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INTRODUCCIÓN
Actualmente se están llevando a cabo conexiones a
red eléctrica de pequeñas instalaciones fotovoltaicas promovidas por
particulares, estando las compañías suministradoras de electricidad
obligadas a comprar dicha energía inyectada a sus redes
El calentamiento de agua mediante energía
solar, más allá de ser una alternativa ecológica, se ha convertido en una
tecnología económicamente atractiva y competitiva.En los últimos años se
está produciendo un aumento notable de instalaciones de energía solar
térmica a causa, por una parte, de la sensibilidad creciente de la sociedad
hacia la necesidad de sustituir los combustibles fósiles y , por otra, de
los avances en los sistemas (mejora de la calidad y reducción de costes)
EL EFECTO FOTOVOLTAICO
Para producir electricidad
solar, es necesario contar con un panel solar compuesto por una o más celdas
solares. Cuando la luz del sol cae sobre una celda solar, el material de la
misma absorbe algunas de las partículas de luz, denominadas fotones. Cada
fotón contiene una pequeña cantidad de energía. Cuando un fotón es
absorbido, se da inicio a un proceso de liberación de un electrón en el
material de la celda solar. Dado que ambos lados de una celda solar están
eléctricamente conectados por un cable, una corriente fluirá en el momento
en que el fotón es absorbido. La celda solar genera, entonces, electricidad,
que puede ser utilizada inmediatamente o almacenada en una batería.
El efecto fotovoltaico es un fenómeno físico
consistente en la conversión de la energía luminosa (o radiaciones ópticas)
en energía eléctrica. Esto se consigue por la separación mediante un campo
eléctrico interno, creado generalmente por una estructura heterogénea del
material, de las cargas eléctricas de distinto signo (electrones y huecos),
generadas por la ionización de los átomos al ser absorbidos los fotones de
la radiación óptica por los electrones de su capa externa.
Para que se produzca el efecto fotovoltaico deben
darse, por tanto, las siguientes condiciones:
a) Existencia de una estructura heterogénea que
produzca un campo eléctrico interno.
b) Que la radiación luminosa sea capaz de generar
cargas libres al absorberse por el material. Es decir, que la
energía necesaria para romper un enlace entre átomos y librar un electrón
sea igual o inferior a la de los fotones de la radiación luminosa.
Las aplicaciones de la energía solar fotovoltaica
están basadas el aprovechamiento del efecto fotovoltaico. De forma muy
resumida y desde el punto de vista eléctrico, el “efecto fotovoltaico” se
produce al incidir la radiación solar sobre los materiales que definimos al
principio, denominados semiconductores. La energía recibida provoca un
movimiento caótico de electrones en el interior del material. Si se unen dos
regiones de un semiconductor a las que artificialmente se ha dotado de
concentraciones diferentes de electrones, (mediante la adición de las
sustancias que denominamos dopantes, como pueden ser el fósforo y el boro),
se provoca un campo electrostático constante que reconducirá el movimiento
de electrones en la dirección y sentido que se desee. Recordemos que al
material formado por la unión de dos zonas de concentraciones diferentes de
electrones la denominamos unión PN. La cara iluminada será el tipo N y la no
iluminada será el tipo P.
De esta forma, cuando sobre la célula solar
fotovoltaica incide la radiación solar, aparece en ella una tensión análoga
a la que se produce entre las Bornes de una pila. Mediante la colocación de
contactos metálicos en cada una de las caras puede “extraerse” la energía
eléctrica, que es utilizada en distintas aplicaciones.
Dando una explicación desde un punto de vista
quántico, su funcionamiento se basa en la capacidad de transmitir la energía
de los fotones de la radiación solar a los electrones de valencia de los
materiales semiconductores, de manera que estos electrones rompen su enlace
que anteriormente los tenía ligado a un átomo. Por cada enlace que se rompe
queda un electrón y un hueco (falta de electrón en un enlace roto) para
circular dentro del semiconductor.
El movimiento de los electrones y huecos en
sentidos opuestos (conseguido con la aplicación de un campo eléctrico como
veremos posteriormente) genera una corriente eléctrica en el semiconductor
la cual puede circular por un circuito externo y liberar la energía cedida
por los fotones para crear los pares electrón-hueco.
El campo eléctrico necesario al que hacíamos referencia
anteriormente, se consigue con la unión de dos semiconductores de diferente
dopado, como vimos al principio de esta sección: Un semiconductor tipo P
(exceso de huecos) y otro tipo N (exceso de electrones). Que al unirlos crea
el campo eléctrico.
PRINCIPIO DE
FUNCIONAMIENTO DE LA CÉLULA SOLAR:
Cuando conectamos una
célula solar a una carga y la célula está iluminada se produce una
diferencia de potencial en extremos de la carga y circula una corriente por
la carga (efecto fotovoltaico).
La corriente entregada a una carga por una célula
solar es el resultado neto de dos componentes internas de corriente que se
oponen, estas son:
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Corriente de iluminación: debida a la generación de
portadores que produce la iluminación.
-
Corriente de oscuridad: debida a la recombinación de
portadores que produce el voltaje externo necesario para poder entregar
energía a la carga.
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Los fotones serán los que
formaran, al romper el enlace, los pares electrón-hueco y debido al campo
eléctrico producido por la unión de materiales en la célula de tipo P y N se
separan antes de poder recombinarse formándose así la corriente eléctrica
que circula por la célula y su carga.
Algunos fotones pueden no ser aprovechados para
la creación de energía eléctrica por diferentes razones:
Los fotones que tienen energía inferior al ancho de banda prohibida del
semiconductor atraviesan el semiconductor sin ceder su energía para crear
pares electrón-hueco.
Aunque un fotón tenga una energía mayor o igual al
ancho de banda prohibida puede no ser aprovechado ya que una célula no tiene
la capacidad de absorberlos a todos.Además, los fotones pueden ser
reflejados en la superficie de la célula.
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