El Panel Solar

EL PANEL SOLAR

Un panel solar o módulo solar es un dispositivo que capta la energía de la radiación solar para su aprovechamiento. El término comprende a los colectores solares, utilizados usualmente para producir agua caliente doméstica mediante energía solar térmica, y a los paneles fotovoltaicos, utilizados para generar electricidad mediante energía solar fotovoltaica.




COMO FUNCIONA?

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

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

https://www.youtube.com/watch?v=Ry02MxKDI_Q

CELDAS SOLARES

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

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

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

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

 Esta energía generada por los paneles solares fotovoltaicos es la que se conoce como Energía Solar Fotovoltaica. Fotovoltaicoequivale a decir “luz-electricidad”. Veamos como funcionan las celdas y los paneles.

 Para entender el funcionamiento de un panel solar basta con entender como funciona una sola celda solar, ya que un panel es simplemente la unión de varias celdas. Veamos como funciona una celda solar fotovoltaica.

 Los metales fotoeléctricos son aquellos que al incidir la luz sobre ellos se liberan electrones de sus átomos. Realmente son los fotones de la luz los que liberan los electrones del metal, al cederles su energía. El silicio es un ejemplo de metal fotoeléctrico. Resumiendo, el silicio al llegarle los fotones de la luz del sol, estos ceden su energía a los electrones de la última capa de los átomos de silicio y rompe la unión con su atomo quedando libre para moverse por el material. Estos electrones libres serán los que más adelante veremos que producen la electricidad, convirtiendo la luz del sol en corriente eléctrica. Para saber mas sobre esto visita:Efecto Fotoeléctrico.



 Las celdas solares fotovoltaicas son pequeñas células hechas de silicio cristalino o arseniuro de galio, ambos materiales fotoeléctricos y además también son semiconductores, porque son materiales que pueden comportarse como conductores de electricidad o como aislantes, dependiendo del estado en que se encuentren. 

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

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

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

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

Tipos

https://www.youtube.com/watch?v=_5kCDNeqAmw

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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



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

 

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

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

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

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

PANELES SOLARES FUNCIONAMIENTO

  Una celda solar típica posee una superficie de 243 centímetros cuadrados y produce aproximadamente una potencia cercana a los 4 vatios (w), con una tensión de 0,5V y una intensidad entre 7 y 8 amperios. El escaso valor de la tensión y la potencia hace necesario la conexión de varias celdas en serie formando así lo que se conoce como "panel solar o módulo solar fotovoltaico". La mayor parte de los paneles solares o módulos solares fotovoltaicos poseen entre 36 y 96 celdas conectadas en serie.

 Si unimos en serie varias celdas solares, la tensión de cada una de estas celdas se sumarán para darnos la tensión total del panel solar fotovoltaico. La intensidad será la misma que la proporcionada por una de las celdas. La potencia total del panel será la suma de las potencias de cada una de las celdas del panel.

 Recuerda: en serie se suman las tensiones y son todas las intensidades iguales y en paralelo se suman las intensidades y son todas las tensiones iguales.



 Como puedes ver los paneles solares llevan un cristal con un  marco de aluminio que tiene la misión de proteger las celdas solares de los agentes atmosféricos. Esta superficie debe ser antirreflexiva y antiadherente para que no se quede pegada la suciedad.

 Ahora pasemos a estudiar las características de estos paneles o placas, algo muy importante cuando tengamos que elegir los paneles para nuestra instalación solar fotovoltaica.

Paneles Solares Características

Curva I-V de una Celda Solar

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

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

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

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

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


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


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

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

 FF= Vpm x Ipm / Vca x Icc

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

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

 Si conectamos varios paneles solares en serie, se suman las tensiones de cada una de los paneles. La intensidad es la misma para todos los paneles solares en serie y será la de un solo panel, exactamente la del panel que menos intensidad tenga (normalmente suelen ser todos iguales).

 Si conectamos varios paneles en paralelo, se suman las intensidades de cada uno de los paneles, quedando todos los paneles a la misma tensión, a la de la tensión del panel con menor tensión (normalmente son todos iguales)

 La potencia total de una instalación de varios paneles, serie o paralelo, es siempre la suma de las potencias de cada uno los paneles (la de todos), tanto de los que están en serie, como los que estén en paralelo.

Energía Producida por un Panel Fotovoltaico

 Cualquier panel solar puede producir una energía diaria que viene dada por la siguiente fórmula:

 EnergíaPanelDiaria = Impp x Vmpp x HSP x rendimiento de trabajo del panel = whd (vatios hora diarios)

 Donde:

 Impp = Intensidad a máxima potencia.

 Vmpp = Tensión a máxima potencia.

 HSP = Horas de Sol Pico. Este valor depende de la localización, inclinación, etc del panel. Se puede calcular con la siguiente calculadora online: Calculadora HSP.

 Rendimiento de Trabajo del Panel = suele variar entre 0,8 y 0,9, es decir entre el 80% y el 90%. Este rendimiento nos determina las pérdidas de energía en el panel, por ejemplo por suciedad.

 En la fórmula anterior, podemos sutituir (Impp x Vmpp) por Wp, potencia pico o potencia a máxima potencia.

 En cualquier fabricante de paneles solares podemos ver la hoja de características o ficha técnica de sus panales o placas solares. Aqui tienes un ejemplo: Ficha Placa Solar.

TIPOS DE PANELES SOLARES

 Hay 2 tipos fundamentales de paneles solares, los fotovoltaicos que producen electricidad por medio de la energía solar y que son los que estudiamos anteriormente y los Térmicos utilizados para calentar un líquido por medio de la energía solar. 



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

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

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

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

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



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

¿QUÉ VENTAJAS POSEEN LOS PANELES SOLARES?

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

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

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

¿QUE DESVENTAJAS POSEEN LOS PANELES SOLARES?

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

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

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

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

CONCLUSION

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