La energía solar.

7.1.1 Introducción.

La Energía Solar es una energía limpia, que utiliza una fuente inagotable y gratuita, pero cuyo mayor inconveniente radica en cómo convertirla de una forma eficiente en energía aprovechable. La tecnología actual en este sentido va dirigida en dos direcciones: conversión eléctrica y conversión térmica. La conversión directa en energía eléctrica se produce en las células solares y se basa en el efecto fotovoltaico. Explicar este efecto y dar una visión general de esta tecnología y de sus aplicaciones, son los objetivos de este apartado.

7.1.2 La radiación solar

El funcionamiento de los módulos fotovoltaicos y por ende de las instalaciones de paneles depende de variables externas como la radiación solar y la temperatura de funcionamiento. Éstas a su vez varían según la localización, por lo que a la hora de situar el parque en un determinado lugar se deben de conocer una serie de datos propios de la situación geográfica (Fig. 1). Para ello se ha de disponer de las tablas de radiación solar de la provincia objeto de estudio, suministradas por distintos organismos.

A partir de la radiación solar y el número de paneles instalados se obtendrá la potencia generada del parque. Como se ha comentado, la elección de los datos de radiación dependerá de la situación del parque. Para la provincia objeto de estudio utilizaremos una tabla de radiación solar interceptada por una superficie inclinada, que en el caso de seguidores variará en cada momento.

Fig. 12 Irradiación media diaria en España según zonas climáticas 7.1.3 El efecto fotovoltaico.

Los sistemas fotovoltaicos transforman la energía radiante del sol en energía eléctrica. Este proceso de transformación se produce en un elemento que se denomina célula fotovoltaica. Esta célula convierte la energía de los fotones que proceden del Sol en una corriente eléctrica continua. Los dispositivos estan constituidos a partir de materiales semiconductores, generalmente silicio.

Las propiedades del silicio son intermedias entre las del carbono y el germanio. En forma cristalina es muy duro y poco soluble y presenta un brillo metálico y color grisáceo. Aunque es un elemento relativamente inerte y resiste la acción de la mayoría de los ácidos, reacciona con los halógenos y álcalis diluidos. El silicio transmite más del 95% de las longitudes de onda de radiación infrarroja.

En el caso de la estructura atómica del silicio, la última capa, la número 3, posee cuatro electrones y faltan también cuatro electrones para completarla. Los átomos de silicio se unen unos a otros compartiendo los electrones de las últimas capas. Y de la misma forma que los últimos niveles energéticos en un átomo definen las propiedades químicas del átomo, las últimas bandas de energía definen las propiedades electrónicas de un cristal. Las dos últimas bandas ocupadas reciben el nombre de banda de conducción y banda de valencia.

Fig. 13 Representación estructura cristalina de silicio y las bandas de energía Las bandas de valencia y conducción están separadas entre sí por una zona de energías no permitidas denominada banda prohibida o “gap” de anchura Eg.

En general a una temperatura dada, algunos electrones tendrán energía suficiente para desligarse de los átomos y a los enlaces que han dejado vacíos se les denomina huecos. Si alguno de estos electrones gana energía suficiente, mayor que Eg, para pasar de la banda de valencia a la banda de conducción se dice que se ha liberado un electrón y se ha ganado un hueco. El proceso inverso también existe y un electrón libre puede ser capturado por un hueco de la red, originándose el fenómeno de la recombinación. Estos procesos ocurren continuamente de forma dinámica en un semiconductor. Cuando nos encontramos ante un semiconductor aislado de cualquier perturbación el número de procesos por unidad de tiempo en ambos sentidos ha de ser constante. Es decir, la población de electrones libres y huecos permanece constante.

Existen diversas formas de suministrar la energía suficiente al electrón para que salte de la banda de valencia a la de conducción, pero para el estudio de las

células solares debemos centrarnos en el proceso llamado radiactivo, en el cual esta energía se obtiene gracias al fotón.

Para aprovechar estos electrones que saltan de una banda a otra con laenergía del fotón, lo que se hace es unir dos semiconductores, uno de tipo p y otro de tipo n. La característica de estos semiconductores es que uno tiene exceso de electrones y el otro exceso de huecos. Esto se consigue con una tecnología específica de añadir impurezas al silicio, generalmente fósforo y boro.

La existencia de la unión pn hace posible la aparición de un campo eléctrico en la célula: los huecos, cargas positivas, los dirige hacia p lo que provoca la extracción de un electrón desde el metal que constituye el contacto; los electrones, cargas negativas, los dirige hacia el lado n inyectándolos en el metal. Esto hace posible el mantenimiento de una corriente eléctrica por el circuito exterior y en definitiva el funcionamiento de la célula como generador fotovoltaico.

Fig. 14 Funcionamiento de una célula fotovoltaica

Para extraer energía de las células solares se utilizan mallas metálicas superficiales. El problema de estas mallas es que su superficie impide que los rayos solares incidan en la célula, por ello se ha de intentar que sea lo más pequeña posible, Por otro lado si la malla es demasiado pequeña la resistencia serie de la placa aumenta, disminuyendo el rendimiento. La conclusión es que ha de llegarse a un diseño de compromiso ente la resistencia serie y la transparencia de la malla.