Energía solar fotovoltaica: qué es, funcionamiento, ventajas, usos

La energía solar fotovoltaica captura la luz solar con los paneles solares y la convierte en electricidad de corriente continua (CC) de forma directa por el efecto fotoeléctrico. Luego, un inversor la transforma en corriente alterna, para alimentar hogares, empresas o devolver el exceso de electricidad a la red.

Existen varios tipos de sistemas fotovoltaicos, entre los que se incluyen los conectados a la red, los híbridos y los autónomos, cada uno de ellos adaptado a unas necesidades energéticas y circunstancias específicas.

Los componentes esenciales para obtener energía solar fotovoltaica son los paneles solares, los inversores, las estructuras de soporte, las baterías para el almacenamiento de energía y el cableado con dispositivos de protección, todos ellos fundamentales para un funcionamiento seguro y eficiente.

Las aplicaciones de la energía fotovoltaica son muy diversas, desde el autoconsumo residencial y la electrificación rural hasta el bombeo solar, las telecomunicaciones, las estaciones de recarga de vehículos eléctricos e incluso la tecnología espacial.

La energía fotovoltaica ofrece importantes beneficios medioambientales al reducir la dependencia de combustibles fósiles y las emisiones de gases de efecto invernadero (reduce las emisiones de CO2 en aproximadamente -0,4 kg/kWh en comparación con la electricidad procedente de centrales de gas natural). También promueve el ahorro económico y la independencia energética, lo que la convierte en una solución muy práctica y sostenible para diversos sectores y escalas.

¿Qué es la energía solar fotovoltaica?

La energía solar fotovoltaica (FV, PV en inglés) es una fuente de energía renovable que convierte directamente la luz solar en electricidad mediante el efecto fotovoltaico.

El término fotovoltaico combina “foto” (que significa luz) y “voltaico” (que significa electricidad), y hace referencia al proceso por el cual la radiación solar se transforma en energía eléctrica.

La base de esta tecnología son las células solares, dispositivos fabricados con materiales semiconductores, normalmente, silicio. Cuando se agrupan y son ensambladas, estas células forman módulos fotovoltaicos.

El efecto fotovoltaico se produce cuando los fotones de la luz solar inciden sobre una célula solar y transfieren su energía a los electrones del material semiconductor. Esta energía excita a los electrones de los átomos que componen la célula, haciendo que se muevan libremente y generen una corriente eléctrica. Este efecto fue descubierto por Edmond Becquerel en 1839, y se desarrolló posteriormente en las primeras células solares a mediados del siglo XX, siendo el inicio de la tecnología fotovoltaica moderna.

Es importante distinguir la energía solar fotovoltaica de la energía solar térmica. Mientras que la tecnología fotovoltaica genera electricidad directamente a partir de la luz solar, los sistemas solares térmicos capturan la radiación solar en forma de calor. Este calor puede utilizarse directamente para aplicaciones como el calentamiento de agua o espacios, o convertirse indirectamente en electricidad utilizando turbinas impulsadas por vapor.

¿Cómo funciona la energía solar fotovoltaica?

La energía fotovoltaica funciona generando electricidad a partir de la luz solar utilizando tecnología fotoeléctrica como paneles solares y equipos de apoyo.

Para comprender cómo se produce la energía solar mediante la energía fotovoltaica, podemos dividir el proceso en cuatro pasos clave.

Paso 1: Captura de la luz solar

El proceso comienza con la captación de la luz solar por paneles fotovoltaicos. Estos paneles se instalan para que reciban la mayor cantidad de luz solar directa (por ejemplo, en tejados o en campos abiertos) para maximizar su exposición al sol.

Cuando la luz solar incide sobre la superficie del panel, la energía del sol es absorbida por las células solares del panel.

Paso 2: Conversión en electricidad de corriente continua

En cada panel solar, las células solares convierten la luz capturada en electricidad mediante el efecto fotovoltaico.

Debido a la forma en que están construidas las células solares (con un campo eléctrico incorporado formado por capas positivas y negativas), los electrones liberados fluyen en una sola dirección, produciendo una corriente continua.

La corriente continua de todas las células del panel se combina, lo que da como resultado una salida eléctrica de CC utilizable desde los bornes del panel solar.

Paso 3: Conversión de CC a CA

Esto nos lleva al siguiente paso que es convertir la CC en CA utilizando un dispositivo llamado inversor.

Esta conversión es fundamental porque casi todos los electrodomésticos, sistemas domésticos y redes eléctricas funcionan con CA. A diferencia de la CC, que fluye continuamente en una dirección, el voltaje CA oscila (invierte su dirección periódicamente), que es la forma estándar que suministran las redes de electricidad.

Paso 4: Utilización de la energía solar

Una vez que la energía solar se ha convertido en CA, está lista para ser utilizada o almacenada. Hay varias formas principales de utilizar la electricidad resultante:

• Autoconsumo: La electricidad CA generada puede alimentar directamente la vivienda o el edificio donde están instalados los paneles solares. En este caso, la energía solar se utiliza in situ para hacer funcionar luces, electrodomésticos y equipos, lo que reduce el consumo de electricidad de la red eléctrica.
• Alimentar la red eléctrica: Si el sistema está conectado a la red eléctrica pública y produce más electricidad de la que se consume en ese momento, el exceso de energía puede enviarse a la red. En otras palabras, la instalación solar devuelve la electricidad a la red eléctrica general para que se utilice en otros lugares.
• Almacenamiento en baterías: El exceso de electricidad puede cargar un banco de baterías en lugar de desperdiciarse o verterse a red. Estas baterías almacenan la energía en forma química y pueden liberarla en forma de electricidad cuando es necesario, por ejemplo, por la noche, durante apagones prolongados (si dispone de sistema de backup) o en momentos nublados en los que los paneles no producen energía.

¿Qué ventajas y desventajas tiene la energía solar fotovoltaica?

La energía solar fotovoltaica tiene múltiples ventajas y desventajas, listadas a continuación.

Ventajas:

• Se trata de una fuente de energía limpia y renovable, por lo tanto, no contaminante.
• Aporta la ventaja de poder ser tu propio productor y consumidor de energía (prosumidor).
• Ahorro en la factura de la luz.
• Reduce significativamente la dependencia de combustibles fósiles de terceros países.
• La fotovoltaica crea puestos de trabajo cualificados.
• Inversión inicial muy asequible gracias a la existencia de ayudas y subvenciones.
• Fácil implantación, casi cualquier tejado o terreno son válidos.
• Posibilidad, con algunas comercializadoras, de verter los excedentes a la red y poder consumirlos durante todo el año (batería virtual).
• La durabilidad de una instalación solar, si es de buena calidad, es de más de 25 años.

Desventajas:

• Disponibilidad sólo durante horas de sol. A no ser que se utilicen baterías (física o virtual) para almacenar la energía no consumida durante el día.
• Si no hay sol (noche, nubes, lluvia...), no se genera electricidad.
• Necesidad de disponer una superficie relativamente amplia (1 metro cuadrado para cada 250W aproximadamente)  para su instalación.
• Necesitan mantenimiento y limpieza periódica.
• El proceso de fabricación es contaminante. Los fabricantes comprometidos con el medioambiente sostienen que la energía empleada para fabricar un panel solar, se retorna a los 2 años de funcionamiento, por lo que el balance es positivo en realidad.

¿Qué tipos de sistemas de energía fotovoltaica existen?

Los sistemas de energía fotovoltaica (FV) pueden clasificarse según su configuración y tamaño como explicamos a continuación.

Según su configuración:

• Sistemas conectados a la red: están conectados directamente a la red eléctrica pública y no requieren necesariamente un almacenamiento en baterías, ya que la propia red proporciona energía de reserva cuando la producción solar es insuficiente.

• Sistemas autónomos (independientes): son independientes de la red eléctrica pública e incluyen baterías de almacenamiento para poder suministrar energía de forma continua. Resultan especialmente útiles en zonas remotas o regiones con redes eléctricas poco fiables.

• Sistemas híbridos: combinan paneles fotovoltaicos con otras fuentes de energía, como turbinas eólicas, o generadores (grupos electrógenos), y ofrecen una mayor fiabilidad y flexibilidad.

Según su tamaño:

1. Sistemas fotovoltaicos residenciales: están diseñados para cubrir las necesidades energéticas de viviendas unifamiliares. Normalmente su potencia oscila entre unos pocos kilovatios (kW) y unos 10-20 kW siendo 5 kW la potencia media instalada en España según APPA.
2. Sistemas fotovoltaicos comerciales e industriales: están pensados para empresas, fábricas, almacenes y edificios de oficinas. Su capacidad oscila entre decenas y cientos de kilovatios, o incluso varios megavatios (MW), siendo la media de potencia instalada de 180 kW en España, según APPA.
3. Sistemas fotovoltaicos a escala “utility scale”: Los sistemas a escala de parques solares son grandes plantas de energía solar, que suelen oscilar entre varios megavatios y cientos de megavatios. Estas instalaciones generan electricidad a gran escala, que suministran electricidad a empresas de gran tamaño o directamente a las redes nacionales de electricidad.

Plantas fotovoltaicas

Las plantas fotovoltaicas, también conocidas como plantas FV, huertas solares o parques solares, son instalaciones a gran escala diseñadas para generar grandes cantidades de electricidad para su distribución a través de la red eléctrica pública. Estas plantas consisten en extensas instalaciones de paneles solares fotovoltaicos, que cubren grandes áreas de terreno, cuidadosamente orientados para maximizar la captura de energía solar.

Por ejemplo, una planta fotovoltaica típica de 5 MW en España puede producir aproximadamente 7500 MWh de electricidad al año como promedio. Esta producción es suficiente para abastecer el consumo medio de energía de unos 2000 hogares al año. En cuanto a los requisitos de espacio, cada megavatio (MW) de potencia de paneles fotovoltaicos instalada suele requerir entre 2 y 3 hectáreas de terreno, teniendo en cuenta el espacio necesario entre las filas de paneles para evitar el sombreado y garantizar una eficiencia óptima.

Autoconsumo fotovoltaico

El autoconsumo fotovoltaico se refiere a la generación y consumo directo de electricidad de origen solar in situ en hogares o empresas mediante instalaciones fotovoltaicas.

En España, los sistemas de autoconsumo residenciales típicos producen aproximadamente entre 4.500 y 15.000 kWh al año, dependiendo de la ubicación y el diseño del sistema. Mediante herramientas como el Sistema de Información Geográfica Fotovoltaica (PVGIS), los propietarios de viviendas y empresas pueden estimar la producción de electricidad solar potencial, optimizando el diseño y la orientación del sistema para obtener la máxima eficiencia y ahorro.

Por ejemplo, una vivienda española media equipada con autoconsumo fotovoltaico de 5 kW podría ahorrar entre un 30% y un 70% en su factura eléctrica, dependiendo del perfil de consumo y de potencia instalada de paneles solares.

Instalaciones aisladas

Las instalaciones aisladas, funcionan de forma totalmente independiente de la red eléctrica pública.

Las baterías son componentes fundamentales en instalaciones aisladas de la red, ya que se necesita almacenar el exceso de electricidad solar generada durante las horas de sol para proporcionar energía durante la noche o en períodos de menor insolación (entre 2 y 4 días de autonomía normalmente).

En España, las instalaciones aisladas suelen implantarse en zonas rurales y remotas, como casas de montaña, instalaciones agrícolas e infraestructuras de telecomunicaciones, donde la conexión a la red sería muy cara o resulta inviable. Por ejemplo, un hogar autónomo con una instalación fotovoltaica típica de 5 kW y una capacidad de almacenamiento en baterías de entre 20 y 30 kWh puede cubrir la demanda diaria de electricidad, incluso en zonas remotas.

BIPV

La energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV, por sus siglas en inglés) se refiere a los materiales fotovoltaicos que se instalan de forma integrada en la arquitectura de los edificios, sirviendo tanto como generadores de energía como elementos estructurales.

A diferencia de los paneles solares convencionales los BIPV pueden sustituir a los componentes tradicionales de los edificios, como ventanas, fachadas, tejados o claraboyas. Esto se traduce en una mejora estética, una optimización del espacio y un ahorro potencial al combinar los materiales de construcción con la instalación fotovoltaica.

Algunos ejemplos de BIPV son el edificio Torre Europa en Madrid (España), que utiliza fachadas solares, y el Museo Guggenheim de Bilbao (España) que utiliza paneles solares de color gris en su cubierta, del fabricante FuturaSun.

Fotovoltaica flotante

Las instalaciones fotovoltaicas flotantes (FPV por sus siglas en inglés) consisten en paneles solares montados sobre estructuras flotantes situadas en masas de agua como lagos, embalses o estanques.

Las instalaciones FPV han demostrado además una mayor eficiencia debido a las temperaturas de funcionamiento más bajas gracias al efecto enfriador del agua, y algunos estudios señalan un aumento de la eficiencia de hasta un 10-15% en comparación con instalaciones en terreno o tejado.

Por ejemplo, un proyecto FPV destacado en España es la instalación de 1,3 MW en el embalse de Sierra Brava, en Extremadura, que genera aproximadamente 2300 MWh al año, suficiente para abastecer a unos 1000 hogares.

¿Qué componentes se necesitan para aprovechar la energía solar fotovoltaica?

Para aprovechar la energía solar fotovoltaica, se necesitan los siguientes componentes.

• Paneles solares
• Inversores
• Estructuras de soporte
• Baterías (opcional)
• Cableado y protecciones

Paneles solares

Los paneles solares son el componente fundamental de un sistema fotovoltaico, diseñados para capturar la luz solar y generar electricidad.

Los tipos más comunes de paneles solares son los monocristalinos, los policristalinos y los de capa fina. Los paneles monocristalinos tienen una eficiencia y durabilidad más altos, los paneles policristalinos son ligeramente menos eficientes pero más baratos (actualmente no se comercializan), y los paneles de capa fina suelen ser flexibles para integración más fácil en diversas superficies (incluso curvas), aunque tienen una eficiencia menor.

Inversores

Los inversores permiten que la energía fotovoltaica generada los paneles solares sea apta para su uso en hogares y empresas. Los inversores modernos proporcionan funciones de monitorización, ofreciendo datos en tiempo real sobre el rendimiento del sistema, la generación de energía y los posibles problemas.

Estructuras de soporte

Las estructuras de soporte aseguran la posición de paneles solares para maximizar la exposición al sol. La orientación y el ángulo de inclinación adecuados influyen significativamente en la eficiencia del sistema.

Las estructuras pueden ser fijas o móviles. Los seguidores solares ajustan automáticamente la posición de los paneles a lo largo del día, aumentando la producción de energía hasta un 30% en comparación con los sistemas fijos.

Baterías

Las baterías almacenan el excedente de energía fotovoltaica para su uso posterior. Si se instala un sistema de respaldo (como los del fabricante americano Enphase) las baterías pueden proporcionar energía continua incluso durante cortes de luz y apagones, creando una red interna autosuficiente.

Cableado y protección

El cableado se encarga de dirigir la energía fotovoltaica desde su punto de generación hasta al lugar donde se la necesita. Los cables y conectores de alta calidad, como los conectores MC4, garantizan conexiones eléctricas seguras, sin riesgos de arcos voltaicos de corriente continua (potenciales generadores de incendios) y protección contra los factores ambientales.

¿Qué aplicaciones tiene la energía fotovoltaica?

La energía fotovoltaica tiene multitud de aplicaciones en función de cada tipo de sistema de las que podemos destacar las siguientes.

• La generación de electricidad para el consumo propio, que aumenta la independencia energética.
• La electrificación rural y las instalaciones aisladas proporcionan electricidad a zonas remotas, mejorando su calidad de vida.
• Los sistemas de bombeo solar ayudan en la agricultura al bombear agua para el riego sin necesidad de una conexión a la red.
• Los vehículos de recreo, como autocaravanas, carritos de golf o barcos que se benefician de la energía fotovoltaica para recargar más rápido sus baterías.
• Las estaciones de telecomunicaciones utilizan la energía fotovoltaica para mantener un servicio ininterrumpido en lugares aislados.
• Los dispositivos aislados, como las señales de tráfico, las boyas y las estaciones meteorológicas, dependen de pequeñas instalaciones fotovoltaicas para su funcionamiento autónomo.
• Las estaciones de recarga de vehículos eléctricos, integrando las energías renovables en la infraestructura de transporte.
• En el mobiliario urbano, como el alumbrado solar, los bancos y las estaciones de recarga públicas, promueve el ahorro energético en los entornos urbanos.
• Las aplicaciones espaciales, como satélites y estaciones espaciales, donde no se puede generar electricidad de otro modo, lo que demuestra su fiabilidad y versatilidad.

¿Cuál es la diferencia entre energía solar y energía fotovoltaica?

La energía solar se refiere, en términos generales, a la energía procedente del sol, y abarca diversas tecnologías que convierten la luz solar en formas útiles de energía, como el calor y la electricidad.

La energía fotovoltaica, en concreto, es la conversión directa de la luz solar en electricidad mediante paneles fotovoltaicos que utilizan el efecto fotovoltaico. Es decir, la energía fotovoltaica es un subconjunto de la energía solar, centrado exclusivamente en la generación de electricidad.

Por el contrario, la energía solar incluye no solo la generación de electricidad fotovoltaica, sino también aplicaciones de energía térmica, como el calentamiento solar de agua y las centrales termosolares.