Introducción a la energía fotovoltaica

La energía fotovoltaica es fundamentalmente la conversión de la luz del sol en electricidad. Además del conjunto de tecnologías fotovoltaicas, vale la pena mencionar que las tecnologías térmicas solares son otro conjunto de tecnologías comerciales que también usan la luz del sol para funcionar, y que con frecuencia se confunden con las tecnologías fotovoltaicas. Es importante recalcar que ambos conjuntos de tecnologías tienen un principio básico de funcionamiento diferente y, mientras las tecnologías fotovoltaicas generan electricidad directamente al ser expuestas al sol, las tecnologías térmicas usan la luz del sol para calentar algún solido o fluido. Ese calor es después utilizado en algún tipo de proceso ya sea para uso doméstico o industrial, como calentar agua, cocinar alimentos, generar vapor (y a través de ello electricidad o llevar a cabo procedimientos de alta temperatura), deshidratadores, desalinizadores y otros.

Las tecnologías fotovoltaicas se basan en el efecto fotovoltaico, un proceso complejo que ocurre a nivel molecular en ciertos materiales. De manera simplificada, el efecto fotovoltaico puede conceptualizarse como si la luz solar, en forma de partículas (fotones), impactara a los electrones del material al incidir en él, tal como una bola de billar, generando electrones libres y creando una corriente eléctrica. La figura 1 ilustra este concepto.  

En la actualidad, todas las tecnologías fotovoltaicas comerciales hacen uso de algún material semiconductor para generar el efecto fotovoltaico. Los materiales semiconductores son también la base de los componentes electrónicos como discos duros, chips, memorias, etc., por lo que la industria fotovoltaica se ha beneficiado de manera importante de los volúmenes de producción y técnicas de fabricación de la mucho más grande y experimentada industria del semiconductor. Otros materiales como compuestos orgánicos, nanotecnología, celdas Perovskit principalmente, son tecnologías emergentes que aun requieren un periodo importante de investigación y desarrollo antes de convertirse en productos comerciales.

El conjunto de tecnologías fotovoltaicas que actualmente existen como productos comerciales se enlista a continuación:

  • Silicio mono-cristalino y poli-cristalino (m-Si o p-Si)
  • Telurio de Cadmio (CdTe) – Pelicula Delgada
  • CIGS o CIS (Cobre-Indio-Galio-Selenio) – Pelicula Delgada
  • Silicio amorfo y Silicio micro-cristalino (aSi o µSi) – Pelicula Delgada
  • Celdas multi-capa (GaAs, InGaP, Ge, etc)

Hasta la fecha, la tecnología dominante es el Silicio cristalino (poli y mono), con aproximadamente 90% del mercado global total. Las tecnologías de película delgada toman el restante 9%, especialmente CdTe y su practicamente único fabricante con 4%, CIGS con 2%, Silicio amorfo con 2% y finalmente las celdas multicapa con el restante 1%.

Todas las tecnologías fotovoltaicas fabrican una unidad básica que es una celda o un modulo, el cual es un conjunto de celdas conectadas entre sí. La figura 2 ilustra una celda típica de Silicio cristalino y modulos típicos de Silicio cristalino, CdTe, CIGS y aSi. 

Cada celda o modulo es capaz de convertir la luz en una corriente eléctrica. Este hecho permite que los sistemas fotovoltaicos sean modulares, es decir, que puedan ser tan pequeños como un solo modulo (o incluso una celda), o tan grande como el numero de modulos que se puedan agregar. El rango de potencia de la mayoría de los módulos fotovoltaicos disponibles en el mercado es de 30 Watts a 300 Watts. Para referencia, la potencia de los focos fluorescentes para uso domestico ronda entre los 18 y los 60 watts.

Un sistema fotovoltaico es un generador de electricidad que usa por combustible a la luz solar y, como ya se menciono, esta basado en unidades discretas de generación de energia. Ademas de los modulos, un sistema fotovoltaico esta integrado por otros componentes, siendo los mas importantes los inversores, estructuras de montaje, cableado y sistemas de protección, sistemas de control y baterías y transformadores de ser necesarios. La figura 3 ilustra la integración de estos componentes en un sistema fotovoltaico.

En términos muy generales, los sistemas fotovoltaicos pueden clasificarse por su aplicación en aislados y conectados a la red. Por su tamaño se pueden clasificar principalmente en residenciales, comerciales de pequena y gran escala, y sistemas de generación central. Existen también aplicaciones especiales como alumbrado publico, mini-generadores para emergencias, telecomunicaciones remotas, usos no tan amigables como los militares, etc.  

Los sistemas aislados no estan conectados a la red eléctrica y generalmente son instalados en áreas remotas o rurales donde no existe infraestructura eléctrica, o el servicio no es confiable. Sin embargo, la mayoría de los sistemas instalados a nivel mundial están conectados a la red. Estos sistemas exportan electricidad a la red cuando existe una sobreproducción en relación al consumo local, e importan electricidad de la red cuando no existe suficiente producción para cubrir el consumo local.

En términos de su tamaño, los sistemas residenciales estan disenados para satisfacer el consumo de una casa y constan de entre 1 a algunas decenas de modulos, dependiendo de la casa. En términos de potencia, esto representa entre 205 Watts a 20,000 Watts (o 20 kilo-Watts, kW) aproximadamente. Los sistemas comerciales pequenos se consideran de entre 20 kW a 75 kW Watts y los de gran escala de entre 75kW a 1,000 kW o 2,000 kW (1 Mega-Watt, MW, o 2 MW) y estan integrados por miles de modulos. Los sistemas de generación central se consideran como plantas generadoras de 2 MW en adelante y generalmente no satisfacen un consumo local sino que exportan toda la energia generada a la red. Estos sistemas estan integrados por cientos de miles de modulos. La mayor planta fotovoltaica construida a la fecha es de 290 MW, en Estados Unidos. En Mexico, la mayor planta fotovoltaica construida tiene una potencia de 30 MW y consta de mas de 120,000 modulos. Para referencia, las plantas centrales de generación eléctrica utilizando combustibles fosiles en Mexico, varian entre 50 MW a 2,000 MW con la mayoria de plantas en el rango de 100 MW – 500 MW. La figura 4 estos sistemas.

A nivel mundial, Europa representa aproximadamente el 60% de la capacidad total instalada a nivel mundial, de los cuales Alemania tiene casi la mitad, seguido de cerca por Italia. Sin embargo, la región Asia-Pacifico, y en particular China, han tenido un crecimiento explosivo en los últimos 2 años. Esta tendencia podría colocar a esta región y a China, como los lideres de energia fotovoltaica en los próximos años. La capacidad total instalada a finales del 2013 a nivel mundial es de aproximadamente 138,900 MW (138.9 Giga-Watts, GW) o el equivalente a 58 presas del tamaño de la presa de Chicoasen, la planta generadora mas grande de Mexico (2,400 MW), y de entre las mas grandes del mundo. Aun asi, la energia fotovoltaica representa menos del 1% del consumo anual global de energia eléctrica.

En Mexico, la capacidad fotovoltaica instalada es de aproximadamente 50 MW, mientras que la capacidad total es de 52,947 MW.


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