

Historia de la Energía Solar fotovoltaica

El efecto PV fue observado en 1839 por Alexandre Edmund Becquerel, y fue objeto de investigación científica a principios del siglo XX. En 1954, los Laboratorios Bell en los Estados Unidos introdujeron el primer dispositivo fotovoltaico solar que producía una cantidad de electricidad utilizable, y en 1958, las células solares se estaban utilizando en una variedad de aplicaciones científicas y comerciales a pequeña escala.

La crisis energética de la década de 1970 vio el comienzo de un gran interés en el uso de células solares para producir electricidad en hogares y empresas, pero los precios prohibitivos (casi 30 veces más altos que el precio actual) hicieron que las aplicaciones a gran escala no fueran prácticas.

El desarrollo de la industria y la investigación en los años siguientes hicieron que los dispositivos fotovoltaicos fueran más factibles y comenzó un ciclo de aumento de la producción y disminución de los costos, que continúa hasta hoy.

Costos de la energía solar fotovoltaica

La rápida caída de los precios ha hecho que la energía solar sea más asequible que nunca. El precio promedio de un sistema fotovoltaico completo se ha reducido en un 59 por ciento en la última década.

Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica

Sistemas fotovoltaicos

Un sistema fotovoltaico o sistema solar fotovoltaico es un sistema de energía diseñado para suministrar energía solar utilizable por medio de energía fotovoltaica. Consiste en una disposición de varios componentes, incluidos paneles solares para absorber y convertir directamente la luz solar en electricidad, un inversor solar para cambiar la corriente eléctrica de CC a CA, así como el montaje, el cableado y otros accesorios eléctricos.

Los sistemas fotovoltaicos van desde sistemas pequeños, montados en el techo o integrados en edificios con capacidades desde unas pocas hasta varias decenas de kilovatios, hasta grandes centrales eléctricas de cientos de megavatios. Hoy en día, la mayoría de los sistemas fotovoltaicos están conectados a la red, mientras que son independientes los sistemas solo representan una pequeña porción del mercado.

Sistemas integrados de tejados y edificios

Los conjuntos fotovoltaicos a menudo se asocian con los edificios: ya sea integrados en ellos, montados en ellos o montados cerca del suelo. En la mayoría de los casos, los sistemas fotovoltaicos en los tejados se actualizan en edificios existentes, generalmente montados en la parte superior de la estructura del techo existente o en las paredes existentes.

caracteristicas de la energía solar
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Alternativamente, una matriz se puede ubicar por separado del edificio, pero se puede conectar por cable para suministrar energía al edificio. Los sistemas fotovoltaicos integrados en edificios se incorporan cada vez más en el techo o las paredes de los nuevos edificios domésticos e industriales como fuente principal o auxiliar de energía eléctrica.

En ocasiones también se utilizan tejas con células fotovoltaicas integradas. Siempre que haya un espacio abierto en el que pueda circular el aire, los paneles solares montados en el techo pueden proporcionar un efecto de enfriamiento pasivo en los edificios durante el día y también mantener el calor acumulado en la noche.

Por lo general, los sistemas residenciales de techo tienen pequeñas capacidades de alrededor de 5 a 10 kW, mientras que los sistemas comerciales de techo a menudo representan varios cientos de kilovatios. Si bien los sistemas de techo son mucho más pequeños que las plantas de energía a escala de servicio público, representan la mayor parte de la capacidad instalada en todo el mundo.

que es la energía solar fotovoltaica
energía solar fotovoltaica 8

Concentrador fotovoltaico

El concentrador fotovoltaico (CFV) es una tecnología fotovoltaica que, a diferencia de los sistemas fotovoltaicos de placa plana convencionales, utiliza lentes y espejos curvos para enfocar la luz solar en células solares pequeñas, pero altamente eficientes, de múltiples conexiones.

Además, los sistemas de concentrador fotovoltaico a menudo utilizan seguidores solares y, a veces, un sistema de refrigeración para aumentar aún más su eficiencia. La investigación y el desarrollo en curso están mejorando rápidamente su competitividad en el segmento a escala de servicios públicos y en áreas de alta insolación solar.

Colector solar fotovoltaico térmico híbrido

El colector solar fotovoltaico térmico híbrido es un sistema que convierte la radiación solar en energía térmica y eléctrica. Estos sistemas combinan una célula fotovoltaica solar, que convierte la luz solar en electricidad, con un colector térmico solar, que captura la energía restante y elimina el calor residual del módulo fotovoltaico.

La captura tanto de electricidad como de calor permite que estos dispositivos tengan una mayor energía y, por lo tanto, sean más eficientes en términos de energía general que la energía solar fotovoltaica o la energía solar térmica.

Centrales eléctricas

Se han construido muchos parques solares a escala de servicios públicos en todo el mundo. Muchas granjas solares en todo el mundo están integradas con la agricultura y algunas utilizan sistemas de seguimiento solar innovadores que siguen la trayectoria diaria del sol a través del cielo para generar más electricidad que los sistemas convencionales de montaje fijo.

No hay costos de combustible o emisiones durante la operación de las centrales eléctricas.

desventajas de la energía solar fotovoltaica
energía solar fotovoltaica 4

Electrificación rural

Los países en desarrollo, donde muchas aldeas están a menudo a más de cinco kilómetros de la red eléctrica, utilizan cada vez más la energía fotovoltaica. Las aplicaciones más complejas del uso de energía solar fuera de la red incluyen impresoras 3D.

Las impresoras 3D RepRap han sido alimentadas por energía solar con tecnología fotovoltaica, lo que permite la fabricación distribuida para el desarrollo sostenible. Estas son áreas donde los costos y beneficios sociales ofrecen un excelente caso para usar energía solar, aunque la falta de rentabilidad ha relegado tales esfuerzos a los esfuerzos humanitarios.

Sin embargo, en 1995 se encontró que los proyectos de electrificación solar eran difíciles de sostener debido a la economía desfavorable, la falta de apoyo técnico y un legado de motivos ulteriores de transferencia de tecnología de norte a sur.

Sistemas independientes

Hasta hace aproximadamente una década, la energía fotovoltaica se utilizaba con frecuencia para alimentar calculadoras y dispositivos novedosos. Las mejoras en los circuitos integrados y las pantallas de cristal líquido de baja potencia permiten alimentar tales dispositivos durante varios años entre los cambios de batería.

ejemplos de energía solar fotovoltaica
energía solar fotovoltaica 2

Lo que hace que el uso de la energía solar fotovoltaica sea menos común. En contraste, los dispositivos fijos remotos que funcionan con energía solar han visto un uso cada vez mayor en lugares donde los costos significativos de conexión hacen que la energía de la red sea prohibitiva.

Estas aplicaciones incluyen lámparas solares, bombas de agua, parquímetros, teléfonos de emergencia, compactadores de basura, señales de tráfico temporales, estaciones de carga, puestos y señales de guardia a distancia.

Sistemas flotantes fotovoltaicos

En mayo de 2008, la bodega Far Niente en Oakville, California, fue pionera en el primer Sistema flotante fotovoltaico del mundo al instalar 994 paneles solares fotovoltaicos en 130 pontones y flotarlos en el estanque de irrigación de la bodega. El sistema flotante genera aproximadamente 477 kW de potencia máxima.

Cuando se combina con una serie de celdas ubicadas adyacentes al estanque, puede compensar completamente el consumo de electricidad de la bodega. El principal beneficio de un Sistema flotante fotovoltaico es que evita la necesidad de sacrificar valiosas áreas de tierra que podrían usarse para otro propósito.

como funciona energía solar fotovoltaica
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En el caso de la bodega Far Niente, el Sistema flotante fotovoltaico ahorró tres cuartos de acre que habría sido necesario para un sistema basado en tierra. Esa área de tierra puede ser usada para la agricultura.

Otro beneficio de un Sistema flotante fotovoltaico es que los paneles se mantienen a una temperatura más baja de lo que serían en tierra, lo que conduce a una mayor eficiencia de conversión de energía solar. Los paneles flotantes también reducen la cantidad de agua perdida por evaporación e inhiben el crecimiento de algas.

En transporte

La energía solar fotovoltaica se ha utilizado tradicionalmente para la energía eléctrica en el espacio. La energía solar fotovoltaica rara vez se utiliza para proporcionar potencia motriz en aplicaciones de transporte, pero se utiliza cada vez más para proporcionar potencia auxiliar en barcos y automóviles.

Algunos automóviles están equipados con aire acondicionado con energía solar para limitar las temperaturas interiores en los días calurosos. Un vehículo solar autónomo tendría energía y servicios públicos limitados, pero un vehículo eléctrico cargado con energía solar permite el uso de energía solar para el transporte.

Se han demostrado automóviles, barcos y aviones que funcionan con energía solar, siendo los más prácticos y probables de estos vehículos solares. El avión solar suizo ,Solar Impulse 2, logró el vuelo en solitario sin escalas más largo de la historia y completó la primera circunnavegación aérea del mundo con energía solar en 2016.

aplicaciones de la energía solar fotovoltaica
energía solar fotovoltaica 6

Telecomunicaciones y señalización

La energía solar fotovoltaica es ideal para aplicaciones de telecomunicaciones, como centrales telefónicas locales, transmisiones de radio y televisión, microondas y otras formas de enlaces de comunicación electrónica.

Esto se debe a que, en la mayoría de las aplicaciones de telecomunicaciones, las baterías de almacenamiento ya están en uso y el sistema eléctrico es básicamente corriente continua. En terrenos montañosos y montañosos, es posible que las señales de radio y televisión no lleguen a medida que se bloquean o se reflejan debido al terreno ondulado.

En estas ubicaciones, se instalan transmisores de baja potencia para recibir y retransmitir la señal para la población local.

Aplicaciones de naves espaciales

Los paneles solares en las naves espaciales suelen ser la única fuente de energía para hacer funcionar los sensores, la calefacción y refrigeración activas y las comunicaciones. Una batería almacena esta energía para su uso cuando los paneles solares están en la sombra.

En algunos, la potencia también se utiliza para la propulsión de una nave espacial: la propulsión eléctrica. Las naves espaciales fueron una de las primeras aplicaciones de la energía solar fotovoltaica, comenzando con las células solares de silicio utilizadas en el satélite Vanguard 1, lanzadas por los EE. UU. En 1958.

El sistema de energía solar más grande volado en el espacio es el sistema eléctrico de la Estación Espacial Internacional. Para aumentar la potencia generada por kilogramo, los paneles solares típicos de las naves espaciales utilizan celdas solares de múltiples conexiones rectangulares de alto costo, alta eficiencia y compactas compuestas de arseniuro de galio (GaA) y otros materiales semiconductores.

Sistemas de potencia especializados

Los dispositivos fotovoltaicos también pueden incorporarse como dispositivos de conversión de energía para objetos a temperaturas elevadas y con emisividades radiativas preferibles, como los combustores heterogéneos.

La Energía solar fotovoltaica moderna

El costo de la energía fotovoltaica se ha reducido drásticamente a medida que la industria ha aumentado la fabricación y mejorado de forma gradual la tecnología con nuevos materiales. Los costos de instalación también se han reducido con los instaladores más experimentados y capacitados. Sin embargo, los EE. UU.

ventajas de la energía solar fotovoltaica
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Aún siguen detrás de otras naciones que tienen políticas nacionales más fuertes para cambiar el uso de la energía de los combustibles fósiles a la solar. A nivel mundial, EE. UU. Es el cuarto mercado más grande para instalaciones fotovoltaicas detrás de los líderes mundiales Alemania, Japón y España.

La mayoría de las células solares modernas están hechas de silicio cristalino o de material semiconductor de película delgada. Las celdas de silicio son más eficientes para convertir la luz solar en electricidad, pero generalmente tienen costos de fabricación más altos. Los materiales de película delgada típicamente tienen menores eficiencias, pero pueden ser más simples y menos costosos de fabricar.

Una categoría especializada de células solares, llamadas células de unión múltiple o en tándem, se utilizan en aplicaciones que requieren muy poco peso y muy altas eficiencias, como satélites y aplicaciones militares. Todos los tipos de sistemas fotovoltaicos se utilizan ampliamente hoy en día en una variedad de aplicaciones.

Ventajas de la Energía solar fotovoltaica

La energía solar fotovoltaica tiene ventajas específicas como fuente de energía: una vez instalada, su operación no genera contaminación ni emisiones de gases de efecto invernadero, muestra una escalabilidad simple con respecto a las necesidades de energía y el silicio tiene una gran disponibilidad en la corteza terrestre.

Los 122 PW de luz solar que llegan a la superficie de la Tierra son abundantes, casi 10,000 veces más que el equivalente a 13 TW de potencia promedio consumida en 2005 por los humanos.

Esta abundancia lleva a la sugerencia de que no pasará mucho tiempo antes de que la energía solar se convierta en la fuente de energía primaria del mundo. Además, la generación eléctrica solar tiene la mayor densidad de potencia (media global de 170 W/m 2) entre las energías renovables.

La energía solar está libre de contaminación durante el uso, lo que le permite reducir la contaminación cuando se sustituye por otras fuentes de energía. Los desechos de producción finales y las emisiones son manejables utilizando los controles de contaminación existentes. Las tecnologías de reciclaje de uso final están en desarrollo y se están produciendo políticas que fomentan el reciclaje de los productores.

energía solar fotovoltaica para viviendas
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Duración mas larga de sus instalaciones

Las instalaciones fotovoltaicas pueden funcionar durante 100 años o incluso más con poco mantenimiento o intervención después de su configuración inicial. Por lo que después del costo de capital inicial de la construcción de cualquier planta de energía solar, los costos operativos son extremadamente bajos en comparación con las tecnologías de energía existentes.

La electricidad solar conectada a la red se puede utilizar localmente, lo que reduce las pérdidas de transmisión/distribución.

En comparación con las fuentes de energía fósil y nuclear, se ha invertido muy poco dinero en investigación para el desarrollo de células solares, por lo que hay un margen considerable para mejorar. Sin embargo, las células solares experimentales de alta eficiencia ya tienen eficiencias de más del 40% en el caso de concentrar células fotovoltaicas y las eficiencias están aumentando rápidamente, mientras que los costos de producción en masa están disminuyendo rápidamente.

Existe evidencia, al menos en California, de que la presencia de un sistema solar montado en cualquier casa puede aumentar el valor de esta.

Desventajas de la Energía Solar Fotovoltaica

Los sistemas fotovoltaicos tienen la gran desventaja de que la potencia de salida funciona mejor con la luz solar directa, por lo que se pierde alrededor del 10-25% si no se utiliza un sistema de seguimiento. El polvo, las nubes y otras obstrucciones en la atmósfera también disminuyen la potencia de salida.

Otro tema importante es la concentración de la producción en las horas correspondientes a la insolación principal, que generalmente no coinciden con los picos de demanda en los ciclos de actividad humana.

A menos que los patrones actuales de consumo de la sociedad y las redes eléctricas se ajusten a este escenario, la electricidad todavía debe ser almacenada para su uso posterior o mediante otras fuentes de energía, generalmente hidrocarburos.

Contaminación y energía en la producción

La energía fotovoltaica ha sido un método bien conocido para generar electricidad limpia y libre de emisiones. Los sistemas fotovoltaicos a menudo están hechos de módulos fotovoltaicos e inversores (cambio de CC a CA). Los módulos fotovoltaicos están hechos principalmente de células fotovoltaicas, que no tienen una diferencia fundamental con el material para fabricar chips de computadora.

El proceso de producción de células fotovoltaicas (chips de computadora) consume mucha energía e involucra químicos altamente tóxicos para el medio ambiente. Hay pocas plantas de fabricación fotovoltaica en todo el mundo que producen módulos fotovoltaicos con energía producida a partir de energía fotovoltaica.

Esta medida reduce en gran medida la huella de carbono durante el proceso de fabricación. La gestión de los productos químicos utilizados en el proceso de fabricación está sujeta a las leyes y regulaciones locales de las fábricas.

Impacto en la red eléctrica

Con el aumento de los niveles de los sistemas fotovoltaicos en los techos, el flujo de energía se vuelve bidireccional. Cuando hay más generación local que consumo, la electricidad se exporta a la red. Sin embargo, la red eléctrica tradicionalmente no está diseñada para lidiar con la transferencia de energía de 2 vías.

energía solar fotovoltaica en México
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Por lo tanto, algunos problemas técnicos pueden ocurrir. Puede surgir un problema de sobretensión a medida que la electricidad fluye de estos hogares fotovoltaicos a la red.

Existen soluciones para gestionar el problema de sobrevoltaje, como la regulación del factor de potencia del inversor fotovoltaico, el nuevo equipo de control de voltaje y energía a nivel del distribuidor de electricidad, el reconductor de los cables de electricidad, la gestión del lado de la demanda, etc. A menudo existen limitaciones y costos relacionados estas soluciones

Implicación en la gestión de la factura eléctrica y la inversión en energía

No hay una solución especial para la demanda de electricidad o energía y la gestión de facturas, porque los clientes (sitios) tienen diferentes situaciones específicas. Por ejemplo, diferentes necesidades de comodidad/conveniencia, diferentes tarifas de electricidad o diferentes patrones de uso.

La tarifa de electricidad puede tener algunos elementos, como el acceso diario y el cargo de medición, el cargo de energía (basado en kWh, MWh) o el cargo de demanda máxima (por ejemplo, un precio para el mayor consumo de energía de 30min en un mes). La energía fotovoltaica es una opción prometedora para reducir el costo de la energía cuando el precio de la electricidad es razonablemente alto y aumenta continuamente, como en Australia y Alemania.

Sin embargo, para los sitios precios mas o menos estables, la fotovoltaica puede ser menos atractiva si las demandas pico se producen principalmente en las últimas horas de la tarde hasta la noche, por ejemplo, las comunidades residenciales.

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