Los sistemas fotovoltaicos, basándose en las propiedades de los materiales semiconductores, transforman radiación solar en energía eléctrica, para ello no se utilizan reacciones químicas o procesos mecánicos que requieran partes móviles. Este proceso se desarrolla a través de un elemento semiconductor denominado célula fotovoltaica, ésta recibe la radiación solar y los fotones de la luz solar transmiten su energía a los electrones del semiconductor para que de ése modo circulen dentro del sólido. Esta tecnología permite que parte de estos electrones salgan al exterior del material semiconductor generando así una corriente eléctrica suficiente para conducirla por un circuito externo.
Tras conectar las células fotovoltaicas y encapsularlas obtenemos los sistemas de paneles o módulos fotovoltaicos. El correcto funcionamiento de estos módulos depende de la radiación solar y la temperatura de funcionamiento, para poder medir correctamente la potencia suministrada por cada modulo, y así comparar correctamente los diferentes tipos se ha normalizado para una temperatura de funcionamiento de 25°C y una radiación solar media de 1000 W/m², midiéndose la potencia de cada módulo en vatios pico. Esta unidad de energía producida, se obtiene multiplicando la potencia nominal por las horas con más intensidad de sol, es decir, dividiendo la energía producida durante el día por la media de 1000 W/m², en España esta media varía según la región entre 6 a 8 horas en verano y 2 a 4 horas en invierno dependiendo de la zona climática.
Podemos diferenciar dos tipos principales de sistemas para utilizar este tipo de energía:
Sistemas aislados: en este tipo de instalaciones eléctricas, la energía se almacena en baterías para utilizarlas cuando sea necesaria. Se emplean en los lugares en los que no se tiene acceso a la red eléctrica y es una solución económica de obtener energía.
Debido a que los paneles solo producen energía durante las horas de sol, es necesaria la instalación de un sistema de acumulación, que pueda suministrar electricidad durante los periodos nocturnos o los días con menor radiación solar. Dependiendo la zona climática y el consumo previsto, por lo tanto tendrá que adaptarse adecuadamente la acumulación para evitar por ejemplo el sobredimensionamiento.
Su esquema compositivo es básico, consta de:
- Generador fotovoltaico: encargado de transformar la energía solar en energía eléctrica y cargar con ella las baterías.
- Regulador de la carga: evita que se produzcan sobrecargas o descargas excesivas, generalmente incorporan un control de seguimiento.
- Acumulador: son las baterías que proporcionan la electricidad previamente acumulada cuando no hay radiación solar.
- Inversor: modifica la corriente continua que generan los paneles solares convirtiéndola en alterna, es decir, de uso domestico.
Debido a que es un sistema básico, su versatilidad es total, podemos encontrar infinidad de usos, para este tipo de sistemas, son sistemas totalmente inocuos, no requieren apenas mantenimiento y su proceso de amortización es inmediato.
Sistemas conectados: se utilizan en lugares donde no se dispone de una instalación eléctrica, su uso favorece la reducción de emisiones de CO₂ a la atmosfera, toda su energía se envía a la red convencional de electricidad para su distribución posterior donde sea necesaria. En este caso el tamaño de la instalación no depende del consumo de electricidad de la edificación, para dimensionarla únicamente se debe tener en cuenta el espacio y la inversión que se quiera realizar.
Está compuesta principalmente por tres elementos, el generador, el inversor y los contadores, un contador principal mide la energía que se produce (kw/h) y es enviada a la red.
Sus aplicaciones son igual de variadas que para el anterior sistema, integrándose a la red convencional y aportando electricidad limpia y sana. Como ejemplo de aplicación en zonas urbanas podríamos destacar el proyecto de alumbrado público de la ciudad de Bilbao, obra del arquitecto vasco Xavier Pérez.
Imagen: Prototipo uTree. Fuente: renewableenergiesdevices.com
La propuesta presentada en el concurso “Plan Solar de Navarra 2012”, integra estos sistemas de captación solar, generando energía para uso público.
Este aprovechamiento de la radiación a pequeña escala contrasta con las pretensiones de los científicos más prestigiosos del mundo que estudian la posibilidad de generar la energía solar directamente en el espacio y transmitirla a la tierra, de esta manera se ganaría en eficiencia ya que no existiría la “barrera atmosférica”, que impide que una gran parte de la radiación solar llegue a la superficie de la tierra. Es interesante mencionar este proyecto para comprender un poco mejor el aspecto global que pueden alcanzar este tipo de tecnologías, además de que podrían suponer grandes cambios en la concepción arquitectónica del futuro de hacerse realidad.
Imagen: Solar Power Satellite (SPS – ALPHA). Fuente: nomadaq.com
Este proyecto que consiste en una matriz de pétalos formada por miles de cristales que dirigen la luz solar hacia las células solares, siendo éstas las que la transforman enviándola a la Tierra en forma de microondas, es una propuesta de John Mankins de Artemis Innovation Management Solutions, basándose en la forma en que las flores captan y metabolizan la radiación solar.
El principal problema que existe con las células fotovoltaicas es su baja eficiencia, capaces de transformar una reducida cantidad de la energía solar total que incide sobre ellas. Actualmente se están planteando la utilización de nuevos materiales en su fabricación, para reducir los costes, además de aumentar su eficiencia energética, según estudios a nivel europeo “en los últimos dos años se ha reducido el coste un 70%, alargando además la vida útil de los nuevos captadores hasta 30 años”.
El material más común es el silicio, sin embargo otro tipo de células, las llamadas “células de capa fina”, usan otros materiales como el cobre, indio, galio y selenio, utilizan mucha menos materia prima lo que reduce enormemente los costes de producción y su uso se podrá aplicar a todo tipo de soluciones, desde fachadas, suelos, superficies móviles, etc. Además, se están utilizando nuevas tipologías como las llamadas capas transparentes y aplicar sus propiedades translucidas como una forma de incluirlas en las ventanas de los edificios directamente en su fabricación.
A parte de los materiales, los institutos de investigación más prestigiosos del mundo, como es el caso del MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts), realizan experimentos para modificar la manera en que se obtiene la energía. Los investigadores han logrado obtener de cada fotón dos electrones, en lugar de uno, lo que mejora la eficiencia del modulo aumentando la eficiencia hasta valores superiores del 30%, además de crear células solares finas sobre un papel, una esperanzadora tecnología que permitiría instalarlas sobre cualquier tipo de superficie, sin embargo su baja eficiencia la convierte en una tecnología aun por desarrollar, pero puede servir para hacernos una idea de lo que puede llegar a dar de sí ésta tecnología a largo plazo.
Imagen: “Thin Film” fabricado por Eni-MIT Solar Frontiers Research. Center. Fuente: ison21.es
Cabe destacar, el anuncio del IES Fraunhofer (Instituto de Investigación de Energía Solar), centrándose en fundamentos científicos y tecnológicos anunció el pasado año que “está obteniendo resultados notables en la investigación de células solares multi-unión con un potencial de eficiencia de hasta el 50 % bajo luz solar concentrada” utilizando los mejores materiales compuestos y la tecnología de unión para fabricar la célula solar de cuatro conexiones, con la ayuda de la tecnología francesa de la empresa Soiltec.
ARQUITECTURA EFICIENTE 