Energia fotovoltaica y celdas solares

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Energía fotovoltaica

La radiación solar incidente sobre la Tierra es equivalente a más de 800 000 millones de GWh de energía en un año, lo que representa alrededor de 35000 veces el consumo mundial en ese tiempo, y es 500 veces mayor que el equivalente energético suministrado por todas las demás fuentes de energía. La energía solar que recibe cada año la península Arábica, zona geográfica donde radican las mayores reservas de petróleo, es el doble del equivalente energético de las reservas mundiales de petróleo. La superficie de la Tierra recibe en 30 minutos una cantidad de energía solar equivalente al consumo energético mundial en un año.

La energía fotovoltaica es el proceso de convertir directamente la energía proveniente del Sol en electricidad mediante el uso de las celdas solares. La energía fotovoltaica, comparada con el resto de las fuentes renovables de energía, tiene entre sus ventajas más importantes:

• Su conversión es la más instantánea de todas.

• Es modular y aditiva, es decir, puede generar desde valores de potencia menores del watt hasta decenas de MW.

• No tiene partes móviles y el costo de mantenimiento es el más bajo de todos.

• Es una tecnología madura y aceptada internacionalmente.

• Es una tecnología que permite generar empleos y un desarrollo industrial sustentable.

• Es altamente confiable al ser el Sol una fuente de energía limpia, inagotable y de acceso libre.

• Es la mejor opción en fuentes renovables de energía para introducir en un ambiente urbano.

• Es fácil de producir e instalar a escala masiva.

• Es el modo más accesible de proveer de energía a los miles de millones de personas sin electricidad en el mundo.

Entre los problemas actuales para el desarrollo de la energía fotovoltaica a escala tecnológica se pueden mencionar: a) por tratarse de una tecnología relativamente nueva no existe la suficiente cultura y conocimientos respecto a su capacidad y utilización; b) el costo inicial de la instalación es alto si se compara con sus similares; c) las instalaciones no son fáciles de obtener de manera comercial y a gran escala. Sin embargo, el problema fundamental radica en que, a diferencia de los combustibles fósiles, su uso en el transporte es actualmente complicado.

Un reflejo del incremento de la industria fotovoltaica se muestra en la figura 2. En el 2006, la producción mundial de potencia fotovoltaica alcanzó 2368 MW que comparada con la del 2000 representa un incremento del 823%. La producción de energía fotovoltaica a través de la fabricación de paneles solares aumentó exponencialmente durante los últimos quince años y se espera que continúe con esa tendencia hasta el 2010. Japón es el país líder y Alemania es el país que está a la vanguardia en la Unión Europea. Ambos han basado su crecimiento en un adecuado balance de los programas de investigación y desarrollo, asociados a una acertada política fiscal que incentiva el uso de energías provenientes de fuentes renovables.

[pic 1] Figura 2. Producción global fotovoltaica

Una desventaja importante que debe resolver la energía fotovoltaica es su costo. A finales de la década pasada se decía que la energía fotovoltaica se convertiría competitiva cuando el kW-h de energía eléctrica descendiera del umbral de US $ 0.10, pero en la actualidad con el aumento desmedido del precio del barril de petróleo es imposible anunciar un pronóstico. En la actualidad, el precio del kW-h fotovoltaico es de 6 a 10 veces superior al precio del kW-h producido por medios convencionales, sin embargo, con el incremento de los volúmenes de producción de la energía fotovoltaica se reducen de manera importante los costos. La construcción de plantas de 10-20 MW de energía fotovoltaica que se están fabricando y conectando a la red, también hace disminuir los costos. A este punto, es importante resaltar la descentralización que se logra en la entrega de la energía a través de las instalaciones fotovoltaicas. Un gran aporte de la tecnología reciente ha sido la telefonía que ha desechado los cables de cobre para la transmisión telefónica, alcanzando la distribución de las comunicaciones a nivel personal, ¿por qué entonces no soñar que la energía podrá transitar por el mismo camino?

Otra alternativa importante es la disminución de los costos de producción del silicio, material con el que se producen casi el 90% de las celdas solares con la que se fabrican los paneles. Obtener silicio grado solar barato y abundante es el principal objetivo para la disminución del precio del kW-h fotovoltaico.

El incremento en la energía de conversión de las celdas solares es otro camino para disminuir los costos. La figura 3 muestra el pronóstico del precio del watt fotovoltaico (no con el barril costando $100 dólares) que puede obtenerse como función de la eficiencia y del costo por área del material con que se producen las celdas solares. Tres diferentes grupos de celdas solares destacan: el grupo I, constituido por las celdas solares en base a Si volumétrico mono y poli cristalino, con eficiencias cercanas al 20% y costos del material del orden de $350 dólares, permite alcanzar precios del watt fotovoltaico por debajo de los $3.50 dólares. Las celdas solares fabricadas en base a películas delgadas -designadas como grupo II- poseen un costo menor por área, al utilizar menos material, y aunque poseen una eficiencia menor que las del grupo I, el costo del watt fotovoltaico puede llegar a disminuir hasta 1 dólar. Las prometedoras celdas de alta eficiencia constituyen el grupo III, con las cuales se esperan costos de alrededor de 0.20 dólares por watt fotovoltaico. En la actualidad, varias son las instituciones encargadas en desarrollar celdas solares de alta eficiencia, destacándose el proyecto de la Universidad de Delaware para obtener eficiencias de conversión del 50%.

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Figura 3. Pronóstico del precio del watt fotovoltaico como función de la eficiencia y del costo del material, para tres grupos diferentes de celdas solares: I, Si mono y poli cristalino volumétrico; II: láminas delgadas y III de lata eficiencia.

Diversas son las variantes utilizadas para aumentar la eficiencia de conversión de una celda solar y sortear los mecanismos