La obtención directa de electricidad a partir de la luz se conoce con el nombre de efecto fotovoltaico.
TODO UN DESCUBRIMIENTO
Hacia 1870 el profesor W. Grylls Adams y un estudiante suyo, R. Evans Day, experimentaron sobre el efecto de la luz sobre el selenio, comprobando que se creaba un flujo de electricidad, que denominaron “fotoeléctrica”. Era el año 1885 cuando Charles Fritts construyó el primer módulo fotoeléctrico, extendiendo una capa de selenio sobre un soporte metálico y recubriéndola con una fina película transparente de oro. Fritts envió sus paneles solares a Werner von Siemens, que ante la Real Academia de Prusia, presentó los módulos americanos declarando “por primera vez tenemos la evidencia de la conversión directa de la energía de la luz en energía eléctrica"
La primera célula fotovoltaica de silicio fue descrita por R. S. Olh en el año 1941. Pero los primeros dispositivos fotovoltaicos no se empezaron a fabricar hasta la década posterior.
Fueron otras investigaciones las que hicieron posible que se abandonara el selenio y se empezara
a utilizar el silicio como material básico para las células. En los Bell Laboratories, a comienzos
El 25 de abril los ejecutivos de Bell presentaron la denominada Batería Solar Bell, mostrando un panel de células fotovoltaicas que alimentaban una noria en miniatura (hoy en día, la noria gigante del embarcadero de Santa Mónica, California, está alimentada por un sistema fotovoltaico de 50 kWp). Al día siguiente, los científicos de Bell Laboratories llevaron la experiencia a la reunión de la Academia Nacional de Ciencias Americana, que se estaba realizando en Washington.Hicieron funcionar un radio transmisor alimentado por energía solar, que llevó voz y música a la prestigiosa reunión. La prensa recogió la noticia manifestando: “las células solares de Bell suministran energía a partir del sol en una cantidad de 60 W/m2, mientras que la célula atómica, recientemente anunciada por RCA, suministra una millonésima de vatio. Por tanto, la célula solar proporciona 50 millones de veces mas energía que el artefacto de RCA” (se referían a la denominada pila atómica, que consistía en una célula de silicio alimentada por energía nuclear, que utilizaba los fotones emitidos por un muy nocivo residuo radiactivo, el Estroncio- 90, en vez de los fotones solares, y que había sido pomposamente anunciada por RCA, coincidiendo con el programa denominado “Atomos para la Paz”, cuyo objetivo era la promoción de la energía nuclear a escala mundial).A partir de este momento, las células solares fotovoltaicas entraban de lleno en el campo de acción de la industria. Primero fue Western Electric, que las utilizó para alimentar líneas telefónicas en las zonas rurales de Georgia. En 1955, National Fabricated Products compró la licencia para la fabricación de células solares a Western Electric, para intentar el mejoramiento de su eficiencia.
La primera empresa que intentó su comercialización fue la californiana Hoffman Electronics, en 1956, para introducirlas en campos de aplicación específicos (alimentación de lugares remotos alejados de la red eléctrica).
PRIMERO, EN EL ESPACIO
Las células fotovoltaicas tuvieron su primer gran campo de aplicación en el espacio. Fue a partir del invento de Chapin, Fuller y Pearsons, cuando Hans Ziegler, jefe de investigación sobre sistemas de suministro de energía del ejército estadounidense, tras visitar los Bell Laboratories, concluyó que la única aplicación factible era la super-secreta operación denominada “Lunch Box”, que no era otra que la construcción y lanzamiento de un satélite artificial.
Con las células fotovoltaicas en el espacio a finales de los años 60 y principios de los 70, parecía imposible traerlas de vuelta a la Tierra. Hubo alguna excepción: las agencias del Gobierno de los Estados Unidos implicadas en actividades secretas apreciaron inmediatamente su valor. La CIA, por ejemplo, quería saber el volumen de tráfico a través de la ruta Ho Chi Minh durante la guerra del Vietnam. Por ello utilizó fuerzas especiales para instalar detectores camuflados a lo largo de la misma. ¡Y estos detectores estaban alimentados por células solares fotovoltaicas!
LA FOTOVOLTAICA VUELVE A LATIERRA
En 1973 investigadores de Exxon (entonces denominada Esso) sorprendieron a todo el mundo al anunciar que su filial Solar Power Corporation “comercializaba módulos fotovoltaicos que serían competitivos con otras fuentes de energía en aplicaciones terrestres». Solar Power Corporation comenzó a investigar para reducir el coste de fabricación de las células. Empezaron por utilizar, no silicio cristalino puro, como el utilizado en la industria de los semiconductores, sino silicio de rechazo de esta industria.
Así lograron fabricar módulos a un coste de 10 $/Vatio, que se vendían a 20 $/Vatio. Los primeros mercados masivos de células fotovoltaicas se desarrollaron en primer lugar en torno a aplicaciones aisladas de la red eléctrica: señalización marítima mediante boyas luminosas, señalización ferroviaria, antenas de comunicaciones (telegrafía, telefonía, radio,TV, etc).
La industria aeroespacial ha sido siempre una importante embajadora de la solar fotovoltaica. En la foto superior, el Explorer I, primer satélite lanzado por Estados Unidos. Debajo el Viking I y la Estación Espacial Internacional, con sus paneles extendidos.
¿CÓMO FUNCIONAN LAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS?
Una corriente eléctrica es un flujo de electrones que se produce al establecerse una diferencia de potencial eléctrico.Todos los materiales están repletos de electrones. Los átomos de los materiales están formados por núcleos con carga eléctrica positiva rodeados por nubes de electrones con carga eléctrica negativa. En algunos materiales es muy fácil hacer circular una corriente eléctrica. En otros es más difícil, por no decir imposible. Por ejemplo, en el caso del cobre o de otros metales, los electrones se pueden desplazar libremente y permiten establecer circuitos por donde pasa una corriente eléctrica. Estos materiales se denominan conductores.
Sus electrones tienen unas energías particularmente elevadas y pertenecen a una banda energética denominada banda de conducción. En cambio, existe otro tipo de materiales en los cuales no puede circular corriente eléctrica alguna, debido a que sus electrones no tienen ninguna posibilidad de desplazamiento.
tenga la energía correspondiente.
Una célula fotovoltaica sólo puede generar electricidad cuando se cumplen tres condiciones:
■ a) se ha de poder modificar el número de cargas positivas y negativas
■ b) se han de poder crear cargas que permitan la aparición de una corriente
■ c) es preciso que se establezca una diferencia de potencial o campo eléctrico
■ La oblea de silicio ha sido tratada para que cuando incida sobre ella la luz solar se liberen y se “empujen” las cargas eléctricas hacia la superficie. (Las positivas en una dirección y las negativas en otra)
■ Si se cierra el circuito eléctrico las cargas salen de la célula creando una corriente eléctrïco.
ENERGÍA EN LAS MISIÓNES
Eran los años 70 cuando la región del Sahel sufría una grave sequía. Un misionero católico, el padre Bernard Verspieren, de la orden de los Padres Blancos, fundaba la ONG denominada “Mali Aqua Viva”, con el objetivo de perforar pozos y disponer de agua para regadío. Pero ¿qué energía utilizar para el bombeo del agua?
Fue una joven mujer, Dominique Campara, graduada en una escuela de ingeniería francesa a mediados de los años 70, la que contribuyó al hallazgo de la solución, con su tesis doctoral sobre el bombeo de agua mediante solar fotovoltaica.
Su interés por la energía solar se había despertado después de asistir a la Cumbre Solar de París (1973) organizada por la UNESCO y después de haber oído diversas conferencias de Wolfgang Palz, conocido en Francia como Mr. Solar. Con la ayuda de la compañía Philips (que donó los módulos
fotovoltaicos) y Pompes Guinard (empresa francesa líder en fabricación de bombas) instaló un prototipo en la isla de Córcega, donde ella vivía, y luego el primer sistema de bombeo solar FV en Africa. Tras recoger dinero de algunas organizaciones donantes, se fue al poblado de Nabasso, en Mali. Una mañana calurosa, después de haber conectado los cables, y bajo la asombrada mirada de los lugareños, empezó a salir agua del pozo, sin ningún ruido y sin el negro humo de los generadores de combustión interna. Parecía algo mágico. No podían comprender que era el Sol que alimentaba la
bomba, pero con la caída de la noche enseguida lo entendieron.
Fue una joven mujer, Dominique Campara, graduada en una escuela de ingeniería francesa a mediados de los años 70, la que contribuyó al hallazgo de la solución, con su tesis doctoral sobre el bombeo de agua mediante solar fotovoltaica.
Su interés por la energía solar se había despertado después de asistir a la Cumbre Solar de París (1973) organizada por la UNESCO y después de haber oído diversas conferencias de Wolfgang Palz, conocido en Francia como Mr. Solar. Con la ayuda de la compañía Philips (que donó los módulos
fotovoltaicos) y Pompes Guinard (empresa francesa líder en fabricación de bombas) instaló un prototipo en la isla de Córcega, donde ella vivía, y luego el primer sistema de bombeo solar FV en Africa. Tras recoger dinero de algunas organizaciones donantes, se fue al poblado de Nabasso, en Mali. Una mañana calurosa, después de haber conectado los cables, y bajo la asombrada mirada de los lugareños, empezó a salir agua del pozo, sin ningún ruido y sin el negro humo de los generadores de combustión interna. Parecía algo mágico. No podían comprender que era el Sol que alimentaba la
bomba, pero con la caída de la noche enseguida lo entendieron.
la banda de valencia y lo hace pasar a la banda de conducción, saltando la banda prohibida. En este proceso aparece, a su vez, en la banda de valencia lo que se denomina un agujero (de carga positiva) debido a la ausencia de un electrón que ha ido a parar a la banda de conducción. Con la creación de estas cargas se puede establecer una corriente eléctrica al cerrar el circuito.
(o célula fotovoltaica). Cuando la célula recibe los fotones de una radiación luminosa, las cargas negativas
y positivas creadas se separan a causa del campo eléctrico y, si entonces se cierra un circuito entre los dos materiales que forman la unión, aparece una corriente eléctrica.
más abundantes en nuestro planeta. La cantidad de silicio necesaria para producir 1MWp de células es actualmente del orden de 11,5 toneladas, cuando hace menos de diez años se necesitaban 15.
La mayor parte de las células que se producen en el mundo son de silicio cristalino (87,4%) que incluye monocristalino y policristalino. Las monocristalinas se fabrican a base de lingotes puros de silicio (los mismos que los utilizados en la fabricación de chips electrónicos). Las policristalinas se fabrican a partir de la refundición de piezas de silicio monocristalino. Si bien su rendimiento es ligeramente inferior, su adquisición es
mucho menos costosa. Las células de silicio amorfo (5,2%), se obtienen a partir de la deposición de capas delgadas sobre vidrio. El rendimiento de estas células es menor que el de las de silicio cristalino, razón por la cual se destinan a aplicaciones de pequeña potencia (calculadoras, relojes, etc).
Otras tecnologías prometedoras son las nuevas capas delgadas que representan una alternativa a la tecnología cristalina. En ellas, el semi-conductor se economiza porque es aplicado en forma pulverizada y no precisa ser cortado, como en el caso de las tecnologías cristalinas. La gran promesa de estas tecnologías es que pueden reducir enormemente los costes de producción. Entre ellas destacan las células de teluro de cadmio (CdTe) y las de seleniuro de cobre e indio (CIS). Las primeras no tienen mucho futuro debido a la toxicidad de sus componentes.
No obstante representan hoy en torno al 4,7%. En cambio las segundas parecen mucho más prometedoras, aunque de momento sólo suponen el 0,5% de la producción mundial.
Aparte de las tecnologías descritas hasta aquí, existen otras, como los sistemas de concentración y los sistemas termofotovoltaicos (TFV).
Los sistemas de concentración son los que mediante lentes o espejos concentran los rayos solares sobre una célula. Estos sistemas son mas adecuados para lugares soleados, ya que las lentes o los espejos deben “ver” el Sol, para seguirlo y concentrarlo continuamente sobre la célula. Empezaron a desar-rollarse en los años 70 y últimamente han experi-mentado un desarrollo espectacular, sobre todo en España.En los sistemas Termo FV, el flujo de energía radiante (los fotones) no procede del Sol, sino que se crea por calentamiento de un elemento cerámico en un horno quemando gas natural. En este caso la energía radiante procede de la emisión infrarroja del elemento cerámico caliente.Las células FV multicapa a base de Arseniuro de Galio (GaAS), sensible a la luz del Sol, y de Antimoniuro de Galio (GaSb), sensible a la radiación infrarroja, descritas ya en el año 1989, desarrolladasinicialmente en el NREL (National Renewable Energy Laboratory), han demostrado eficiencias de hasta un 34%, debido al amplio espectro de la radiación solar que utilizan. Ellas podrían ser la base para los sistemas TFV, más adecuados para climas menos soleados, mas fríos. La combinación de los sistemas TFV con los sistemas FV clásicos permitiría disponer deelectricidad día y noche, esté despejado o nublado, en invierno o en verano, ya que se complementan perfectamente.
EL MERCADO ACTUAL DE CÉLULAS
FOTOVOLTAICAS (1.357CC)
El mercado mundial de células fotovoltaicas creció un 20% entre 1990 y 2000, en torno al 40% en 2005 y 2006, y hasta un 70% en 2007, cuando la fabricación mundial de células FV llegó a los 4.279 MWp.Ya en el año 2000 se superó la cifra de 1.000 MWp de potencia instalada acumulada en el mundo, exactamente 1.428, según datos de la Asociación Europea de la Industria Fotovoltai- ca (EPIA). En 2005 eran 5.253 y actualmente ya superan los 9.000 MWp. EPIA cree que en 2012 podría haber cinco veces más fotovoltaica instalada que ahora, hasta los 45 GWp.
En el año 2002, el entonces tejado solar FV más grande del mundo fue construido por Nuon Energy Company en Holanda, donde uno de los edificios de la Feria de Horticultura Floriade dispone de 25.100 m2 de captación solar, o sea 19.000 paneles FV, con una potencia de 2,3 MWp. Ese mismo año la mayor instalación FV del mundo estaba en Hemau (Baviera), una de las zonas más soleadas de Alemania: ocupa 7 hectáreas y tiene una potencia de 4 MWp.
Hace apenas unos años estas instalaciones podrían parecer gran cosa, pero hoy se instalan parques multimegavatio a un ritmo asombroso. Por ejemplo, en Trujillo (Cáceres), la empresa española Elecnor construye un parque de 23 MW. Y Acciona inauguró en 2007 en la localidad navarra de Milagro una planta de 9,5 MW que pertenece a 753 pequeños propietarios.
LA FOTOVOLTAICA EN ESPAÑA (1.378CC)
A finales de 2007 había en España 607 MWp fotovoltaicos, de los que aproximadamente el 6% corres-ponden a instalaciones aisladas y el resto están conectadas a red. Sólo en 2007 se instalaron 451 MW, es decir, 51 más que los 400 previstos como objetivo para 2010 en el Plan de Energías Renovables. Por comunidades autónomas, Castilla–La Mancha es la que más instaló ese año, con 86 MW, seguida de la Comunidad Valenciana (64 MW), Castilla y León (56 MW) y Navarra (50 MW)
Desde el año 2000 la capacidad de producción de células fotovoltaicas en España no ha parado de crecer. En 2007 se alcanzaron los 132 MW, lo que supone más del 3% de la producción mundial. España es el sexto fabricante del mundo, tras China, Japón,Alemania,Taiwán y Estados Unidos. Y su dinamismo industrial sigue creciendo porque en 2009 contará con la primera planta de polisilicio –el material del que se fabrican las células que el consorcio Silicio Energía, en el que participan Isofotón y Endesa entre otros, está construyendo en la localidad de Los Barrios (Cádiz).
Todo esto, unido por supuesto al empuje del mercado fotovoltaico internacional, ha permitido unas reducciones sostenidas del precio del vatio instalado en de un 5% anual aproximadamente. Hasta el punto de que la industria solar en España se ha comprometido a que el kWh fotovoltaico iguale al kWh residencial antes de 2020.
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