Autor: Elvis Hernández
Publicado: Vie 11 de Dic de 2020
Última modificación: Vie 3 de Feb de 2023
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1.- ¿Qué debemos saber sobre los paneles solares fotovoltaicos?
Este artículo es un paso a paso para esas personas que quieren entender en una sola publicación, cómo funcionan las celdas solares fotovoltaicas de manera sencilla y sin la necesidad de acudir a todas las ecuaciones matemáticas complejas involucradas en estos procesos. Pero a pesar de la simplicidad de las descripciones utilizadas, obtener aún así una explicación con cierta grado de profundidad de los mecanismos y procesos que están involucrados.
Muchos de nosotros queremos saber cómo funciona un celda solar fotovoltaica y sobre todo entender claramente como evaluar la calidad y potencial de una marca específica de paneles solares fotovoltaicos. Al principio parece una tarea muy compleja por el nivel tecnológico involucrado en el desarrollo de los paneles solares fotovoltaicos, sobre los cuales uno como consumidor tiene muy poca información. Pero con las indicaciones correctas, y conociendo exactamente qué es lo que debemos saber, cualquiera de nosotros puede volverse un experto en energía solar fotovoltaica. Por supuesto, la cantidad de información que hay que aprender es enorme, y en ningún momento estoy diciendo que todo se puede aprender de la noche a la mañana, pero si se tiene una visión clara de cuáles son los puntos claves, o pasos que uno debe seguir en la identificación de esos puntos claves, es posible que cualquier persona domine con cierto grado de experticia para nada despreciable, el mundo de la tecnología de la energía solar fotovoltaica. Un excelente sitio donde puedes encontrar más información técnica sobre energía solar fotovoltaica es PVEducation.
Lo primero que debemos hacer es identificar todos los parámetros involucrados en la tecnología de la energía solar fotovoltaica y definirlos de manera clara y precisa. Para ello debemos comenzar por el principio. Claro, el principio para alguien que está interesado en un panel solar fotovoltaico, suele ser el ir a una tienda física u online y comenzar a hurgar entre todos los modelos y marcas disponibles de paneles solares que le parecen bonitos, o cuya presentación es sumamente atractiva. Aquí surge la primera pregunta ¿Qué debo elegir?
Para elegir un panel solar fotovoltaico tenemos que determinar el porqué queremos un panel solar fotovoltaico. Y La razón más usual por la cual hemos decidido adquirir un panel solar fotovoltaico es que necesitamos generar energía eléctrica para alimentar alguno de nuestros equipos eléctricos o electrónicos en nuestra casa u oficina. Por tanto, el primer parámetro de importancia es identificar la cantidad de energía eléctrica que necesitamos generar, y con esta información estimar cuántos paneles solares fotovoltaicos debemos comprar.
Una vez determinada la cantidad de energía eléctrica que necesitamos generar, debemos proceder a elegir nuestros paneles solares. Como veremos más adelante, elegir los paneles solares se reduce a determinar la cantidad de potencia eléctrica que usaremos en nuestros electrodomésticos durante un día promedio. Para ello, debemos conocer y entender cómo funciona una celda solar fotovoltaica. Entender cómo es que funciona una celda solar fotovoltaica se reduce al hecho de sustituir esas imágenes que tenemos de paneles solares por una simple curva, la llamada curva características corriente-voltaje. Si logramos dejar de pensar en términos de equipos y sólo analizamos las curvas características de los paneles solares, entonces hemos llegado al estado de entender cómo funciona una celda solar fotovoltaica.
El siguiente paso, es que debemos tener una idea clara de cómo se comportan los paneles solares cuando son expuestos a la luz solar y cómo son capaces de generar diferentes potencias eléctricas en función de la intensidad de luz que reciben sobre su superficie. Para ello, debemos tener una comprensión básica de la cantidad de luz que emite nuestro Sol, y como nuestros paneles solares responden ante esa intensidad de luz.
Pero sabemos que en el mercado existen una enorme variedad de marcas, tecnologías y modelos de paneles solares fotovoltaicos. ¿Cómo saber cuál es el que más nos conviene? Pues, aprendiendo a analizar esas curvas corriente-voltaje de cada uno de las marcas que nos interesan. Conociendo nuestras condiciones locales y comparándolas con las especificaciones técnicas a las cuáles se determinan esas curvas características de corriente-voltaje, estaremos en una situación técnica favorable para elegir el mejor panel solar fotovoltaico para nuestro proyecto.
En resumen, a lo largo de este artículo vamos a:
- Determinar cuánta energía eléctrica se necesita generar. Para ello vamos a definir todos los conceptos básicos de electricidad que necesitamos conocer.
- Entender que una celda o panel solar fotovoltaico es una curva corriente-voltaje. Introduciremos el concepto de la interfases y el fenómeno del efecto fotovoltaico.
- Analizar las curvas corriente-voltajes de los paneles solares cuando son iluminadas por el Sol. Explicaremos la intensidad de luz que emite el Sol.
- Analizar los paneles solares de los fabricantes. Reconocer todos los parámetros a los que se determina la curva corriente-voltaje de esos paneles solares y como se ven afectadas por nuestras condiciones locales.
2.- ¿Cómo se cuánta energía eléctrica necesito generar?
Tranquilo, que vamos paso a paso. Muchos de nosotros no sabemos qué es la electricidad ni como funcionan las cosas eléctricas, pero aún así, estamos interesados en adquirir un panel solar para alimentar a uno de esos equipos eléctricos o electrónicos. Entonces, lo primero que vamos a hacer es familiarizarnos con la tecnología eléctrica, ya que en últimas, un panel solar o arreglo de paneles solares fotovoltaicos no son más que una planta de generación de electricidad.
Te recomiendo leer el artículo “Definiciones de celda, módulo, panel y arreglo fotovoltaico” que sin lugar a dudas te ayudará a comprender mejor algunas definiciones fundamentales de la energía solar fotovoltaica.
Hay conceptos básicos de electricidad con los cuales debemos estar familiarizados para poder determinar cuánta energía eléctrica necesitamos generar. Los conceptos importantes a conocer son:
- Corriente eléctrica
- Voltaje eléctrico
- Potencia eléctrica
- Celdas de potencia
- Corriente directa y corriente alterna
- Cálculo del consumo eléctrico
En las siguientes sub-secciones voy a dar una explicación de cada uno de estos conceptos, pero si ya eres un conocedor, pues no hay nada de que hablar y puedes saltar a la sección 3.
2.1.- La Corriente eléctrica
La electricidad no es más que una forma conveniente de energía, de allí que la llamemos energía eléctrica. Básicamente la energía eléctrica es un flujo de cargas eléctricas, llamadas electrones, que fluyen a través de ciertos conductores a los cuales denominamos cables eléctricos. Es decir, la electricidad fluye a través de cables eléctricos, así como el agua es capaz de fluir a través de tuberías. Cuando el agua está fluyendo se le llama corriente de agua; cuando son los electrones los que están fluyendo se les llama corriente eléctrica. El flujo de electrones a través de los cables eléctricos se comporta de manera idéntica al flujo de agua a través de las tuberías. Así, es fácil de entender que dependiendo del tamaño de la tubería de agua, o en el caso de la electricidad del tamaño del cable eléctrico utilizado, se puede obtener un mayor o menor flujo en un sistema dado. El tamaño de las tuberías de agua se da de acuerdo con el diámetro del tubo, y las medidas usuales son tubos de 1/2 pulgada, 1 pulgada, 1,5 pulgadas y así sucesivamente. El tamaño de los cables también se da en términos del diámetro del cable eléctrico y se mide en unidades AWG (por sus siglas en inglés de American Wire Gauge1), que no son más que las áreas transversales de los cables dadas usualmente en milimetros cuadrados. Así el tamaño de los cables se da en números AWG, y suelen ser cable No 10, No 12, No 14, ó No 8, 6, etc. Sin embargo, aquí los número suelen ser un poco confusos porque entre más pequeño es el número, más corriente es capaz de fluir a través de ese cable eléctrico sin que haya sobre calentamiento. Es decir, por un cable No 2 puede fluir mucho más corriente que por un cable No 6, y de hecho el cable No 2 es muchísimo más grueso que un cable No 6. Entre más grueso es el cable, más corriente puede fluir a través de ese cable sin que haya sobre calentamiento o pérdidas de energía eléctrica. Por supuesto, entre más grueso es el cable, mucho más costoso es. Y algo que hay que tomar muy en cuenta, son los precios de los cables eléctricos, que al ser de cobre por lo general, son realmente costosos. Así, cuando se decide por un cable eléctrico, lo que se hace es elegir el cable más delgado posible para reducir los costos, pero que sea capaz de manejar los valores de corriente que utilizan los equipos que se conectan con esos cables. Es muy importante saber que si el cable es demasiado pequeño para la corriente que va a manipular, los riesgos de generar un fuego de origen eléctrico por sobre calentamiento de los cables son enormes, además de que arriesga la seguridad de los equipos a los cuales se conectan dichos cables. Justamente ese es el trabajo de los ingenieros eléctricos o electricistas en general, y es saber determinar cuál es el cable eléctrico más adecuado para su instalación eléctrica, dependiendo del consumo de sus electrodomésticos y equipos en general.
La corriente eléctrica se mide en unidades de amperios (A) y se denota con la letra I. Un amperio es el equivalente a un flujo de un coulomb (unidad de carga básica del sistema internacional) a través de una sección transversal de 1 m2 cada segundo. Es decir, el amperio es una medida del flujo de cargas por unidad área cada segundo, y sabemos que ese caudal de cargas lo llamamos corriente eléctrica. Pero no nos preocupemos tanto por su definición técnica, lo que debemos saber es que la corriente I siempre la vamos a dar en valores de amperios, algo como 2 amperios, 0,5 amperios, etc.
2.2.- El voltaje eléctrico
Siguiendo con la analogía del agua, el voltaje eléctrico es equivalente a la altura a la cual decidimos ubicar a nuestros tanques de agua. Si el tanque de agua se encuenta a mayor altura, el agua fluye con más facilidad y presión en la parte baja de la tubería. Exactamente de la misma forma funciona el voltaje para la corriente eléctrica. Si el voltaje es más alto o grande, mayor es el flujo de la corriente eléctrica a través de un cable eléctrico. Si el voltaje es muy bajo, entonces no hay prácticamente flujo eléctrico en ese circuito eléctrico. Para que un circuito eléctrico funcione adecuadamente se debe mantener en todo momento un flujo constante de cargas, es decir una corriente eléctrica, y ésto solo es posible si se mantiene presente en todo momento un voltaje eléctrico.
Como vemos, si aplicamos un voltaje muy grande a un circuito, entonces corremos el riesgo de generar una enorme corriente eléctrica en ese cable, tanto que puede llegar a superar los límites de trabajo seguro para dicho cable. Por ello, es importante que los valores de voltajes nunca sean demasiado altos, so pena de causar un gran daño a nuestros equipos o electrodomésticos que se encuentren conectados a dichos circuitos eléctricos.
El voltaje eléctrico se da en unidades de voltios, y básicamente representa el trabajo necesario para mover las cargas eléctricas dentro de un circuito eléctrico. La unidad de voltaje voltios se denota con la letra V.
Algo que es muy importante entender acerca de los voltajes eléctricos, es que los voltajes siempre se refieren a la direncia en voltios que existe entre un punto a y un punto b cualquiera. Por eso, es que por lo general uno se refiere a los voltajes como “diferencias de potencial”, ya que siempre es la diferencia entre dos puntos cualesquiera. Esto hace un poco difícil entender a los voltajes, porque realmente no existe un cero con respecto al cual se miden las diferencias de voltaje, sino que existe un punto que tiene un voltaje más bajo que el otro. Por ejemplo, uno puede tener un voltaje de 120 voltios entre el punto a y el punto b, y eso mantiene funcionando un equipo eléctrico cualquiera. Pero uno debe tener mucho cuidado porque puede ser que el punto más bajo tiene 1000 voltios y el punto más alto 1120 voltios, y al medir la diferencia de potencial esta es de tan solo 120 voltios. Si alguién toca cualquiera de los puntos, puede recibir una enorme descarga producto de estar expuesto a un enorme voltaje. La única manera en la que podemos establecer un cero para todas las diferencias de potenciales, es que tomemos para toda la instalación eléctrica un único punto de referencia. Este punto de referencia no debería cambiar su valor de voltaje o al menos ser lo más estable posible para que pueda servir como punto de referencia. Pues, uno de los puntos de referencia más utilizados es La Tierra misma, y por eso es que los sistemas se ponen a tierra, y es simplemente colocar una conexión que va a servir como referencia para medir todos las diferencias de potencial que existen en ese circuito eléctrico. Esto garantiza un mínimo de seguridad al momento que utilizamos los sistemas eléctricos, ya que como nosotros también estamos en contacto con esa “tierra”, entonces todos los voltajes que nosotros percibimos son del mismo orden o magnitud de los que se utilizan en el sistema eléctrico. Solo de esta manera es posible garantizar que los sistemas eléctricos sean seguros. En pocas palabras, si su sistema eléctrico no tiene un sistema de puesta a tierra adecuado, usted está arriesgando su vida en todo momento. Lamentablemente, en las zonas pobres donde abundan las instalaciones eléctricas sin los sistemas de puesta a tierra adecuados, se suelen escuchar historias o cuentos de este tipo: “Fue a abrir la nevera y de repente le dió un patatús”.
2.3.- Potencia Eléctrica
Existe una relación matemática entre el voltaje y la corriente que se llama potencia eléctrica. La potencia eléctrica no es más que el voltaje multiplicado por la corriente eléctrica. Es decir P = V x I.
La potencia eléctrica es el parámetro más importante de todos los parámetros eléctricos que debemos conocer. La potencia eléctrica es lo que hace que los equipos eléctricos o electrónicos funcionen. Si no hay potencia, el equipo simplemente no funciona o trabaja, así de simple. Y de la ecuación podemos ver que, aun cuando haya una corriente eléctrica pero no un voltaje, esos equipos no funcionarán porque no hay potencia eléctrica si el voltaje es cero. Lo mismo ocurre si lo que tenemos es un gran voltaje, pero por alguna razón no hay corriente eléctrica en el circuito, entonces ningún equipo funcionará. Es decir, todo el tiempo debe haber potencia para que los equipos trabajen, y para que eso sea así, ni la corriente, ni el voltaje deben ser cero, ambos deben estar presente de manera simultánea para que exista la potencia que requieren los equipos.
La potencia se mide en vatios, que se denotan con la letra W (del inglés Watts). La potencia es realmente un flujo de energía, y es una medida de la cantidad de energía que fluye cada segundo. Por ello, si no hay potencia, no hay energía y por tanto los equipos no funcionan. Solo para nuestra cultura general debemos saber que la energía se mide en una unidad que se denomina Joule (J) en el sistema internacional, y por tanto la potencia es la cantidad de Joules que fluye o realmente que está presente cada segundo. Es decir, la potencia es energía por unidad de tiempo J/s.
2.4.- Celdas de potencia
Existen unos dispositivos que son de nuestro interés muy particular y son las llamadas celdas de potencia o celdas de energía. Una celda de energía es cualquier dispositivo que por medio de artilugios mecánicos, químicos o físicos, son capaces de generar una cantidad de energía de manera constante, y dicha energía además puede ser utilizada para generar alguna forma de trabajo por un determinado tiempo.
Sí alguno de estos artilugios es capaz de generar corrientes y voltajes eléctricos de manera simultánea, entonces estos artilugios se denominan celdas de potencia eléctrica. Una celda de potencia eléctrica es capaz de hacer funcionar un equipo eléctrico o electrónico durante ciertos períodos de tiempo, que dependen de la cantidad de energía que produce dicho artilugio mientras que esté presente la fuente o proceso que mantiene funcionando a la celda.
De hecho, existen una infinidad de celdas de energía en nuestro día a día, cuyos nombres varían de acuerdo con la fuente que mantiene al proceso funcionando. Por ejemplo, están las celdas electroquímicas que utilizan electrolitos y electrodos para producir potencia eléctrica, y que unidas forman una batería lo suficientemente potente para mover cámaras, laptop o incluso nuestros automóviles. También existen las celdas de hidrógeno, que utilizan a este elemento como fuente de combustible para generar potencia eléctrica o térmica. Y por supuesto, tenemos el caso que nos interesa que es la celda solar fotovoltaica, que utiliza como combustible la energía solar y como mecanismo de funcionamiento el efecto fotovoltaico, que ya explicaremos más adelante, para generar potencia eléctrica.
Por eso es que podemos utilizar las celdas solares fotovoltaicas para generar potencia eléctrica, porque simplemente son una clase específica de celda de potencia eléctrica.
2.5.- Corriente directa y corriente alterna
Existen dos tipos básicos de corriente eléctrica en la naturaleza. Una que llamamos corriente directa y es simplemente una corriente cuya polaridad o dirección de la corriente se mantiene constante en el tiempo. Es decir, el flujo de electrones se mantiene fluyendo en una sola dirección todo el tiempo sin ningún tipo de variaciones. A este tipo de corriente se le llama corriente directa o corriente DC. Pero también tenemos el caso en el que el valor de la corriente pueden variar su polaridad con el tiempo, y dichas variaciones pueden ser armónicas o no, en donde lo importante es que la polaridad o dirección de flujo de la corriente está cambiando constantemente en el tiempo. A este tipo de corriente se le denomina corriente alterna o corriente AC.
En la figura No 1, se muestras ambos tipos de curvas DC y AC, donde se observa que la característica principal es que los voltajes DC no cambian de polaridad, es decir no cambian de signo a lo largo del tiempo, mientras que los voltajes alternos AC, que son las curvas mostradas en rojo en la figura, cambian el signo o polaridad a lo largo del tiempo.
Resulta que las propiedades físicas son totalmente diferentes entre las corrientes AC y las corrientes DC. Por ejemplo, en una corriente DC que las cargas están en movimiento constante siempre generan un campo magnético que es constante. En cambio, en una corriente AC, ese campo magnético no es constante y resulta en un campo magnético que está variando en el tiempo. Un campo magnético variante en el tiempo introduce una serie de nuevos efectos y propiedades que la hacen totalmente diferente a la corriente eléctrica tipo DC.
Una diferencia básica entre corrientes AC y DC, es que las corrientes AC son capaces de transmitir potencia eléctrica a grandes distancias con mucho menos resistencia que una corriente DC. Por tanto, las pérdidas de energía son mucho menores en el caso de las corriente AC que si utilizaramos corrientes DC. Esa es una de las razones por las cuales los sistemas de distribución eléctrica a escala nacional utilizan corrientes AC en lugar de corriente DC.
Uno de los experimentos más complejos en electricidad por ejemplo, es hacer giros en los cables eléctricos que transportan una corriente AC. Sólo hacer eso, da pié a la creación de una cantidad enorme de propiedades que van desde la emisión y recepción de señales electromagnéticas (que llamamos antenas), o simplemente a fuerzas de fricción inmensas que elevan enormemente la temperatura de esos cables eléctricos (hornos de inducción), conductores eléctricos que levitan, o simplemente convertir voltajes en corrientes o viceversa (transformadores).
Lo importante de reconocer las corriente eléctricas AC y DC, es que nuestros equipos eléctricos y electrónicos están diseñados para trabajar con un tipo específico de corriente eléctrica. Esto significa que si tenemos un ventilador DC, éste solo funciona con corriente DC. Si es un ventilador AC, éste solo funciona con corriente AC. Si en cualquiera de los casos utilizamos una forma diferente de corriente eléctrica para la cual fue diseñado ese electrodoméstico, lo más probable en el mejor de los casos es que ese equipo no funcione, y en el peor de los casos es que genere daños a los equipos o un incendio de origen eléctrico.
Así, lo importante a entender es que debemos estar muy seguros de qué tipo de electricidad necesitan nuestros equipos y qué tipo de electricidad estamos generando, o tenemos disponible para alimentar dicho equipo. No debemos nunca equivocarnos y comerter errores relacionados con el tipo de corriente porque siempre resultan costosos y sumamente peligrosos.
Las celdas solares fotovoltaicas generan electricidad del tipo DC, mientras que la electricidad que utilizamos normalmente en nuestros hogares es del tipo AC. Eso significa que siempre debemos acondicionar la electricidad que producen nuestros paneles solares fotovoltaicos para para poder ser utilizada con nuestros electrodomésticos tradicionales.
2.6.- Consumo eléctrico
Ya sabemos qué es la potencia eléctrica y cómo medir dicha potencia eléctrica que no es más que P = V x I. Bien, el consumo de los equipos eléctricos y electrónicos se mide en Wh (vatios x hora) y no es más que la energía que consumen dichos equipos en una hora. Pero para que esos equipos puedan funcionar necesitan justamente esa potencia en todo momento. Por ejemplo, un taladro eléctrico de 300 W, que es su potencia de trabajo, consumirá unos 300 wh en una hora, y se necesitan 300 W de potencia cada segundo para poder mantener funcionando ese equipo.
Pero hay que tener cuidado que los parámetros eléctricos de la potencia que estamos generando sean acordes con los parámetros eléctricos del equipo que consume dicha potencia eléctrica. Por ejemplo, en el caso del taladro eléctrico puede que requiera 300 W de potencia para funcionar pero con un voltaje fijo de 12 voltios DC. Eso significa que el taladro consumirá unos 25 amperios, porque de la ecuación P = V x I = 12 voltios x 25 amperios = 300 W. Pero si nuestro generador no es capaz de producir esos 12 voltios, sino por ejemplo solo 6 voltios, entonces nuestro taladro va a intentar consumir 50 amperios de ese generador (6 voltios x 50 amperios = 300 W), y de repente esos valores de corriente son mucho más de los que el cableado eléctrico del equipo puede soportar, y por tanto termina generando sobre calentamiento y daño al equipo.
Así, el consumo eléctrico se refiere a la potencia que consume un electrodoméstico cualquiera en un determinado tiempo, a los valores nominales de voltaje que los fabricantes han decidido que será el voltaje de trabajo de sus equipos.
Eso significa, que cada vez que vamos a alimentar electrodomésticos debemos hacerlo a un valor nominal de voltaje, por ejemplo a 120 VAC ó 220 VAC, y calcular cuánto es el valor de corriente total que consumirán todos los electrodomésticos conectados a ese generador de potencia eléctrica. Esto hace que los cálculos de consumo sean relativamente sencillos, y nos permite diseñar nuestros sistemas de generación de potencia en concordancia con dichos consumos. Solo se requiere determinar los valores de corriente totales que se van a consumir, ya que los voltajes de trabajo ya están definidos por el fabricante. Con estos valores de corriente es que se determinarán todos los elementos que componenen nuestros sistemas, tales como el AWG de los cables eléctricos, protecciones, sistemas de acondicionamiento, etc.
2.7.- Determinar la cantidad de energía a generar
Calcular la cantidad de energía que deben generar nuestros paneles solares fotovoltaicos es relativamente fácil. Lo que debemos hacer es identificar la potencia que consume cada uno de los equipos que queremos mantener funcionando y estimar por cuánto tiempo al día queremos que dichos equipos funcionen. Cada equipo eléctrico o electrónico tiene una etiqueta que identifica su consumo en Wh (vatio x hora), o en su defecto el consumo en voltaje y los amperios que consumen, con los cuales se puede calcular su potencia con P = V x I.
Así, si por ejemplo queremos mantener encendida una luminaria led que indica que consume 9 Wh, y queremos mantenerla encendida al menos unas 8 horas al día, entonces el consumo total estimado de esa bombilla será de unos 72 Wh, que resulta de multiplicar la potencia de la bombilla de 9 W por las 8 horas que deseamos hacer funcionar dicha bombilla. Así de simple se puede hacer un estimado del total de energía que vamos a requerir generar con nuestros paneles solares fotovoltaicos. Por supuesto, esta es una aproximación muy sencilla, pero que funciona bastante bien para la mayoría de los casos. Realmente, para obtener el consumo real de todos los equipos lo que hay que hacer es determinar el patrón de consumo y luego estimar de una manera más precisa cuánta energía se requiere generar.
Un detalle que es importante tomar muy en cuenta es el relativo al consumo intensivo de energía. Si deseas encender una bombilla led de 9 w por 8 horas necesitarás unos 72 Wh de energía; pero si quieres encender dos bombillas led en lugar de una sola, pues en ese caso el consumo de energía puede ser del orden de los 160 Wh y no los 144 Wh que indica la lógica. Y es que a medida que el consumo de energía se vuelve más intenso, se gasta más energía y los procesos tienden a ser menos eficientes. Digamos que es simple termodinámica, aunque evidentemente he exagerado un poco los valores en este ejemplo con la intención de mostrar la importancia del consumo intensivo de electricidad.
3.- Los paneles solares fotovoltaicos son una curva corriente-voltaje
Bien, llegamos al momento en que vamos a discutir sobre los paneles solares fotovoltaicos. Podríamos simplemente explicar lo más básico como son los voltajes de trabajo y la potencia que genera cada panel solar, y con ésto sería suficiente para determinar el número de paneles que se necesitan para generar la energía que requiere un proyecto particular. Pero, la idea de esta publicación es que logremos comprender con cierta grado de profundidad, cómo es que funcionan las celdas solares fotovoltaicas, y cuáles son los parámetros que son importantes para esas personas que están interesadas en conocer los detalles técnicos de estas tecnologías.
Vamos a comenzar por lo más básico, y asumir que el lector no tiene ningún tipo de conocimientos sobre tecnología de materiales, ni termodinámica, ni nada de los aspectos técnicos asociadas con ésta o cualquier otro tipo de tecnología. Es decir, vamos a partir de cero conocimientos y a tratar de compendiar toda la información científica y tecnológica que requerimos para entender todo lo que ocurre en una celda solar fotovoltaica. El reto es explicar toda esta información sin acudir a las ecuaciones matemáticas y a modelos científicos complejos.
3.1.- Construyendo la curva característica corriente-voltaje
Primero, lo primero. La corriente eléctrica y el voltaje fueron descubiertos y estudiados primordialmente durante la primera parte del siglo 19 por científicos muy afamados tales como Coulomb, Ampere, Volta, Faraday, Becquerel, Ohms, Lenz, entre muchos otros. Dentro de la comunidad científica de la época, el poder generar corrientes y voltajes se convirtió en uno de los principales instrumentos de investigación y desarrollo en ese siglo. ¿Qué significaba ésto? Bueno, que cualquiera que se preciara de ser un buen científico en la época, le aplicaba un buen corrientazo a su objeto de estudio, o una diferencia de potencial o voltaje, para ver como se comportaban las cosas, objetos e incluso animales; como es el caso de los experimentos de aplicación de corriente eléctrica a los músculos en ranas muertas. No fue por pura casualidad que surgieran las historias de ficción tipo “Frankenstein” en esa época, así como hoy día son los computadores nuestros nuevos monstruos ficticios.
Todos estos estudios llevaron a un resultado en extremo importante dentro de la física de la electricidad, y que hoy día permite clasificar a todos los materiales eléctricos que existen, y no sólo permite clasificarlos sino que además establece cuáles son las propiedades y ecuaciones que gobiernan su comportamiento. Y para poder hacer estos estudios solo se necesita hacer un simple experimento: Aplicar una diferencia de potencial o voltaje, y medir cuánta corriente circula a través del objeto cuando se aplica ese voltaje. Tan simple como eso.
Entonces, para entender la naturaleza eléctrica de cualquier objeto lo único que debemos hacer es aplicar una voltaje y medir cuánta corriente circula a través de ese objeto. Así, los técnicos lo que hacen es por ejemplo aplicar cero voltios y medir la corriente; luego aplican 1 voltio y miden la corriente; luego aplican 2 voltios y miden la corriente; y así sucesivamente. También pueden aplicar voltajes negativos, es decir, aplicar -1 voltio y miden la corriente; aplican -2 voltios y miden la corriente. Pues con todos estos datos numéricos construyen una tabla, y luego la grafican. Esa simple gráfica se llama la característica corriente-voltaje de ese objeto.
Resulta, que hay dos posibles tipos de gráficas de la característica corriente-voltaje; o la gráfica es una línea recta o simplemente no es una línea recta. Los posibles resultados se muestra en la figura 2.
Pues, si la curva característica corriente-voltaje da una línea recta, entoces se dice que el material tiene un comportamiento óhmico, y que cumple con la ley de Ohms. La ley ohms simplemente establece que el voltaje es igual a la resistencia del material por la corriente que circula a través de ese material. Matemáticamente se escribe como V = I x R, donde V es el voltaje aplicado, I es la corriente medida y R es la resistencia eléctrica que opone el material al paso de la corriente. En este caso todas las propiedades eléctricas del objeto pueden ser descritas por las ecuaciones de electricidad que todos conocemos y aprendemos en el bachillerato.
Sí la curva característica corriente-voltaje no es líneal, entonces decimos que el objeto de estudio no tiene un comportamiento óhmico, y sus propiedades eléctricas ya no pueden ser descritas por las ecuaciones eléctricas que aprendemos en el bachillerato, sino que requieren de ecuaciones especiales.
3.2.- ¿Por qué la curva corriente-voltaje puede ser lineal o no lineal?
Para entender el porqué algunos objetos tienen un comportamiento óhmico, es decir su característica corriente-voltaje es lineal, mientras que otros no son óhmicos, necesitamos recurrir a la termodinámica básica.
Los buenos científicos no suelen dedicarse a estudiar objetos o fenómenos muy complejos, sino que se dedican a intentar explicar qué es lo ocurre en las situaciones cotidianas y obvias del día a día. Esas situaciones cotidianas y obvias, cuando se analizan en detalle resultan ser en extremo complejas. De hecho, uno de los experimentos más complejos que existe en la naturaleza, consiste simplemente en poner en contacto físico a dos materiales distintos o disímiles. Por ejemplo, digamos una papa y una zanahoria. Cuando se ponen en contacto estos dos objetos disímiles, en los lugares donde se produce el contacto se da una serie de fenómenos, que alteran o determinan las propiedades de esos objetos. En la unión entre los dos objetos, que normalmente se denomina como la interfase, se presenta una situación en la que hay un cambio abrupto de un medio a otro (por ejemplo pasar de la papa a la zanahoria) y la naturaleza intenta remediar ese cambio abrupto tendiendo a establecer una especie de situación de equilibrio que satisfaga de alguna manera a ambos objetos. Por ejemplo, si la zanahoria es más dulce que la papa en el lugar de contacto, entonces los azúcares tenderán a fluir a hacia la papa. De igual manera si un lado es más salobre que otro, entonces las sales migrarán del más salobre al menos salobre. Y de hecho se dará toda una cantidad de procesos que intentarán establecer ese equilibrio, no importando de qué variable se trate, todas intentarán llegar a un equilibrio que satisfaga a ambos objetos, que ahora debido al contacto físico que existen entre ellos, se comportan como si fueran un solo sistema. Todos esos procesos de migración de sales, azúcares, cargas, agua, etc, producen muchos cambios en la interfase entre los dos objetos, que van desde el establecimiento de corriente eléctricas, cambios de temperatura, flujos de calor, campos eléctricos, etc. Es decir, se producen una infinidad de procesos hasta que se establece un equilibrio en esa interfase.
Pues, lo mismo ocurre cuando estamos tratando con materiales eléctricos. Para poder medir la curva característica corriente-voltaje de un pedazo de piedra o de un trozo de madera, nosotros necesitamos conectar a esa piedra o madera a un par de cables eléctricos, que por lo general son de cobre. Eso significa que hemos puesto en contacto dos materiales distintos que son por ejemplo la madera y el cobre. Por tanto, en ese lugar de contacto se forma una interfase que puede alterar o no las propiedades eléctricas que estamos estudiando. Resulta que cuando la característica corriente-voltaje es una línea recta, y por tanto el objeto bajo estudio tiene comportamiento óhmico, la interfase que se ha formado entre los dos objetos es muy pequeña, y todas las propiedades eléctricas que estamos observando son del objeto y no de la interfase.
Cuando la característica corriente-voltaje del objeto bajo estudio es no lineal, entonces significa que la interfase entre el cable eléctrico y objeto es grande, y es la interfase la que está dominando las propiedades eléctricas de ese sistema. Uno de los problemas asociados con las interfases es que la corriente eléctrica puede fluir en una dirección pero no en la dirección opuesta, y por lo general puede fluir hacia el objeto pero no fuera de ese objeto.
Lo importante a entender es que siempre va a existir esa interfase, a menos que se trate de exactamente los mismos materiales los que se encuentran en contacto físico el uno con el otro. Y no se trata de si los materiales son buenos o malos conductores eléctricos, sino de que sean iguales o no. Por ejemplo, si ponemos en contacto dos excelentes conductores como el cobre y el aluminio, resulta que entre los dos se forma una interfase que cuando la corriente circula en una dirección produce un enfriamiento en la unión, pero si la corriente cambia de sentido se produce el efecto contrario, que es un calentamiento en la unión que incluso puede llegar al punto de fusión de estos materiales. Aquí nace una de las reglas fundamentales de la electricidad y es el hecho de jamás se deben mezclar materiales distintos en las intalaciones eléctricas, y esto va para cables eléctricos, baterias, celdas solares, etc., so pena de que se forme una interfase que puede dañar o destruir a esos materiales que se encuentran en contacto. Por separado pueden funcionar de manera excelente, pero al momento de ponerlo en contacto lo que sucede puede ser impredecible.
Esta realidad física nos crea un problema enorme en los circuitos eléctricos y electrónicos, y es el hecho de que para poder hacer fluir la corriente desde un objeto o material cualquiera, se requiere obligatoriamente que exista un contacto óhmico. Pues, una de las cosas más difíciles que existen hoy día desde el punto de vista tecnológico es poder hacer esos contactos óhmicos, sobre todo para las celdas solares fotovoltaicas. En muchos casos se requieren hasta una docena de procesos o capas de materiales para lograr hacer el contacto óhmico de dichas celdas, mientras que la celda en si misma solo utiliza uno o dos procesos en su fabricación. De hecho, uno de los puntos de fallas más probable de las celdas solares fotovoltaicas se encuentra justamente en los contactos óhmicos.
Una diferencia básica entre materiales eléctricos y electrónicos, es que en general los primeros tienen comportamientos en los que su característica corriente-voltaje es lineal, mientras que en los materiales electrónicos dicha curva es no líneal. El paso de la corriente en un material óhmico, es decir con característica corriente-voltaje lineal, sólo es controlado por la ecuación de Ohms (V = I x R), y no hay sorpresas de ningún tipo. En cambio, en los materiales que no son óhmicos, el paso de la corriente queda determinado por la interfase y todos los fenómenos que pueden ocurrir dentro de dicha interfase. Así, determinar o controlar el paso de la corriente a través de materiales no-óhmicos se vuelve un tanto complejo, y de hecho toda una rama de la tecnología a la cual llamamos Electrónica.
Por tanto, si queremos hacer dispositivos interesantes más allá de simples resistencias, entonces debemos trabajar con materiales que formen interfases y entender como funcionan dichas interfases.
3.3- La curva corriente-voltaje con interfases
Ya sabemos porqué existen la interfases y cómo identificar si está presente o no dicha interfase en un objeto, simplemente midiendo su característica corriente-voltaje. Ahora, vamos a dedicarnos a analizar el comportamiento de esas interfases, para lo cual vamos a necesitar hacer un contacto óhmico y un contacto que forme la interfase. El conctato óhmico es fundamental para que pueda fluir la corriente desde ese objeto, porque si tenemos interfases en ambos contactos eléctricos no podremos identificar cuál es la interfase que está dominando el flujo de corriente, o si es una interacción que existe cuando ambas interfases están presentes. Así, todo componente electrónico está formado por un contacto óhmico de un lado y por un contacto no-ohmico en el otro extremo. Por ejemplo, si tomamos un pedazo de silicio, que es un elemento químico sumamente abundante en la corteza terrestre, y le hacemos contacto de un lado con un alambre de plata, y por el otro lado le hacemos contacto con un alambre de oro, obtenemos en el primer caso un contacto eléctrico óhmico, y en el segundo un contacto eléctrico no-óhmico.
En la figura 3 se muestran varias características corriente-voltaje, que puede considerarse que son de diferentes materiales, o de un mismo material pero con distintos tipos de interfases. La idea es identificar cuales son los puntos claves de esas curvas características, para poder realizar análisis cualitativos de las propiedades o comportamientos que pueden llegar a tener esos materiales.
Lo primero es analizar cualitativamente qué es lo que está ocurriendo en dicho material o interfase. Tomemos como referencia la curva 3. Como vemos en la gráfica, cuando se aplican voltajes negativos notamos que a través de esa interfase no fluye corriente hasta que no se llega a aplicar un voltaje relativamente grande, a partir del cual comienza a fluir una corriente negativa. Sin embargo, cuando aplicamos voltajes positivos observamos que para pequeños voltajes no hay flujo de corriente, pero a partir de cierto voltaje comienza a fluir la corriente rápidamente. Esta dicotomía en el comportamiento de la característica corriente-voltaje nos establece una dirección de trabajo o de circulación de corriente eléctrica, la cual nos permite diferenciar una dirección clara en los dispositivos electrónicos. En el primer caso donde se observa que la corriente no fluye cuando se aplican voltajes, se dice que la polarización es invertida o negativa. En el segundo caso cuando la corriente fluye relativamente fácil a bajos voltajes, se dice que el dispositivo tiene polarización directa o positiva. Todos los dispositivos que tienen este comportamiento o curva característica corriente-voltaje no lineal se les llama Diodos o Rectificadores.
El tamaño de la interfase determina cuales son los voltajes a los cuales comienzan a conducir la corriente eléctrica, bien sea en polarización directa o invertida. Es decir, entre más grandes es la interfase, más voltaje se requiere para que comience a fluir la corriente eléctrica. A medida que la interfase se hace más pequeña, la curva tiende a ser una característica corriente-voltaje lineal. Por tanto, el tamaño de la interfase determina el voltaje al cual comienza a fluir la corriente eléctrica.
Esa característica de que la corriente puede fluir en una dirección pero no en la otra en los diodos o rectificadores es la que se utiliza para hacer todos los circuitos electrónicos de hoy día. Las propiedades de las interfases son realmente extrañas y diversas. Por ejemplo, cada vez que se hace circular una corriente eléctrica a través de uno de estos diodos, la interfase emite luz, estos dispositivos se conocen como LED de sus siglas en inglés de Light Emiting Diode, que significa diodos emisores de luz. Pues, así como emiten luz todos los diodos son capaces también de absorber luz gracias a esas interfases, de hecho, por lo general están absorbiendo y emitiendo todo el tiempo algún tipo de luz durante su funcionamiento.
3.4- Fotoconductividad y Efecto fotovoltaico
Bien, lo interesante a entender de las interfases es que éstas reaccionan a casi cualquier estímulo externo, bien sean campos éléctricos, cambios de temperatura, corrientes eléctricas y sobre todo a la exposición de la luz. Estos cambios en las interfases se reflejan fácilmente en cambios en la respuesta o forma de la característica corriente-voltaje de esos objetos al ser por ejemplo iluminados. La respuestas ante la iluminación van desde posible destrucción de las interfases, cambios en la resistencia intrínseca del material al paso de la corriente eléctrica, fenómeno que se denomina fotoconductividad, hasta nuevos fenómenos como es el denominado efecto fotovoltaico.
Cuando una interfase se ilumina su característica corriente voltaje cambia. Hay muchos tipos de cambios posibles, pero por ahora nos centraremos a explicar los dos fenómenos más conocidos o frecuentes en estas interfases. Esos fenómenos son la fotoconductividad y el efecto fotovoltaico.
La Fotoconductividad: Uno de los fenómenos físicos más frecuentes en los materiales eléctricos y electrónicos es la fotoconductividad. La fotoconductividad es una respuesta ante la absorción de luz por parte de los materiales o de las interfases que se crean al poner en contacto dos materiales distintos, donde se observa un cambio de la curva característica corriente-voltaje tal como se muestra en la figura 4. En la figura se muestran las gráficas de las características corriente-voltaje de un diodo o material cuando no está iluminado y cuando dicho material se expone a la luz.
Hay dos rasgos fundamentales a observar cuando el fenómeno de la fotoconductividad está presente, el primer rasgo tiene que ver con el hecho de que la pendiente o inclinación de las curvas cambian con respecto a la curva que no ésta siendo iluminada, es como una especie de giro de la curva. El segundo rasgo es que la curva siempre pasa por el origen, es decir, siempre cuando el voltaje es cero, la corriente producida es cero. Así la curva solo cambia cuando se aplican altos valores de voltaje, donde se observa que la corriente resultante es distinta a la que se obtiene cuando el material no está siendo iluminado. El fenómeno de la fotoconductividad puede ser utilizada para fabricar sensores a la luz pero no es capaz de generar potencia eléctrica. Por tanto, con materiales que presentan fotoconductividad no se pueden fabricar celda solares, porque no son capaces de generar potencia eléctrica.
El Efecto Fotovoltaico: Otra de las posibles respuestas a la luz es el denominado efecto fotovoltaico. Al igual que en el caso de la fotoconductividad, la curva característica corriente-voltaje cambia cuando está siendo iluminada, pero a diferencia de lo que ocurre en la fotoconductividad, en el caso del efecto fotovoltaico no hay cambios de inclinación de la curva, sino un desplazamiento de toda la curva, tanto en corriente como en voltaje. De hecho, cuando está presente el efecto fotovoltaico, la curva característica corriente-voltaje no pasa por el origen, tal como se muestra en la figura 5.
Así, cuando en la interfase es iluminada y está presente el fenómeno del efecto fotovoltaico, ocurre un desplazamiento en voltaje y corriente de la curva, lo que implica que ante la presencia de luz hay de manera simultánea voltaje y corriente, sin que se requiera una fuente externa. Pues, todo dispositivo que tiene presente de manera simultánea voltaje y corriente, ya lo hemos definido como una celda, y por tanto, es capaz de producir potencia eléctrica, porque ahora ni el voltaje ni la coriente son cero. A todos estas interfases que presentan el fenómeno del efecto fotovoltaico, se les denomina celda fotovoltaica. Si la luz que se utiliza para iluminar a la celda es la luz solar, entonces el dispositivo se le denomina celda solar fotovoltaica.
3.5.- La Celda Solar Fotovoltaica
Hemos llegado al llegadero. Ya sabemos qué es una celda fotovoltaica, y no es más que un material con una interfase que presenta el efecto fotovoltaico cuando ésta es iluminada. Ahora, vamos a analizar y comprender con cierta profundidad a nuestra celda solar fotovoltaica.
Así, cada vez que hablamos de una celda solar fotovoltaica, a lo que nos estamos refiriendo es a la gráfica que observamos en la figura 6a. Es decir, una curva característica corriente-voltaje que ha sido desplazada porque está presente el efecto fotovoltaico. Lo primero que vamos a hacer es recortar la curva solo a los valores positivos de voltaje y a la corriente que se genera a estos valores, y luego vamos a voltear la curva y mostrar las corriente negativas como si fueran positivas, tal como se muestra en la figura 6b. Realmente la curva característica corriente-voltaje es tal como se muestra en figura 6a, pero los ingenieros tienen la mala costumbre de ver las cosas al revés, y suelen mostrar la curva como se ve en la fitura 6b. Supuestamente, es porque se genera una corriente que no estaba y por tanto debería ser así, pero eso es falso, simplemente la corriente va en sentido contrario. Pero como todos los fabricantes tienen la “mala costumbre” de presentarla así, pues no tengo más opción, sobre todo para evitar confusiones con lo que se reporta en la literatura, y que al final el análisis no cambia en absoluto.
Como vemos hay varios puntos de interés en las celdas solares fotovoltaicas que son:
- El voltaje de circuito abierto (Vca)
- La corriente de corto circuito (Icc)
- El punto de máxima potencial (Vmp)
El voltaje de circuito abierto no es más que el voltaje que logramos medir cuando la corriente es igual a cero y la celda solar está siendo iluminada. La forma más fácil de medirlo, es justamente abriendo el circuito para que no circule corriente y medir la diferencia de potencial que existe entre los extremos de nuestra celda solar iluminada. Esta es la diferencia de potencial más grande que puede establecer nuestra celda solar cuando es iluminada a una intensidad dada de luz. Hay un límite al voltaje máximo que puede generar la celda y depende exclusivamente de la interfase que se ha formado en ese material. Es decir, los voltajes máximos de las celdas solares dependen de la naturaleza de la interfase y del material del cual está hecho la celda solar. Entre más grande es la interfase mayores son los voltajes que puede generar nuestra celda solar.
La corriente de corto circuito, es justamente la corriente que se logra medir cuando ponemos en corto circuito los extremos de nuestra celda cuando ésta está siendo iluminada. La manera más secilla de merdir esta corriente es colocando solo un amperímetro entre los extremos de nuestra celda cuando la iluminamos. La corriente de corto circuito es la máxima cantidad de corriente que puede llegar a producir nuestra celda solar fotovoltaica cuando está siendo iluminada con una intensidad dada de luz. La máxima corriente que produce la celda solar depende de la intensidad de la iluminación y del tamaño de la interfase, entre más grande es la interfase menos corriente es capaz de producir dicha celda solar.
El punto de máxima potencia, es el verdadero punto de interés de nuestra celda solar fotovoltaica, y es el que establece la máxima potencia que es capaz de generar nuestra celda solar cuando es iluminada con una intensidad de luz determinada. Basícamente, ese punto se define por un voltaje, que llamamos voltaje de máxima potencia (Vmp), y una corriente, que denominamos corriente de máxima potencia (Imp). Recordando que la potencia es P = V x I, en este caso la potencia máxima es Pmp = Vmp x Imp. Si queremos sacar el mayor provecho o energía a nuestra celda solar fotovoltaica, entonces la celda siempre debería trabajar a ese voltaje de máxima potencia, para que llegue a producir la máxima corriente posible. Nótese, que la potencia no es más que el área del cuadro que se puede inscribir dentro de la curva corriente-voltaje cuando la celda está siendo iluminada, tal como se muestra en la figura 7. Hoy día, existen muchas tecnologías que se denominan MPPT, que son el acrónimo en inglés de Maximum Power Point Tracking, que significa rastreo del punto de máxima potencia de la celda solar. Es el tipo de tecnología que debe estar asociada con nuestros paneles solares si queremos sacar la máxima potencia de esos paneles en todo momento.
3.6.- La potencia de la celda y la intensidad de luz
Hay un detalle al que no le hemos prestado la suficiente atención y es la intensidad de la iluminación que recibe la celda solar fotovoltaica. Resulta que la cantidad de potencia que puede generar una celda solar fotovoltaica, una vez fabricada con una tecnología dada, depende casi que exclusivamente de la cantidad o intensidad de la luz que recibe sobre su superficie.
En la figura 8 se muestra la respuesta de la característica corriente-voltaje de una celda fotovoltaica cuando es expuesta a diferentes intensidades de iluminación. Como vemos, el desplazamiento total de las característica corriente-voltaje a raiz del efecto fotovoltaico depende de la intensidad de la luz que recibe nuestra celda.
Por tanto, vemos como la cantidad de iluminación es un factor importante en la cantidad de potencia eléctrica que es capaz de producir nuestra celda fotovoltaica. Este es un detalle realmente importante, porque la única manera de comparar la cantidad de potencia que puede producir dos celdas fotolvotaicas por separados, es iluminándolas con exactamente la misma cantidad de luz. Y de hecho, no solo la misma cantidad de luz sino con exactamente el mismo tipo de luz, o distribución espectral. La distribución espectral se refiere a las diferentes frecuencia que existen en la luz, o dicho de otra forma, los colores que están presentes en esa luz. Cuando se utiliza como fuente de luz al Sol, obtener un espectro de referencia no es tan complicado, al menos no en principio. Pero, las cosas en la realidad no son tan fáciles como ya hemos aprendido del simple hecho de poner en contacto a dos materiales disímiles, ya que en ningún momento, en ningún lugar de La Tierra, está llegando exactamente la misma cantidad, ni el mismo tipo de luz desde el Sol. Resulta que la composición espectral de la luz solar cambia cuando atraviesa la atmósfera terrestre en diferentes sitios, con diferentes ángulos, lo cual producirá diferentes potencias eléctricas en las celdas solares, aunque éstas sean exactamente iguales. ¿Cómo se puede resolver esta discrepancia en la intensidad de la luz solar? Pues, construyendo un espectro de radiación solar que sirva de referencia para todas las celdas solares.
Para poder construir un espectro de referencia solar, debemos entender cómo es que un cuerpo como el Sol emite radiación. Gracias al trabajo de Planck2 hoy día tenemos una idea muy clara de cómo los cuerpos emiten radiación, y básicamente el único parámetro importante es la temperatura de ese cuerpo. El fenómeno de emitir luz por un cuerpo que se encuentra a cierta temperatura, se conoce en la ciencia como “Radiación de Cuerpo Negro”. En pocas palabras, un cuerpo de radiación negro es capaz de emitir una intensidad de luz, a una frecuencia dada, dependiento de la temperatura a la que se encuentre dicho cuerpo. No importa de que tipo de material o naturaleza sea dicho cuerpo, el único parámetro importante es su temperatura. De hecho, Planck encontró una ecuación que permite crear la distribución espectral para cualquier cuerpo con tan solo conocer su temperatura. En la figura 9, se muestran algunas distribuciones espectrales para cuerpos u objetos que se encuentren a diferentes temperaturas.
En las curvas de distribución espectral lo que se observa es una intensidad de luz emitida a una longitud de onda dada. Los cuerpos tienden a emitir luz en diferentes longitudes de onda, es decir colores, dependiendo solo de la temperatura a la cual se encuentra dicho cuerpo. Como vemos, a medida que la temperatura del cuerpo es mayor, éste comienza a emitir luz en longitudes de onda más cortas, y esas longintudes de onda se corresponden con luz de mucho más energía. De igual forma se observa que hay un pico o máximo de intensidad de emisión de luz que se va desplazando a longitudes de onda mayores a medida que la temperatura del cuerpo es menor.
En general, la curva de radiación de cuerpo negro es muy similar para todos los objetos, excepto que el máximo de la intensidad de emisión, y el rango de longitudes de ondas en la que se emite esa luz, dependen de la temperatura. Por ejemplo, un ser humano que se encuentra a unos 37 °C, es un cuerpo de radiación negro que está emitiendo en el infrarrojo. De hecho, somos una especie de bombillos prendidos todo el tiempo, exactamente igual que el Sol, pero como nuestra temperatura es más baja, nuestras emisiones son menos intensas y se encuentran en el rango del infrarrojo. Todo objeto que tiene una temperatura está emitiendo luz. Así de simple.
Bien, en el caso del Sol que está a una temperatura de uno 5250 grados centígrados, su máximo de intensidad se encuentra cerca de la longitud de ondas que corresponde al color amarillo, por eso el Sol se ve amarillo. Pero está emitiendo en todo un rango de frecuencias distintas que van desde el ultravioleta (UV), que es capaz de hacernos mucho daño, hasta el infrarrojo lejano. La mayor parte de la luz que emite el Sol se encuentra en el rango de longitudes ondas a las cuales llamamos espectro visible. Bueno, realmente es el espectro visible porque justamente nuestro ojos se han adaptado a este rango de longitudes ondas, luego de millones de años de evolución, porque simplemente son las longitudes más abundantes en nuestro medio ambiente, ya que el Sol emite mayoritariamente en esas longitudes de onda.
Centrémonos ahora en el espectro de emisión de nuestro Sol como un cuerpo de radiación negro que se encuentra a 5250 °C aproximadamente. Como el Sol se encuentra a una distancia promedio de unos 150 millones de kilómetros, la cantidad de luz que irradia el Sol sobre nosotros es realmente pequeña, pero aún así representa la principal fuente de energía para el planeta. Así el espectro de radiación que se muestra en la figura 10 en color amarillo, representa a ese cuerpo negro que se encuentra a una distancia de unos 150 millones de kilómetros, justo antes de entrar en nuestra atmósfera. A este espectro de radiación se le denomina espectro de radiación AM0, donde AM es el acrónimo en inglés de Air Mass. Es decir, AM0 es el espectro de radiación cuando hay cero masas de aire de por medio, justo sobre la superficie de la atmósfera. Tenemos que hacer este acotamiento, porque las celdas solares están ubicadas normalmente sobre la superficie de La Tierra, y en ese caso la luz solar ha atravesado toda la atmósfera para llegar a esa celda solar. Pues, resulta que en la atmósfera hay una gran cantidad de gases y vapor de agua que absorben una gran porción de la luz que proviene del Sol. Por tanto no toda la luz solar llega a esas celdas cuando éstas se encuentran sobre la superficie de La Tierra, sino que reciben una versión modificada de ese espectro de radiación solar. Ese espectro modificado, luego de atravesar toda una atmósfera, o masa de aire, se le conoce como el espectro de radiación solar AM1.0. Ese espectro se muestra en la figura 10 en color rojo, donde se observa que hay zonas en el espectro donde la intensidad de luz se ha reducido considerablemente, porque esa luz ha sido absorbida por el ozono, el metano, el CO2 y sobre todo el vapor de agua que existe en la atmósfera.
Figura 10. Espectros de radiación solar. por Nick84, bajo licencia CC BY-SA 3.0,
Ahora tenemos un espectro con respecto al cual podemos calibrar nuestras celdas solares fotovoltaicas, que es el espectro de radiación solar AM1.0. Sin embargo, si analizamos con cuidado, ese espectro de radiación AM1.0 sólo llega a la celda solar en esa forma si el Sol se encuentra exactamente sobre el zenit, es decir está incidiendo perpendicularmente a la celda solar. Pues, esa situación sólo se da durante unos pocos segundos o minutos durate el día, justamente al mediodía. El resto del día, el Sol siempre está formando un ángulo con nuestra celda solar, y de hecho está atravesando una mayor distancia dentro de la atmósfera terrestre, para poder llegar a la superficie de nuestra celda solar. Estamos nuevamente en problemas, porque ahora las potencias que generan las celdas solares, sí se miden con respecto a este espectro AM1.0 siempre estarán produciendo menos energía, porque ese espectro solo es real durante unos pocos minutos al día, y el resto del día reciben menos radiación solar.
Para solventar este problema, se recurre a otra calibración del espectro solar, y es la denominada espectro de radiación solar AM1.5, y es el espectro de radiación que recibiría una celda solar cuando la luz ha atravesado el equivalente a 1,5 atmósferas terrestres. Para atravesar 1.5 atmósferas terrestres, el Sol debe estar formando un ángulo de unos 50 grados con respecto a la vertical del lugar donde se encuentra nuestra celda solar. Eso significa que a lo largo de varias horas del día, nuestra celda solar va a estar recibiendo más irradiación solar del valor al cual fue calibrada su potencia. Entonces, nuestra celda solar va a producir más energía de la que se supone debería estar produciendo.
4.- Fabricación de Celdas Solares fotovoltaicas
Bien, por fin tenemos unos espectros de referencia para poder medir la potencia que produce nuestras celdas solares y poder comparar así unas celdas con otras. Pero, aún tenemos un problema, y es que diferentes celdas solares fotovoltaicas fabricadas con diferentes materiales y tecnologías, se comportan de manera diferente ante esos espectros de luz, ante la intensidad de luz, y sobre todo con los cambios de temperatura que juegan un rol importante en la cantidad de potencia que pueden generar las celdas solares fotovoltaicas. Así, para poder lograr hacer una comparación real entre celdas solares fotovoltaicas, se deben medir exactamente bajo las mismas condiciones de irradiación, espectro y temperatura. Esas condiciones particulares a las cuales se establecen los valores de las celdas solares fotovoltaicas se denominan “condiciones estándares de medida”, que suelen marcarse en inglés por su acrónimo STC de Standard Test Conditions. Estas condiciones son las siguientes:
- Temperatura de la interfase o unión de la celda de 25 °C
- Espectro de irradiación solar de referencia AM1.5
- Intensidad de la irradiación de 1000 W/m2 perpendicular a la superficie de la celda.
En las condiciones estándares de medida es que se establece la cantidad de potencia que genera un panel solar fotovoltaico. Una vez que se ilumina la celda solar en estas condiciones, se establecen la corriente de corto circuito (Icc), el voltaje de circuito abierto (Voc), y la potencia máxima (Pmax) que es capaz de producir dicha celda solar fotovoltaica. Estos son los valores que se reportan en las etiquetas de los paneles solares que nos venden. En la figura 11 se puede ver una etiqueta típica de uno de éstos paneles solares fotovoltaicos.
Ahora sí tenemos una manera de comparar la potencia que producen diferentes celdas o paneles solares fotovoltaicos, cuando los tenemos exactamente en las condiciones estándares de medida, y solamente en esas condiciones exactamente. Y eso es nuevamente otro problema. ¿Con cuánta frecuencia los paneles solares fotovoltaicos se encuentran exactamente en estas condiciones a lo largo de un día cualquiera?. Respuesta simple: ¡Nunca jamás!
Todas esas especificaciones, y todo ese trabajo para más o menos saber cuánto es que producen de potencia eléctrica nuestros paneles solares fotovoltaicos, no son más que una referencia puntual y de muy poco valor, al momento de analizar si nos convienen o no esos paneles solares fotovoltaicos. Y el problema principal es que existen una infinidad de tecnologías, métodos de fabricación, materiales, interfases, etc, que se comportan de manera totalmente diferente en las diversas condiciones a las que se exponen los paneles solares fotovoltaicos. Por ejemplo, algunos paneles solares aumentarán su potencia eléctrica cuando aumenta la temperatura y probablemente reducirán su eficiencia, o cambiarán otros de sus parámetros técnicos. Uno de los parámetros que más modifica la característica corriente-voltaje de la celda o panel solar fotovoltaico, es la temperatura. Al hacer un análisis rápido, sabemos que nuestros paneles solares fotovoltaicos cuando están expuestos a la luz solar, no están a unos agradable 25 °C como se indican en las condiciones estándares de medida, sino que fácilmente pueden estar a unos 50 o 60 °C en un verano no muy caluroso. La potencia eléctrica que generan a esta temperatura no es la misma que en las condiciones estándares y puede ser mayor o menor, dependiendo de la tecnología, fabricante y tipo de material de nuestra celda solar.
Como vemos, todavía no es posible identificar cuál es el panel solar que más no conviene para nuestro proyecto. Para ello, debemos analizar otros parámetros de estas celdas o paneles solares fotovoltaicos y sobre todo, el comportamiento de dichos parámetros con la temperatura y la cantidad de irradiación solar que reciben.
4.1.- Condiciones Normales de Operación de un Panel Solar fotovoltaico
Así cuando exponemos un panel solar fotovoltaico a la radiación solar, la curva característica corriente-voltaje cambia de acuerdo con la temperatura que alcanza dicho panel. En la figura 12, se presentan los comportamientos típicos de estas curvas a diferentes temperaturas.
En la figura se observa como a bajas temperaturas los voltajes de circuito abierto del panel fotovoltaico aumentan a medida que la temperatura decrece, pero al mismo tiempo se produce un decrecimiento de la corriente de corto circuito. En general, los cambios de corriente de corto circuito con los cambios de temperatura son menos pronunciados que los cambios de voltaje. Típicamente, las corrientes de corto circuito suelen aumentar en 0,15 % por cada grado centígrado de aumento de la temperatura, pero los voltajes de circuito abierto, caen alrededor 0,5 % por cada grado centígrado que aumenta la temperatura. El efecto neto es que por lo general la potencia de los paneles solares fotovoltaicos suelen ser menores a altas temperaturas, tal como se pueden verificar por las áreas más pequeñas en las curvas de corriente-voltaje de dichos paneles, a medida que la temperatura aumenta.
Este comportamiento es muy importante al momento de elegir a nuestros paneles solares fotovoltaicos, porque si los vamos a utilizar en un lugar donde las temperaturas están por el orden de los 40 °C, la potencia que generarán será mucho menor de la que indican sus condiciones estándares de medida. Algunos fabricantes suelen incluir las temperaturas nominales de operación de celda, que se suelen denotar como NOCT del acrónimo del inglés Nominal Operation Cell Temperature, para indicar los valores de potencia que se obtendrán a esa temperatura de funcionamiento, que suele estar por el orden de los 50 °C. Esto se puede observar con más claridad en la figura 13, donde se presenta una parte de las especificaciones técnicas de una panel solar comercial, y se observa como los valores de potencia, corriente y voltaje en condiciones NOCT son diferentes a las condiciones estándares de medida STC.
En la secciones anteriores describimos como la característica corriente-voltaje dependía de la irradiancia que recibe la celda en condiciones STC, si a eso sumamos los cambios de temperatura, se encuentra que las potencias pueden caer dramáticamente cuando se juntan las condiciones de alta temperatura y baja irradiacia. La caída pueden ser del orden del 50 % para la mayoría de los paneles solares comerciales. Por ello, ahora que hay venta masivas de paneles solares fotovoltaicos, hay mucha mayor preocupación por sistemas de refrigeración o enfriamiento para paneles solares, de manera que las diferencias de generación de potencia con respecto a lo que indican los paneles solares en sus condiciones normales de funcionamiento no sean tan acentuadas.
Así, al momento de elegir un panel solar fotovoltaico, debemos necesariamente hurgar dentro de las especificaciones técnicas de estos paneles para tratar de identificar como se comportará la curva característica corriente-voltaje de ese panel en las condiciones de temperatura e irradiación que nostros tenemos en el lugar donde desarrollaremos nuestro proyecto de energía solar fotovoltaica.
4.2.- Los fabricantes y las celdas solares
Bien por último, vamos a analizar los paneles solares de diferentes fabricantes. Bueno, en realidad vamos más bien a describir los procesos típicos comerciales de la fabricación y cómo éstos pueden afectar la calidad de los paneles solares fotovoltaicos. Por supuesto, entender estos procesos y como se reflejan sobre las característica técnicas de los paneles solares, nos ayuda a tomar una decisión más educada de cuál es el panel solar fotovoltaico que más nos conviene para nuestro proyecto.
No importa qué tipo de tecnología, materiales o procesos se utilicen para fabricar las celdas solares, al final lo único realmente importante es la curva característica corriente-voltaje que venderá ese fabricante y el cómo se comportará esa curva con las cambios de temperatura e irradiación. Es decir, sólo debemos buscar las especificaciones técnicas de los paneles solares, y éstas deben tener toda esa información que hemos descrito. La ausencia de información técnica detallada, es simplemente que nos están vendiendo unos paneles solares de muy baja o mala calidad. Sin datos técnicos reportados en diversas condiciones de temperatura e irradiación no hay garantía ni calidad que valga. Así de simple.
La fabricación de celdas solares fotovoltaicas son uno de los procesos más tecnológicos que existen hoy día. La automatización y el nivel de precisión en la fabricación de las celdas es simplemente alucinante. Sin embargo, por muy perfecto que pueda estar diseñado un proceso de fabricación, la realidad es que no todas las celdas solares fotovoltaicas salen exactamente iguales. Y es aquí donde arranca nuestra historia.
En un proceso normal de fabricación se repiten con una precisión increible exactamente todos los mismos pasos para fabricar una celda solar, y al final lo que importa es lo que muestra la curva característica corriente-voltaje al ser medida. En la figura 14, se muestran como ejemplo, las curvas características corriente-voltajes de un lote ficticio de producción, de digamos miles de celdas solares en una tanda.
¿Qué es lo que vemos en la figura? Que no todas las celdas solares resultantes del mismo proceso de producción son exactamente iguales. Existe una gran variedad de diferentes celdas solares que resultan del mismo proceso de fabricación. Esto se debe a que el más mínimo cambio, impureza, defecto, o simplemente el azar, produce una celda diferente. Aquí comienzan las decisiones que deben tomar los fabricantes de celdas solares. Lo primero que se puede hacer es agrupar las celdas solares que son lo más parecido posible. Es decir, agrupar todas aquellas celdas solares que tengan la característica corriente-voltaje lo más parecido posible, para construir con ellas un tipo de panel solar fotovoltaico. Si la empresa está enfocada en la calidad de su panel solar, entonces tomará curvas cuya diferencia no sea muy grande, por ejemplo del 2 % al 5%. Al unir todas estas celdas en único panel solar fotovoltaico, la curva característica corriente-voltaje de ese panel será un promedio de todas las curvas de las celdas utilizadas. Al ser muy parecidas las curvas de las celdas elegidas, entonces ese panel solar funcionará muy bien, y su vida últil será en extremo larga, del orden de varias décadas. Si por el contrario, un fabricante no tiene criterio alguno sobre qué tipo de celda va a utilizar para ensamblar su panel solar fotovoltaico, utilizando para ello cualquier celda sin tomar en cuenta la similitud de la característica corriente-voltaje, entonces ese panel solar fotovoltaico será de muy mala calidad y su vida útil probablemente no llegará a más de una década.
Resulta que si mezclamos celdas con diferentes característica corriente-voltaje, al ser diferentes se crearan problemas graves de interfases y unas celdas comenzarán a realizar trabajo sobre otras, y con el tiempo destruirán a dichas celdas. Es decir, la vida útil de un panel solar dependen en gran medida de que las curvas características de todas las celdas que lo conforman sean lo más parecido posible. ¿Cómo sé si el fabricante utiliza celdas con las mismas características corriente-voltaje? Pues, en principio es complicado, pero una forma de determinar cuán variado son las celdas, es tomando en cuenta la tolerancia que reportan los fabricantes. Es decir, si un fabricante indica que su panel solar puede producir una potencia de 80 W (+/-15%), ésto puede ser un indicio de que hay muchos tipos de celdas en ese panel. Otro indicador es la garantía en años que ofrece el fabricante, si ofrece sólo 5, 10 o 20 años de garantía sobre sus paneles solares.
Por eso, es que existen muchos paneles solares con diferentes potencias eléctricas, porque los procesos de fabricación no producen exactamente las mismas celdas. Si no, qué sentido tiene para un fabricante producir un panel de 80 W en lugar de un panel de 120 W con la misma cantidad de celdas solares, si el costo al final es el mismo. La justificación es poder utilizar esas celdas solares, que no es que son de menor calidad, sino que su curva característica corriente-voltaje resultó distinta en el proceso de fabricación.
5.- Elegir los paneles solares fotovoltaicos
Resumiendo, para elegir los paneles solares fotovoltaicos que vamos a utilizar en uno de nuestros proyectos, se reduce a determinar la cantidad de potencia eléctrica que debemos generar. La cantidad de potencia eléctrica que debe generarse se calcula a partir de los consumos de potencia que tienen los equipos eléctricos y electrónicos que vamos a alimentar con nuestro sistema fotovoltaico, en un día promedio. Con ésto ya podremos elegir el número de paneles solares que vamos a utilizar, dependiendo simplemente de la potencia nominal de cada panel solar.
Para elegir el mejor panel solar posible, entonces debemos recurrir a las especificaciones técnicas de ese panel solar, donde nos indiquen las condiciones estándares de medida (STC), las temperaturas nominales de operación de la celda, la tolerancia de potencia producida, y las curvas característica corriente-voltajes a diferentes valores de temperatura y de irradiación solar. Con estos datos, y tomando en cuenta las condiciones climáticas del lugar donde estará operando nuestro sistema fotovoltaico, es que podremos elegir el panel solar de un determinado fabricante.
Hay otros datos que deberíamos tomar en cuenta, pero que escapan al alcance de esta introducción, y tiene que ver con el comportamiento de los diferentes materiales que se utilizan para fabricar las celdas solares. Por ejemplo, algunos materiales se degradan con la temperatura, otros resisten mejor la temperatura pero se degrandan con la radiación UV, y así existen multiplicidad de parámetros, que para realizar instalaciones de importancia deben ser entendidos y evaluados.
Bien, me parece que por ahora con esta información ya tendrás una buena idea de qué es una celda solar fotovoltaica, de cómo funciona, y de cómo evaluar su calidad. Espero que te sea de gran utilidad el artículo, y mil disculpas para todos aquellos que les ha parecido demasiado largo esta pequeña introducción a la energía solar fotovoltaica.
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Lectura recomendada:
El Gran Aporte de la Energía Solar Fotovoltaica