energía fotovoltaica

Energía fotovoltaicaDe la luz solar a la electricidad usando células solares

MARTIN GREEN ha trabajado en el campo de la energía solar durante casi toda su vidaprofesional.

Actualmente es Scientia Professor y Director del Photovoltaics Special Research Centreen la University of New South Wales.

Su equipo de investigación es reconocido en todo el mundo por su trabajo en el desarrollode células solares y por su aplicación al mercado.

Ha recibido numerosos premios internacionales por sus investigaciones, entre los que seincluye el 1999 Australia Prize por «sus notables logros en la ciencia y tecnología de laenergía».

Martin Green vive con su familia en Sydney.

Energía fotovoltaicaDe la luz solar a la electricidad usando células solares

Martin Green

Editorial ACRIBIA, S.A.ZARAGOZA (España)

Traducido por

José Francisco Beltrán JuberíasIngeniero Industrial

IMPRESO EN ESPAÑA PRINTED IN SPAIN

Reservados todos los derechos para los países de habla española. Este libro no podrá serreproducido en forma alguna, total o parcialmente, sin el permiso de los editores.

Depósito legal: SE-179-2008 Editorial ACRIBIA S.A.- José Sancho Arroyo, 13 - 50002 Zaragoza (España)

IMPRIME: PODIPRINT 2021

Reimpresión 2008

I.S.B.N.: 978-84-200-0979-7

www.editorialacribia.com

© Martin A Green 2000© De la edición en lengua española

Editorial Acribia, S.A., Apartado 46650080 ZARAGOZA (España)

Título original: Power to the People. Sunligth to Electricity Using Solar Cells

Autor: Martin Green

Edición original publicada en 2000 por:UNSW PressUniversity of New South WalesUNSW Sydney NSW 2052Australia

Prefacio ................................................................................................... vii

1 Introducción....................................................................................... 12 Física cuántica, semiconductores y células solares .......................... 73 Historia de la fotovoltaica ................................................................. 174 Evolución tecnológica: grueso y delgado ......................................... 275 ¿Cómo se usan las celulas solares? ................................................... 396 La energía fotovoltaica en la casa particular .................................... 517 La fotovoltaica arquitectónica ........................................................... 618 Energía para los países en vías de desarrollo .................................... 699 Energía para el futuro ........................................................................ 83

Glosario .................................................................................................. 85Contactos útiles ...................................................................................... 87Índice alfabético ..................................................................................... 89

V

Índice de contenido

La mayoría de las personas que han oído hablar de la energía fotovoltaica yde las células solares lo han hecho a través de las carreras de coches solares.La mayoría están fascinadas por su elegancia y su magia; el modo en que,silenciosamente y sin esfuerzo, las células transforman la luz solar en electri-cidad.

Muchos más oirán hablar de las células solares en la próxima década. Mi-llones las usarán en sus tejados para suministrar energía a sus casas. Las pri-meras afectadas serán las casa, en los polos opuestos; aquellas en los subur-bios de los países más ricos del mundo y aquellas en las áreas rurales másaisladas de los países más pobres.

Este libro está basado casi en su totalidad en el material presentado con micolega Stuart Wenham en conferencias públicas que siguieron al premio 1999Australia Prize por «Outstanding Achievement in Science and Technology»,basado en nuestro trabajo para la mejora y comercialización de las células sola-res. Este trabajo guía al lector paso a paso en el modo en que las células solaresfuncionan y las mejoras que están reduciendo sus costes. El libro se centra en losusos actuales y futuros de las células solares, particularmente las tres claves parala década que comienza en los techos de las casas particulares urbanas, en el usoarquitectural en edificios y en los países en vías de desarrollo.

Me gustaría agradecer a todos aquellos que han estimulado mi interés porla energía fotovoltaica a través de los años y particularmente a Jenny Hansenque, entre otras cosas, computerizó muchos de los dibujos originales en eltexto. También me gustaría agradecer a mi familia –Judy, Brie y Morgan– porsu tolerancia a mi continuada inmersión en proyectos como este libro.

Martin A. Green

VII

Prefacio

La luz del sol y las células solares

Todos conocemos las inmensas cantidades de combustible que se quemanpara satisfacer las insaciables demandas de energía del mundo. Todos sabe-mos también lo perjudicial que esto es para el medio ambiente. Por lo tanto essorprendente descubrir que en sólo unos pocos días la tierra recibe más ener-gía del sol que de toda la energía del combustible quemado durante toda lahistoria de la humanidad. Tres semanas de luz solar equivalen a todas las re-servas de combustibles fósiles conocidas.

El sol todavía suministra casi toda la energía necesaria para sustentar lavida tal y como nosotros la conocemos. El reto para un futuro sostenible esaprovechar una pequeña fracción de esta energía para abastecer la relativa-mente modesta demanda de la actividad humana. Probablemente el modo máselegante conocido de hacer esto es convertirla directamente en electricidadusando células solares o células fotovoltaicas, como también así se las conoce(«foto» se refiere a la «luz» y «voltaico» a la «electricidad»). Este es un enfo-que bastante nuevo, no todavía maduro, pero basado en algunos de los mayo-res logros de la ciencia y de la tecnología del siglo XX; incluyendo el desarro-llo de la mecánica cuántica, la microelectrónica y la conquista del espacio.

A pesar de estos antecedentes relacionados con la alta tecnología, las célu-las solares son sorprendentemente fáciles de usar. Colocadas a la luz del sol,absorben la energía del sol y la convierten en electricidad. Estas células, sinembargo, parecen destinadas a cambiar la forma en que nosotros pensamossobre la energía y su producción.

1Introducción

1

2 Energía fotovoltaica

Cómo funcionan las células solares

La Figura 1 muestra una célula solar típica actual. La célula está fabricada deuna lámina delgada de silicio (el mismo material usado en microelectrónica), deun tamaño aproximado de 10 × 10 centímetros –como el tamaño de un discocompacto– y únicamente una fracción de milímetro de grosor. Una capa de metalcon un dibujo geométrico cubre parcialmente el lado expuesto a la luz del solhaciendo contacto eléctrico con ella, con un segundo contacto de metal cubrien-do la mayor parte de la superficie inferior. Cuando la luz del sol cae sobre lacelda, se genera una salida eléctrica entre estos contactos permitiendo usar lasceldas como una batería que, en principio, puede durar tanto como el sol brille.

Las células solares raramente se venden individualmente. Generalmente seconectan 36 células dentro de un paquete impermeable conocido como «mó-dulo» solar o fotovoltaico (Figura 2). Una lámina de cristal endurecido formala superficie superior de este módulo para proteger las celdas del severo am-biente exterior en el que operan. Algunos fabricantes garantizan los móduloshasta 25 años, un periodo de garantía igualado por pocos fabricantes de otrosproductos (una olla de cocina es uno de los pocos productos con similar perio-do de garantía).

Cuando reciben la luz del sol, los módulos solares pueden generar cargaseléctricas de la misma forma que una batería de coche. En el pasado su utili-dad principal ha sido la generación de cantidades pequeñas de electricidad enáreas donde no hay otra electricidad disponible, tales como áreas rurales re-motas en Australia. Con la reducción de los costos de las células solares y laurgente necesidad de encontrar mejores métodos de suministro de energía, losmódulos están siendo usados en gran número en áreas urbanas; particular-

Figura 1 Célula solar de silicio vista desde su parte superior e inferior. La luz del sol entra desdearriba y es absorbida dentro de la lámina de silicio que forma el cuerpo de la célula creando unasalida eléctrica entre los contactos superior e inferior.

Contacto superior

Lámina de silicio Contacto inferior

3Introducción

mente en la casa particular. En un futuro, más o menos cercano, conforme laindustria crezca y los precios se reduzcan más, las células solares se usarán agran escala codo con codo con centrales eléctricas convencionales, como semuestra en la Figura 3. En un futuro más lejano, más allá del año 2050, casitoda la energía del mundo podrá ser generada por estas células.

¿Por qué no ahora mismo?

Las células solares son seguras, limpias, silenciosas, duraderas y fiables ypueden ser instaladas casi en cualquier sitio donde puedan «mirar» al sol: enlos tejados de las casas o de los vehículos de motor, integradas en las fachadasde los edificios, en picos de montañas nevadas o en las tierras baldías de losdesiertos.

¿Dónde está el problema? ¿Por qué no las estamos usando más ahora mis-mo? En el pasado el problema ha sido los elevados costes de las células. Laelectricidad que producen ha sido mucho más cara que los métodos conven-cionales de generar electricidad. Por supuesto la diferencia de coste real hu-biera sido menos si se hubieran tenido en cuenta los costes medioambientalesy sociales.

Todo esto está cambiando. Como se muestra en la Figura 4 los costes de lascélulas se han reducido notablemente conforme la cantidad fabricada se haincrementado. La buena noticia es que esta tendencia continuará tanto por elincremento del volumen fabricado como por las nuevas tecnologías usadas encélulas solares de bajo coste.

Figura 2 Móduloestándar de célulassolares mostrando 36células conectadasjuntas dentro de unpaquete impermeablecon una lámina decristal endurecidoque forma su super-ficie superior.


Las células solares se han convertido en «asequibles» para mucha más gen-te. Cualquiera que pueda permitirse el lujo de comprar una casa en el mundooccidental se puede permitir la instalación de células solares en el tejado parasatisfacer la mayoría de las necesidades de electricidad de la casa o inclusovender el exceso de energía a la compañía eléctrica local.

Esta realidad se está produciendo por el crecimiento masivo de su uso congobiernos en Japón, Estados Unidos y Europa batallando para ver quién es elprimero en tener un millón de casas alimentadas por células solares (todos hananunciado el año 2010 como la fecha objetivo para alcanzar esta meta).

Estas iniciativas están incrementando la confianza dentro de la industria yal mismo tiempo incrementando el tamaño del mercado. Por ambos hechos seespera que se reduzcan sustancialmente los costes de fabricación. Dentro deuna década el uso de las células solares en casas urbanas privadas puede bajarlos costes al nivel en el cual las células solares serían ampliamente competiti-vas, incluso usando la economía estándar que ignora los costes medioambien-tales y sociales del enfoque convencional.

Dentro de dos a tres décadas las centrales eléctricas, como la mostrada enla Figura 3, serán también probablemente competitivas. Eventualmente lascélulas solares podrían suministrar el método más barato conocido de generarelectricidad.

Panorama futuro

En un estudio que exploraba varios de los futuros suministradores de ener-gía, incluyendo carbón «limpio» y energía nuclear «segura», Bent Sorenson

Figura 3 Plano de la central eléctrica de Rancho Secco en California con un gran campo fotovoltaico(en primer plano) instalado junto a la central nuclear (esta última está siendo clausurada después delincremento de la preocupación acerca de su seguridad que dio lugar a un referéndum público en1989).

5Introducción

de Rothskilde University (Dinamarca), ha calculado que cubriendo solamenteel 1% del área de los centros urbanos con células fotovoltaicas, usando lostejados y las fachadas de los edificios, y el 0,01% de las tierras de labranza(aproximadamente el 25% de los tejados de las casas de labranza) se generaríamás electricidad que la producida mundialmente en 1998. Alternativamente,cubriendo solamente el 1% de la tierra clasificada como «marginal» por elEstudio Geológico de los Estados Unidos de 1997 (desiertos y monte bajo)con centrales eléctricas fotovoltaicas, como en la Figura 3, se satisfarían nosolo todas las necesidades de electricidad del mundo, sino sus necesidadesenergéticas totales (la electricidad producida por las células necesitaría seralmacenada en productos químicos, por ejemplo, hidrógeno o metano, parausos como vehículos de motor o aviones que requieren combustible con grancontenido energético en un volumen pequeño).

¿Es viable esta transición en el uso de la energía en un periodo de 50 años?Muchos piensan que esto es posible, incluyendo algunos de los protagonistasprincipales de la industria energética actual. Por ejemplo, Cör Herkströter, elpresidente de Royal Dutch/Shell, ha especulado que para el 2050 la mitad delnegocio de la compañía será en energía renovable, como la solar y la eólica, lacompañía ha anunciado recientemente un programa de 500 millones de dóla-res y cinco años de duración para incrementar la participación de la compañíaen energías renovables, particularmente células solares. Otro gigante del pe-

Figura 4 Precio de la célula solar trazado con relación a la capacidad de generación eléctricamedida en megavatios. Históricamente los precios de las células solares se han reducido poco másdel 20% por cada vez que se dobla la cantidad fabricada.

Transporte acumulado (megavatios)

Prec

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tróleo, British Petroleum, ha hecho anuncios similares a través del responsa-ble de su división solar anunciando: «Un día esta industria (la solar) será tangrande como la del petróleo».

A corto plazo una cosa que las células solares pueden hacer, difícil paraotros enfoques convencionales, es elevar el estándar de vida de algunas de laspersonas más pobres del mundo para aquellos que viven en áreas rurales enlos países en vías de desarrollo. Alrededor de 2.000 millones de personas entodo el mundo no tienen acceso a la electricidad porque es demasiado cara desuministrar por medios convencionales osea, largos cables eléctricos trans-portando pequeñas cantidades de electricidad. Las células solares pueden ha-cer este trabajo mucho mejor.

***

La primera parte de este libro explica cómo las células solares conviertencasi mágicamente la luz del sol en electricidad, un legado de las decisivascontribuciones a la teoría de la luz y el efecto fotoeléctrico de Albert Einstein.Este libro explora la accidentada historia del desarrollo de las células solaresdesde los principios de los años 40 cuando las primeras células de silicio fue-ron descubiertas accidentalmente e introduce el estudio de las células solaresde «película delgada», que auguran un futuro muy prometedor.

La segunda parte del libro describe actividades alrededor del mundo quepromueven el uso residencial de células fotovoltaicas incluyendo cómo algu-nos propietarios de casas pueden ser involucrados en este uso y por qué hacer-lo. Después de describir algunos de los proyectos arquitectónicos más excitantesdonde se utilizan células solares, se describe cómo las células podrían tam-bién cubrir las necesidades de aquellos en los países en vías de desarrollo.

Lectura adicional

Sorenson Bent (1999) «Long term scenarios for global energy demand and supply». ReportTEKST, vol. 359, January, Rothskilde University, Denmark. (Expone los cuatro posi-bles escenarios energéticos futuros basados en el uso de combustibles fósiles sin emi-siones netas de dióxido de carbono, centrales nucleares con reducción de accidentes yproliferación de riesgos y energías renovables).

Street, William (1999), «Technology 1999 analysis and forecast: power and energy», IEEESpectrum, January, The Institute of Electrical and Electronic Engineers, New York, pp.62-67. (Explica porqué la energía fotovoltaica está a punto de convertirse «en un grannegocio»).

2Física cuántica, semiconductores

y células solares

7

Para comprender cómo una célula solar produce electricidad de la luz delsol debemos comentar brevemente algunos de los descubrimientos másexcitantes de la ciencia y la tecnología del siglo XX. Necesitaremos volver alcomienzo del siglo con el nacimiento de la física cuántica. Después saltare-mos cincuenta años hasta los primeros días de la microelectrónica.

Los cuantos de luz de Einstein

Algunas de las mentes más brillantes de la historia han intentado compren-der la luz. Isaac Newton (1642-1727), una de las «vacas sagradas» de la cien-cia, dio un gran salto en el estudio de la luz y sus propiedades. Él imaginó laluz como una corriente de pequeñas partículas, como bolas de billar en minia-tura. Experimentos en los siglos XVIII y XIX mostraron que esta definicióntenía que ser errónea –la luz tenía que actuar como una onda, como las ondu-laciones en un lago. Esto explicaba lo que hoy son conocidos como los efectos«interferencia»– la gama de colores vistos a menudo en la superficie de lasburbujas de jabón, en la superficie resbaladiza de aceite de la carretera o in-cluso los colores del arco iris.

Al comienzo del siglo XX los físicos estaban muy confundidos porque nopodían explicar las propiedades de la luz generada por cuerpos calientes comoel sol. Max Planck (1858-1947) demostró que podía explicarse el comporta-miento real de la naturaleza si se asumía que los cambios energéticos produci-dos dentro de un cuerpo caliente pueden ocurrir solamente por pequeños pa-sos denominados «cuantos». Esta pista desencadenó una revolución en la físicadel siglo XX.


Albert Einstein (1879-1955), muy conocido por su trabajo acerca de larelatividad, también contribuyó de manera brillante en otras áreas de la física,incluyendo la física de los cuantos o «física cuántica». Su algo retrasado Pre-mio Nobel en 1921 fue concedido por «sus servicios a la física teórica y espe-cialmente por su descubrimiento de la ley del «efecto fotoeléctrico», que im-plicaba la contribución clave de Einstein a la física cuántica. La contribuciónde Einstein en esta área es descrita en la introducción de su artículo de 1905sobre los cuantos de luz. Abandonando la idea clásica de la luz como unaonda, Einstein propuso que la energía de la luz no se expandía continuamenteen el espacio sino que «consiste en un número finito de cuantos de energíaslocalizados en puntos del espacio que se mueven sin dividirse y que puedenser absorbidos o generados solamente como unidades completas» de vuelta alas ideas corpusculares de Isaac Newton.

Einstein apuntó que las bien conocidas propiedades de la luz como unaonda no contradecían esta interpretación corpuscular. En sus efectos, la luz nose comporta ni como una onda ni como una bola de billar sino como algodiferente a la experiencia diaria. Siguiendo las ideas de Einstein podemospensar que la luz del sol viene en pequeños paquetes de energía como se muestraesquemáticamente en la Figura 5. Estos cuantos de luz son ahora conocidoscomo «fotones».

Figura 5 Dibujo de un cuanto de luz del sol. La luz llega del sol en paquetes de energía conocidoscomo fotones visibles para el ojo como colores.

Ultravioleta

Violeta

VerdeRojo

Fotones infrarrojos

9Física cuántica, semiconductores y células solares

El ojo humano no puede ver todos los fotones que vienen del sol, solamen-te la luz visible que abarca los siete colores del arco iris, desde el rojo hasta elvioleta. Cada paquete (en términos de la energía que contiene) tiene aproxi-madamente el doble de tamaño que la luz tanto en el extremo violeta del es-pectro del arco iris como en el extremo rojo. El tamaño del paquete es inclusomayor para la luz ultravioleta, razón por la que ésta nos produce las quemadu-ras del sol. Más allá de la luz roja hay una luz infrarroja de baja energía. Denuevo el ojo no puede verla aunque dispositivos como cámaras sensibles alcalor lo consiguen. Aunque el tamaño del paquete es el más grande para losfotones ultravioletas afortunadamente para nosotros hay pocos de ellos. Lamayoría de la energía del sol (tamaño del paquete multiplicado por número depaquetes) realmente viene de las longitudes de onda del rojo y del verde a lascuales nuestros ojos son muy sensibles. Esto indudablemente no es pura ca-sualidad es el resultado de la evolución o del «gran diseño», o de ambos, de-pendiendo del punto de vista.

La evidencia a la que Einstein apeló para sostener sus ideas de los cuantosde luz vino de los experimentos de otros científicos que habían estudiado elefecto fotoeléctrico, la interacción de la luz con conductores de metal. El efec-to «fotovoltaico», en el cual se basan las células solares, implica la interacciónde la luz con materiales conocidos como «semiconductores». Estos materialestienen propiedades a medio camino entre las de los metales, buenos conducto-res de electricidad y los aislantes, muy poco conductores.

Semiconductores

El silicio, uno de los semiconductores más comunes, sustenta la industriade la microelectrónica, la revolución de la informática, la era de la informa-ción y otras áreas de rápido crecimiento revolucionadas por la electrónicamoderna. El silicio tiene un número atómico de 14 que significa que un átomode silicio aislado consta de 14 electrones (partículas cargadas negativamente)rodeando un núcleo central denso (centro cargado positivamente) como unsistema solar en miniatura. Diez de esos 14 electrones están estrechamenteatados a este núcleo y carecen de interés, al menos no lo tienen para las célulassolares.

Los cuatro electrones restantes determinan cómo los átomos de silicio seorganizan entre sí para formar un material de silicio sólido. El silicio sólidodestinado a las células solares se fabrica extrayendo silicio de la arena (com-puesta de silicio y oxígeno), fundiéndolo y después enfriándolo lentamente. Elsilicio se congela con los átomos haciendo lo posible para organizarse en unpatrón muy particular. Cada átomo de silicio intenta unirse con cuatro átomos


vecinos como en la Figura 6. El «pegamento» que vincula los átomos juntosson dos electrones compartidos, uno de cada átomo. Recordando que cadaátomo de silicio tiene cuatro electrones que no están fuertemente unidos, todofunciona perfectamente si cada átomo de silicio está rodeado por otros cuatroátomos exactamente.

Como la electricidad es justamente el flujo de electrones, el silicio es unpobre conductor de electricidad cuando todos los electrones están restringidosen enlaces, como en la Figura 6, por lo tanto actúa como un aislante. Sinembargo, estos enlaces pueden ser rotos si se les excita suficientemente, porejemplo por un fotón energético desde el sol. Una vez liberados del enlace(como se muestra en la Figura 7) el electrón se puede mover a través del silicioy contribuir al flujo de la corriente eléctrica. El silicio con enlaces rotos actúacomo un conductor.

Todo esto da una pista de por qué el silicio es conocido como semiconduc-tor. Algunas veces actúa como un aislante y otras como un conductor. Ahoraestamos cerca de comprender cómo funciona una célula solar.

Los electrones liberados de los enlaces son capaces de moverse a través delsemiconductor. Más sorprendentemente, los mismos enlaces rotos se puedenmover. Esto ocurre así porque es muy fácil para el electrón de un enlace veci-no saltar dentro de un sitio vacante dejado por el enlace roto (ver Figura 7).Este salto restaura el enlace roto originalmente, pero deja un nuevo enlaceroto detrás.

De este modo el enlace roto se puede mover a través del silicio. Paravisualizar este movimiento el enlace roto puede ser imaginado como una par-tícula (llamada un «hueco»), algo así como una burbuja. Tal y como dos nega-tivos son iguales a un positivo, el hueco tiene una carga eléctrica contraria a ladel electrón liberado. Cuando un fotón rompe un enlace en el silicio, se creanun electrón cargado negativamente y un hueco cargado positivamente, cono-cido como un «par electrón-hueco».

Las versátiles propiedades del silicio

Además de la excitación por la luz, las propiedades del silicio pueden seralteradas por otros medios, por ejemplo añadiendo pequeñas cantidades de im-purezas. (Esta es una de las razones de por qué es muy importante en microelec-trónica.) Por ejemplo si se añade una pequeña cantidad de fósforo a silicio derre-tido, el silicio solidificado contendrá átomos de fósforo en algunas posicionesdonde el silicio debería estar, como se muestra en la Figura 8(a).

El fósforo tiene cinco electrones poco unidos a su núcleo central. Cuatro deellos se usan en los enlaces entre los átomos de silicio vecinos, pero el quintose encuentra descolocado. Está solamente unido débilmente al átomo de fós-


Figura 6 Esquema de cómo los átomos de silicio intentan distribuirse durante el enfriamientodespués de la fusión. Cada átomo de silicio se ata a cuatro átomos vecinos (la disposición realimplica una tercera dimensión, pero es difícil de visualizar y de dibujar).

Figura 7 Silicio con un electrón liberado de un enlace por un fotón energético, por ejemplo. Elelectrón liberado es libre para moverse a través del semiconductor, como también el enlace roto.

electrón atado«salta» dentrode un hueco(enlace roto)

electrónlibre

enlace formadopor dos electronescompartidos

átomo de silicio


Figura 8 (a) Silicio con pequeñas cantidades añadidas de fósforo. (b) Silicio con pequeñas canti-dades de boro.

átomo de boro

electrón extra

átomode fósforo


foro original y puede ser muy fácilmente arrancado. Una vez separado actúade modo igual a un electrón liberado por absorción de luz.

Si una impureza diferente como el boro, con solo tres electrones débilmen-te atraídos a su núcleo, es introducida del mismo modo, se formarán enlacescompletos solamente con tres de los átomos de silicio vecinos, como se mues-tra en la Figura 8(b). Añadir o implantar boro, es un buen método para intro-ducir enlaces rotos o huecos en el material semiconductor.

Silicio incrustado con fósforo es un conductor razonablemente bueno porqueestá lleno de electrones sueltos o libres. Debido a que está lleno de estos porta-dores de carga negativa es conocido como tipo negativo o material tipo-n. Sili-cio incrustado con boro es también un conductor razonablemente bueno por-que contiene muchos huecos, portadores de carga positiva. Evidentementeeste material es conocido como tipo positivo o material tipo-p.

Uno de los dispositivos más importantes de toda la microelectrónica estáformado por la unión entre materiales tipo-p y tipo-n. De hecho estas unionesp-n pueden ser consideradas como los componentes básicos de la microelec-trónica y uno de los inventos más importantes de la historia del hombre. Estasuniones son también los elementos clave de las células solares.

Visión global

Basado en lo que nosotros sabemos ahora se está en la mejor posición paraapreciar que sucede dentro de una célula solar. La síntesis se muestra en laFigura 9. Fotones de la luz del sol entran dentro del silicio a través de losespacios entre el contacto superior de metal. Una vez en el silicio los fotonesmás energéticos son absorbidos suministrando su energía a los electrones ori-

Figura 9 Los fotonesde la luz del sol liberanelectrones de los enlacesdel silicio, creando elec-trones móviles y huecos.La unión p-n produceque cada uno de ellosvaya en direccionesopuestas. Los electronesfluyen a través de la car-ga externa y se encuen-tran con los huecos en suretorno.

luz del sol

carga eléctrica

fotones

tipo-p

tipo-n

electrón

huecocélula solar


ginalmente restringidos en los enlaces que mantienen unidos los átomos desilicio. Los protones liberan portadores de carga eléctrica, electrones y hue-cos, dentro del material de silicio.

La unión p-n es la parte final de tecnología requerida para completar lafotografía. Se necesita algo para fomentar que todos los electrones liberadosse pongan en marcha en la misma dirección y todos los huecos se muevan enla dirección opuesta.

Los electrones liberados pueden fluir más fácilmente en la región dondehay muchos de ellos, esto es, el lado tipo-n del dispositivo. Los huecos (enla-ces rotos) fluyen más fácilmente en la región tipo-p. Aunque los detalles sonimperceptibles, el resultado final es que esta asimetría causa un flujo direccionalde electrones, liberados por la luz, del lado tipo-p al tipo-n de la unión p-n y unflujo de huecos en dirección opuesta. Si se conecta una carga eléctrica entrelas regiones tipo-n y tipo-p, el flujo de electrones continúa a través de la carga,de vuelta al lado tipo-p del dispositivo, donde cada electrón se acoplará con unhueco. Los enlaces serán restaurados y el circuito eléctrico completado.

Puntos importantes

Las secciones anteriores han llevado al lector en una relampagueante visitapor la física y la microelectrónica del siglo XX. Nada importante relativo alfuncionamiento de la célula solar ha sido olvidado. El punto principal a recor-dar es que las células solares funcionan como dispositivos «cuánticos». Cadafotón de la luz del sol, si tiene suficiente energía, puede producir que un elec-trón fluya en el circuito externo conectado entre los contactos de la célula. Losfotones en la luz del sol pueden ser intercambiados por dichos electrones ideal-mente «uno a uno».

Esta conversión «uno a uno» es muy importante para la eficiencia del pro-ceso global (eficiencia es la cantidad de electricidad que la célula solar produ-ce para una cantidad dada de luz del sol incidiendo en la superficie de la célu-la). Un fotón azul, con el doble de energía que un fotón rojo, produce idealmenteel mismo resultado que el rojo, ambos producen un solo electrón fluyendo através de la carga eléctrica. Claramente, la energía del fotón azul no se usa deforma muy efectiva. En buena parte como resultado de este efecto, la eficien-cia de una célula solar estándar está limitada a un máximo de aproximada-mente el 33%. Sólo alrededor de un tercio de la energía de la luz del sol inci-dente puede ser convertida en energía eléctrica con la garantía de que dostercios serán desaprovechados. Las mejores células solares comerciales sonaproximadamente la mitad de eficientes que en el caso ideal, con valores deeficiencia generalmente en el rango del 10-18%.

Esta situación no es tan negativa como podría parecer. Mucha de la luz delsol que alcanza la tierra sería desaprovechada si no se transformara. La efi-


ciencia de conversión de energía de una célula solar es, por tanto, un pocodiferente que la eficiencia de generar electricidad quemando combustible fó-sil, ya que es mejor dejar la mayor cantidad posible de combustible en latierra, dadas las consecuencias medioambientales de quemarlo.

Otro resultado del proceso cuántico dentro de una célula solar es algo quemucha gente encontraría sorprendente. Las células solares trabajan mejor abajas temperaturas que a altas temperaturas. En resumen el intercambio cuánticode un fotón por un electrón no varía a bajas temperaturas. Sin embargo, la fugade electrones de vuelta a través de la unión del lado tipo-n al lado tipo-p (y dehuecos en la dirección opuesta) disminuye conforme la temperatura se reduce,resultando en un incremento de eficiencia. Algunas de las mejores eficienciasjamás medidas provienen de células solares llevadas al Polo Sur en un innece-sariamente complicado, pero atrevido, modo de demostrar este efecto.

***

En resumen, una célula solar, consistente en una unión semiconductorap-n, transforma los fotones emitidos por el sol en electrones que fluyen a tra-vés de la parte eléctrica conectada entre sus contactos. Esta actúa casi de for-ma similar a una batería química estándar (como las de una radio o del coche)mientras el sol está brillando.

Lectura adicional

Green, M.A., (2000), Solar Cells: Operating Principles, Technology and SystemApplications (2nd edition), Centre for Photovoltaic Engineering, University of NSW,Sydney. (Este libro de texto introductorio, escrito por el autor, ha sido ampliamenteusado en las versiones inglesa y en otros idiomas y sería adecuado para una orientaciónmás matemática).

Zweibel, K. and Hersch, P. (1984), Basic Photovoltaic Principles and Methods, Van NostramReinhold, New York.

3Historia de la fotovoltaica

17

Descubrimiento accidental

Aunque existían células solares rudimentarias fabricadas de otros diferen-tes materiales ya en 1839, la primera célula solar de silicio fue fabricada ente-ramente por accidente a comienzos de 1940 cuando Russell Ohl, un investiga-dor de los Bell Telephone Laboratories en New Jersey, hizo un descubrimientoimportante. Cuando hizo brillar una linterna sobre una pieza de silicio, la agu-ja del voltímetro conectado saltó hasta una lectura sorprendentemente eleva-da.

Investigando este hecho, él y sus colegas encontraron que el silicio teníadiferentes propiedades en diferentes áreas que ellos llamaron tipo-positivo(tipo-p) y tipo-negativo (tipo-n), dependiendo del lado en el que mostraran elvoltaje más positivo. Estos términos todavía son usados. Nosotros ahora sabe-mos que, debido al modo en que sus muestras de silicio fueron preparadas,éstas tenían cantidades de boro y fósforo en diferentes áreas.

Esto condujo al descubrimiento de una unión entre estos dos tipos, la uniónp-n (como se explicó en el Capítulo 2). Una rápida mejora en el entendimientode las propiedades clave de los semiconductores condujo al nacimiento de laindustria de la microelectrónica.

Durante los años 50, la industria de la electrónica del semiconductor evo-lucionó muy rápidamente como también el diseño de células solares despuésde la demostración del primer transistor también en los Bell Laboratories en1948. William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain recibieron el Premio


Nobel en 1956 por este gran avance que ha conducido a la invasión de laelectrónica.

La primera célula solar eficiente, de nuevo fabricada en los Bell Laborato-ries, se hizo pública en 1954, atrayendo los titulares de la primera página delNew York Times: «el vasto poder del sol se aprovecha por medio de una bateríausando ingredientes de la arena» (26 de abril), y en el Wall Street Journal. Elrápido progreso en las técnicas para preparar material de silicio y para haceruniones p-n de modo controlado produjo mejoras masivas en el comporta-miento de las células solares durante los años cincuenta. Para el final de ladécada las células solares podían convertir aproximadamente el 14% de la luzdel sol disponible en electricidad.

Las primeras células generaron un enorme alboroto, estimulado por losposibles nuevos usos de esta tecnología, sin embargo eran demasiado caras enese tiempo para usos tan especializados. Una de tales aplicaciones fue rápida-mente descubierta entre las superpotencias durante la carrera espacial.

El programa espacial

En 1958 las primeras células solares fueron enviadas al espacio en el saté-lite estadounidense «Vanguard I». Este diminuto satélite estaba equipado conun pequeño módulo de célula solar que alimentaba un transmisor de radio.Las células funcionaron tan bien que el transmisor se mantuvo transmitiendoseñales de radio durante los siguientes años, interfiriendo las señales de radioen el espacio.

Estaba claro que las células solares eran idealmente apropiadas para el usoespacial. A lo largo de los años 60 las células fueron usadas como fuente deenergía para el creciente número de satélites. Cuando los satélites comenza-ron rutinariamente a ser usados para retransmitir señales de radio, televisión yteléfono de un lado a otro del globo, la industria de la fabricación de célulassolares espaciales tenía el futuro asegurado. Una brillante industria creció ha-ciendo células para naves espaciales. Más recientemente, el incremento masi-vo en el número de satélites para satisfacer las demandas de los teléfonosmóviles y de las conexiones de Internet de alta velocidad ha estimulado másesta industria de la célula espacial. Más de mil satélites propulsados por ener-gía solar probablemente serán lanzados en esta década.

La crisis del petróleo

El embargo de petróleo del Oriente Próximo durante el comienzo de losaños 60 puso de relieve la dependencia del petróleo, y de los combustiblesfósiles en general, del mundo occidental. El embargo provocó escasez de pe-


tróleo en muchas partes del mundo llevando a una búsqueda urgente de alter-nativas al petróleo.

La industria de las células solares, principalmente involucrada en suminis-trar células para naves espaciales, respondió preparando planes para el desa-rrollo de células solares baratas para su uso en tierra. Estos planes requirieronuna enorme reducción en el coste de las células, inicialmente mejorando eco-nómicamente la tecnología basada en láminas de silicio y luego cambiando aun enfoque de «lámina delgada» de intrínsecamente mucho más bajo coste.

En el enfoque de película delgada una capa delgada de semiconductorfotoactivo es depositada sobre un sustrato o superestrato de soporte, un trozode cristal por ejemplo, como se muestra en el diagrama de la Figura 10. Estaorientación es inherentemente mucho más barata que usar una célula de discode silicio auto-soportada como se mostró anteriormente en la Figura 1 (pág.2). No sólo se ahorra una gran cantidad de material sino que la unidad fabrica-da en vez de ser una célula de 10 × 10 centímetros se convierte en un móduloque puede tener un área cien veces mayor, disminuyendo los costes de fabrica-ción.

Los planes de la industria de células solares fueron aceptados por el gobier-no de los Estados Unidos, que configuró un programa bien coordinado paraalcanzar estos objetivos. Al programa se le dio un gran empujón tras la elec-ción de Jimmy Carter como presidente de los Estados Unidos en 1977.

Figura 10 Capa de película delgada de una célula solar depositada sobre un superestrato de sopor-te de cristal.

Superestrato de cristal

Lámina delgada

Cubierta inferior


El programa alimentó el nacimiento de la industria de células solaresterrestres con una serie de proyectos de demostración, dirigidos a aplicacio-nes potenciales de la energía fotovoltaica. Un resultado particularmente sig-nificativo de este programa fue el desarrollo de técnicas fiables y de bajocoste para empaquetar las células de oblea de silicio en módulos e investigarmétodos para reducir el coste del material de silicio usado en las celdas. Enlos años 80 este programa había ayudado a crear una pequeña pero estableindustria de células solares terrestres capaz de suministrar productos de altacalidad para áreas de mercado clave. Estas fueron principalmente regionesremotas donde no había fuentes de energía fiables, particularmente para lastelecomunicaciones, y en programas de demostración subvencionados porel gobierno.

Las células solares pierden la batalla

La administración de Jimmy Carter con su actitud de apoyo a las energíasrenovables fue seguida por la administración de Ronald Reagan que parecióantagónica a todas estas ideas. Los recursos se transfirieron a la Iniciativa deDefensa Estratégica, un gran plan para proveer de un paraguas de defensacontra cualquier misil proveniente del exterior, coloquialmente conocida comola «Guerra de las Galaxias». La financiación para energías renovables dismi-nuyó dramáticamente.

Las consecuencias se sintieron casi inmediatamente en los Estados Uni-dos. Investigadores de las universidades fueron forzados a cambiar a camposno solares para obtener los fondos necesarios para los honorarios de los estu-diantes post-graduados y para sus programas de investigación. Muchos de losinvestigadores de primera fila que habían sido atraídos a la investigación solardurante la administración Carter se cambiaron a otros campos y nunca hanretornado. Otros países, casi sin excepción, siguieron su ejemplo y redujeronel tamaño del ámbito de sus programas de energía renovables. Esta compla-cencia fue hecha añicos por un incidente con un reactor nuclear en Rusia.

Las células solares vuelven a escena

Los reactores nucleares son un método excelente para la generación deenergía siempre que estén competentemente diseñados, operados y manteni-dos; la experiencia necesaria para su especificación, construcción y operaciónno es muy diferente de la necesaria para el desarrollo y proliferación de armasnucleares; y se pueden encontrar métodos adecuados para el almacenamientode los desechos nucleares para los más de 10.000 años que se mantienen altoslos niveles de radiactividad.


Las consecuencias del incumplimiento de solo algunas de estas condicio-nes salieron dramáticamente a la palestra para el mundo, y la comunidad euro-pea en particular, por el accidente nuclear en Chernobyl en abril de 1986.Además de las nefastas consecuencias en los vecindarios de los alrededores,durante días una nube de material radioactivo se extendió sobre el norte deEuropa amenazando las cosechas y los ganados. El incidente fortaleció la de-terminación en contra del uso de reactores nucleares en Europa e intensificólos programas que perseguían el desarrollo de medios más aceptables de ge-neración de electricidad.

Estamos comenzando a ver sus consecuencias. En 1998, el 6% de toda laelectricidad producida en Dinamarca era generada a través de la energía delviento, a buen ritmo para alcanzar el objetivo a corto plazo del 25%. En Ale-mania la energía eólica suma el 1% partiendo de casi el 0% hace unos pocosaños. Además de estas iniciativas, el accidente de Chernobyl revitalizó losprogramas de investigación en energía fotovoltaica como medio, a largo pla-zo, para cumplir los requerimientos de electricidad (los recursos solares soncerca de 200 veces mayores que los recursos provenientes del viento, las olas,las mareas, los hidroeléctricos, la biomasa y los recursos geotérmicos combi-nados).

Desde el accidente de Chernobyl la preocupación sobre el uso de la energíanuclear ha continuado creciendo debido, por ejemplo, al conocido uso de reac-tores nucleares civiles en programas militares para armamento nuclear en Iraky Pakistán o en las cambiantes circunstancias económicas y políticas en laantigua Unión Soviética o en el incremento del riesgo debido al inadecuadomantenimiento de las plantas nucleares. El contrabando de material radiactivo,presumiblemente con propósitos clandestinos ha sido también ampliamentedenunciado. La proliferación de reactores nucleares solo puede llevar al incre-mento en el futuro de problemas de este tipo.

Con los programas de energía fotovoltaica de nuevo en marcha por el te-mor nuclear de Chernobyl ha añadido urgencia a la creciente evidencia cientí-fica del severo impacto medioambiental de los medios tradicionales de gene-ración de electricidad.

Calentamiento global: el efecto invernadero

El uso de combustibles fósiles para suministrar los requerimientos energé-ticos mundiales siempre ha sido un negocio sucio. La lluvia ácida y la nieblatóxica petroquímica son dos consecuencias bien conocidas con enormes cos-tes sociales y medioambientales. Generalmente la comunidad en su totalidadcorre con estos costes en vez de las compañías que consumen estos combusti-bles fósiles.


En los años noventa, creció la preocupación científica y pública sobre lasfuturas consecuencias del uso de combustibles fósiles para suministrar la energíamundial. Se conoce desde hace tiempo que los niveles de dióxido de carbonoen la atmósfera se están incrementando como resultado directo de la actividadhumana. También hay pocas dudas de que la temperatura de la superficie de latierra se eleva constantemente con un incremento de 1°C documentado en elúltimo siglo. Hasta ahora 1998 es el año más caluroso registrado, siendo elanterior más caluroso 1997. Parece casi seguro que estos hechos están relacio-nados y el incremento de la temperatura registrado en las últimas décadas esuna consecuencia directa de la liberación de dióxido de carbono y otros gasesrelacionados en la atmósfera. John Browne, Vicepresidente Ejecutivo de BP,resume la situación actual (Street, 1999, ver Capítulo 1):

Por supuesto la ciencia del cambio climático es … provisional y siemprelo será. Pero hay una creciente evidencia de que la concentración de dióxidode carbono en la atmósfera se está elevando y la temperatura de la superficiede la tierra se está incrementando. Hay grandes áreas de incertidumbre, acer-ca de causa y efecto y sobre sus consecuencias. Pero sería poco prudente ypotencialmente peligroso ignorar esta creciente preocupación.

Si los continuos incrementos de los niveles atmosféricos de dióxido decarbono continuaran sin revisar el nivel podría duplicarse aproximadamenteen el 2050 con una estimación de un incremento de temperatura de 2°C sobrela temperatura actual. Esto podría tener efectos dramáticos sobre el clima. Elnivel del mar podría también subir debido a la fusión de los casquetes glaciaresen las regiones polares, inundando áreas muy pobladas. La frecuencia de eventosclimáticos extremos también es predecible que se incremente.

La preocupación expresada anteriormente ha provocado la reacción in-ternacional al más alto nivel. El acuerdo de Kyoto formulado en 1997 com-promete a los países a reducir las emisiones de gas para el 2010 desde un18% menos con respecto a los niveles de 1990 en el caso de Alemania hastapequeños incrementos en otros casos como un incremento del 8% en el casode Australia. Para conseguir incluso los compromisos más sencillos se hande producir cambios drásticos en el uso de la energía. Se han de estimularactividades que reduzcan las emisiones de gas, incluyendo el desarrollo ace-lerado de la energía fotovoltaica, la cual debe tener un gran impacto a largoplazo.

En muchos países se ha involucrado también a la población para reducirlos impactos medioambientales negativos. Se han lanzado una serie de inicia-tivas para promover el uso de las células solares incluyendo los esquemas deincentivos basados en el ratio y la fijación del precio verde.


Incentivos basados en el ratio y la fijación del precio verde

Comenzando en 1991 en el pequeño pueblo de Burgdorf en Suiza, se hanextendido alrededor del mundo numerosos programas para promover el usode la energía solar. Estos enfoques permiten a los miembros de la poblaciónpreocupada por asuntos medioambientales ayudar a contribuir a su solución.Se han desarrollado numerosos enfoques basados en la opción de individuos ocomunidades completas para pagar más por la electricidad generada de unmodo medioambientalmente responsable.

En los modelos de incentivos basados en el ratio de Burgdorf y Aachen losclientes dentro del distrito de la compañía energética pública votaron si desea-ban o no apoyar el desarrollo de energías renovables por un pequeño recargode aproximadamente el 1% en sus facturas de electricidad. El ingreso extra seusaba para pagar una prima por la electricidad generada de fuentes renovablesde capital privado. Estos enfoques surten efecto mejor en ciudades donde lascompañías energéticas públicas municipales son responsables del suministrode energía y los políticos locales tienen el poder para ejecutar estos planes.Esta es una situación común en Alemania donde más del 8% de la poblacióntiene acceso ahora a tales planes. Estos planes representan un 30% de todoslos productos fotovoltaicos vendidos en Alemania en 1997.

En los modelos de fijación del precio verde, los clientes individuales quedesean que se les suministre electricidad de fuentes sostenibles pagan unaprima. El proveedor de electricidad entonces se asegura de que la cantidad deelectricidad correspondiente a la cuota del cliente se suministra a la red eléc-trica desde una fuente renovable.

También se han desarrollado otro tipo de enfoques. En Zurich se introdujola «bolsa solar» donde se estableció un mercado separado para la electricidadsolar generada. La compañía energética municipal solicita ofertas de electrici-dad fotovoltaica generada de forma privada y selecciona la oferta más atracti-va. En las referencias de lectura adicional se puede encontrar una compara-ción sistemática de cada uno de estos enfoques.

Crecimiento de la industria de células solares

Para el comienzo de los años 80 la industria de la célula solar, conducidapor la crisis del petróleo de la década anterior, ha madurado razonablemente.Los procesos para la producción de células y módulos, como en las Figuras 1y 2, están ahora casi completamente estandarizados en toda la industria.

La industria ha crecido constantemente desde entonces, con el crecimientodesde 1990 mostrado en la Figura 11. Hasta 1996 la industria creció a unaproporción sustancial del 15-20% anual. En 1997 y 1998, el crecimiento fue


un explosivo 20-40% conducido por el rápido incremento del uso de la foto-voltaica en residencias particulares en áreas urbanas. Sólo en 1998 fueroninstalados más de 10.000 sistemas, con la previsión de doblar este número en1999. Más de tres millones de sistemas en casas urbanas están pendientes deser instalados para el 2010, basado en los objetivos anunciados por los gobier-nos en Europa, Japón, Estados Unidos y Australia.

Los precios de venta de los módulos solares han disminuido constantemen-te conforme los volúmenes producidos se han incrementado. La Figura 4(pág. 5) muestra cómo el precio medio al por mayor se ha reducido desdefinales de los años 70.

De modo muy interesante los puntos de datos históricos se encuentran muycercanos a ser una línea recta cuando se dibujan en el modo mostrado en laFigura 4. Cuanto más se produce de algo más barato resulta. La pendiente dela línea recta en la Figura 4 cuantifica la rapidez con la que esto está ocurrien-do en el caso de las células solares. La línea recta ajustada por los datos mues-tra que cada vez que se dobla el número total de módulos solares producidospor la industria, el coste cae un 77,5% del valor inicial. Si esta tendencia con-tinúa y la industria continúa creciendo al 30% anual (como desde 1996), lafotovoltaica reducirá al 50% su precio actual en 8 años. Si la industria crecesolamente al 20% anual alcanzará este precio en 11 años.

Figura 11 Crecimiento en el envío de módulos fotovoltaicos desde 1990 medido en megavatios(MV) de pico de capacidad de generación eléctrica.Fuente: PV Insider’s report.

Año

Envíos de módulos(MV)


Si los programas residenciales mencionados cumplen sus metas estableci-das la producción acumulada de la industria fotovoltaica estaría por encima delos diez gigavatios para el 2010, comparada con el valor de 900 megavatios alfinal de 1998. Si la proporción de reducción de precios documentada en laFigura 4 se mantiene o se incrementa por la nueva tecnología, los precios delas células podrían reducirse entre un tercio y la mitad de sus costes en 1998sobre este periodo.

***

Desde que la primera célula de silicio fuera construida casi por accidenteen los años 40, la tecnología ha progresado a trancas y barrancas. Durante losaños 50 y 60 recibió un gran empujón por la necesidad de una fuente energé-tica fiable y duradera para el uso espacial. Los embargos de petróleo de losaños 70 estimularon el interés en su uso terrestre. Los accidentes nucleares deThree Mile Island y Chernobyl en los años 80 seguidos por el incremento de laconcienciación del impacto de las emisiones de gas y del efecto invernaderoen los 90 fortalecieron la resolución para desarrollar tecnológicamente lascélulas solares a todo su potencial.

El incremento de la producción de las células ha visto una correspondientereducción en su coste, con una correlación entre estos dos factores sorpren-dentemente cercana. La participación pública directa en la compra y uso estáconduciendo a un crecimiento en la demanda de estas células sin precedentes,lo que las hará mucho más baratas durante la próxima década.

Lectura adicional

Gabler, H., Heidler, K. and Hoffman, VU. (1998), ‘Grid connected photovoltaic installationsin Germany – the success story of green pricing and ratebased incentives’, SecondWorld Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion, July,Vienna, Austria, pp. 3413-17.

Haas, R. (1998), ‘Financial promotion strategies for residential PV systems – an internationalsurvey’, Second World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar EnergyConversion, July, Vienna, Austria, pp. 333-38.(Ambos artículos muestran un buen estudio de los posibles enfoques para promover eluso residencial).

Perlin, J. (1999), From Space to Earth: The Story of Solar Electricity, AATEC Publications,Ann Arbor. (El primer libro que trata exclusivamente la historia de la energíafotovoltaica).

Riordan, M. and Hoddeson, L. (1997), Crystal Fire, Norton, New York. (Da una explica-ción interesante y emotiva del nacimiento de la industria de los semiconductores).

4Evolución tecnológica:

grueso y delgado

27

Características de la célula solar ideal

Los tres requisitos técnicos claves para la expansión de las células solaresson el bajo coste de fabricación, la alta fiabilidad y la alta eficiencia en laconversión de la luz solar en electricidad. La mayoría del trabajo de investiga-ción y desarrollo en la fotovoltaica está enfocado a uno o más de estos tresrequisitos.

Como se ha comentado anteriormente, las células solares siempre han sidodemasiado caras para su uso generalizado, aunque los costes disminuyen cons-tantemente cuantas más células se fabrican (ver Figura 4, pág. 5). Los méto-dos de fabricación de las células se están mejorando constantemente y todavíahay mucho margen para la mejora.

La fiabilidad ha sido una de las mayores virtudes tecnológicas. Las célulassolares pueden durar infinitamente ya que no hay proceso de desgaste. Con unempaquetamiento correctamente diseñado, se espera a largo plazo una vidaoperativa más larga que la de los equipos generadores de electricidad tradicio-nales. Los fabricantes ahora ofrecen garantías de producto de hasta 25 años.Lo más importante es que esta fiabilidad no sea sacrificada por el esfuerzo dereducir costes.

La eficiencia de conversión de la energía de la luz del sol determina el áreadel módulo solar requerido para una salida eléctrica dada. Muchos de los cos-tes de los materiales usados en el sistema también dependerán de este área.Costes tales como los de la lámina de vidrio que cubre las celdas son usual-


mente incluidos en los costes de producción de las células. Otros costes comolos de las estructuras, el cableado de interconexión y otros, deben ser añadidosestimando el valor que estos costes añadidos pueden tener (por unidad de área).Se calcula que es necesaria una eficiencia de conversión energética por enci-ma del 10% y preferiblemente por encima del 15% para mantener estos costesextra gestionables a largo plazo.

Elementos de las células solares

La mayoría de las células solares vendidas hasta ahora usan la tecnologíade «disco de silicio» mencionada en el Capítulo 1 en la cual la oblea de silicioforma la mayor parte de la célula.

El material de partida para estos discos podría ser arena, aunque se usanormalmente cuarzo puro (tanto la arena como el cuarzo están compuestos desilicio y oxígeno). Calentando con carbón se extrae el oxígeno, dejando elsilicio. Este silicio se purifica (por «destilación fraccional» como en el refina-do del petróleo, formando un compuesto de silicio volátil y re-extrayendo elsilicio después que este compuesto es purificado). Entonces el silicio purifica-

Figura 12 Transformación del cristal cilíndrico de silicio desde una masa fundida hasta una pe-queña semilla de silicio y corte en rebanadas de discos delgados del cristal (recortar los bordes esopcional).

cristal recortado(reciclado)

semilla

cristal

siliciofundido discos

29Evolución tecnológica: grueso y delgado

do se funde y se solidifica en un cristal en forma de semilla que actúa comoplantilla para el crecimiento de un cristal perfecto. El resultado final es unlingote cilíndrico de silicio como se muestra en la Figura 12. Una vez forma-do, el lingote es cortado en rebanadas de láminas individuales. Algunas veceses parcialmente «cuadrado» recortando los bordes y reciclándolos.

El siguiente paso es atacar la superficie del disco con productos químicospara eliminar la capa dañada formada durante el proceso de gofrado. Un se-gundo ataque químico produce minúsculas pirámides sobre la superficie deldisco (demasiado pequeñas para ser vistas por el ojo humano) aumentadasexageradamente en la Figura 13. Estas pirámides en miniatura reducen la re-flexión desde la superficie de silicio causando el reflejo hacia debajo de la luz,cuando primero golpea un lado de la pirámide.

Después viene la unión p-n. El disco comienza como «tipo-p», dado queuna pequeña cantidad de boro ha sido añadida deliberadamente a la masa fun-dida. El lado «tipo-n» de la unión p-n se forma permitiendo al fósforo filtrarsedentro de la superficie sólida del disco a alta temperatura, anulando el boro enesta región de la superficie.

Los contactos de metal se colocan en este momento. En el método estándar,se realiza por medio de un proceso de impresión con retícula similar al usadopara hacer camisetas personalizadas. Una pasta conteniendo partículas de metales comprimida a través de una pantalla sobre la superficie de la celda (la panta-

lámina

Figura 13 Célula solar basada en disco de silicio impreso con retícula cuyas características semuestran exageradamente ampliadas (y no a escala). Esta es una vista a corta distancia de la célulamostrada en la Figura 1 (pág. 2).

contacto de metal con dibujo

fósforo

tipo-n

tipo-p

metal

contacto de metal posterior


lla controla tanto el grosor como la forma del dibujo resultante). La celdaentonces es calentada para eliminar la pasta excepto el metal. Cuando el metales plata se obtienen los mejores resultados.

En la Figura 13 se muestra una vista de la sección transversal de la célulafinal. Las células estándares convierten sobre el 11-15% de la energía solarincidente en electricidad. Una vez empaquetada en módulos la eficiencia deconversión de la energía del módulo es un poco menor debido al espacio des-perdiciado por el armazón y los huecos entre las células, con eficiencias delmódulo cayendo en el rango del 10-13%.

Como mejorar la eficiencia

Dejando a un lado la necesidad de bajos costes, la Figura 14 muestra cómola eficiencia de la célula solar de silicio de laboratorio perfecta se ha elevadohasta cerca del 25% desde que los primeros dispositivos se construyeron enlos años 40, cerca del doble de la eficiencia del producto comercial estándar.¿Qué posibilidades hay de introducir estas mejoras recientes en el productocomercial? La respuesta es: todas.

Célula de contacto enterrado

Una nueva estructura de células solares comerciales conocida como célulasolar de contacto enterrado tiene muchas de las características de alta eficien-cia de las mejores células de laboratorio (ver Figura 15).

En vez de extenderse a través de la superficie y bloquear la luz del sol, loscontactos superiores son enterrados en profundas hendiduras dentro de la su-perficie de la celda. Usando las láminas de silicio de la misma calidad, lascélulas dan un 20-30% extra de energía sin coste adicional. Las células decontacto enterrado están ahora disponibles a través de BP Solarex en su líneade productos «Saturn». Las eficiencias de módulo están ahora en el rango del14-15% (con eficiencias de célula del 16-18%), las más eficientes disponiblescomercialmente. Potenciando la eficiencia sin incrementar los costes de pro-cesamiento los datos económicos de la célula se mejoran correspondientemente.

Sustratos de cinta

Producir un lingote cilíndrico de silicio y después cortarlo en discos no esun método particularmente refinado o eficaz para producir las grandes super-ficies del silicio necesitadas para generar energía. La creación de silicio direc-tamente como láminas de gran área sería más acertado.

Comercialmente, al proceso de cintas más avanzado se le denomina método de«crecimiento de alimentación de película definido desde el borde» Edge-defined


film-fed growth (EFG) mostrado en la Figura 16. En este enfoque, el silicio fundi-do se mueve hacia arriba entre las caras de un troquel de carbono formando unacinta, tal y como se saca de la parte superior del troquel. Actualmente se usanvariaciones mejoradas que producen un tubo nonagonal de silicio para la produc-ción comercial. Las células se construyen casi del mismo modo que los discosestándar, usando discos cortados por láser desde su cinta de silicio.

Película delgada

Los planteamientos anteriores ayudarán a reducir los precios de las células.Sin embargo, el mayor potencial de reducción de costes es eliminar enteramente

Figura 14 Evolución de laeficiencia de conversiónenergética de las mejorescélulas solares de silicio delaboratorio desde 1940 (elequipo del autor en la Uni-versidad de Nueva Gales delSur –UNSW– ha sido res-ponsable en gran parte de lasmejoras recientes, como semuestra en los puntos dedatos negros).

Eficiencia (%)

metal

óxido

tipo-p metal recubierto(contacto enterrado)

Figura 15 Célula solar decontacto enterrado donde unláser abre una hendidura en lasuperficie superior, permitien-do que sean los contactos su-periores ser enterrados en elsilicio (célula inventada por elautor y su colega Stuart Wen-ham).

p+

n++n+


la idea de las células solares autosostenidas y, en vez, depositar las celdas direc-tamente sobre una capa de soporte más fuerte.

La Figura 10 (pág. 19) ilustra cómo una fina capa de material fotoactivo sedeposita sobre una placa de vidrio. Esto quiere decir que la cantidad de semi-conductor puede reducirse drásticamente. Otra ventaja es que el tamaño delproducto manufacturado no está nunca más limitado al tamaño de la oblea desilicio. En su lugar, es determinado por el tamaño de la placa de vidrio, quepuede ser más de 100 veces mayor en superficie. Ambas características hacende las películas delgadas la solución fundamental para la fotovoltaica.

En volúmenes de producción muy grandes, los costes de fabricar célulasde lámina delgada se acercaran a los costes de los materiales usados. Para laestructura mostrada en la Figura 10, el coste más importante de material esel de la placa de vidrio. En última instancia, por consiguiente, la célulafotovoltaica puede ser muy baja en costes, quizás solamente unas pocas ve-ces el coste de dicha placa de vidrio, haciendo posible la producción deelectricidad a un coste muy bajo. (Muchos estudios predicen que las célulassolares de lámina delgada podrían eventualmente ser fabricadas por menosde 30 dólares americanos por metro cuadrado. A una eficiencia del 15% ycon un kilovatio por metro cuadrado de luz solar disponible, esto equivale amenos de 200 dólares por kilovatio de electricidad. Esta capacidad resulta

Figura 16 Proceso básicopara moldear silicio en cinta porel proceso EFG (el proceso hasido refinado actualmente paraproducir un tubo de siliciononagonal).

troquelde carbono

cinta de silicio

silicio fundido

siliciofundido


en un coste de generación de electricidad menor que el obtenido usandocombustibles convencionales).

Debido a estas obvias ventajas, muchos han intentado desarrollar célulassolares de lámina delgada. Debido a que estas láminas son muy delgadas,solamente una millonésima parte de un metro de grosor, el coste del semicon-ductor ya no es una preocupación, y es posible usar otros semiconductores,además del silicio, más escasos y raros. Algunos materiales de película delga-da están activamente desarrollándose en la actualidad, como se describe pos-teriormente.

La primera tecnología de células solares de película delgada en el mercadoestaba basada en el silicio en su forma amorfa, donde los átomos de silicioestán dispuestos más aleatoriamente (como en un líquido) que en una obleacristalina. Si el lector posee una calculadora o un reloj alimentado por energíasolar es muy probable que use células de película delgada de silicio amorfo. Adiferencia del silicio usado en las células solares estándar, el silicio amorfo seprepara de forma sencilla sin fundirlo. Por lo tanto los átomos de silicio notienen la oportunidad de organizarse tan regularmente como desearían. Notodos los átomos de silicio amorfos están rodeados por cuatro vecinos, quenormalmente daría resultados más pobres. Sin embargo, inundando el mate-rial con hidrógeno durante su preparación se obtiene un rendimiento de lacélula solar aceptable (el hidrógeno sustituye los vecinos perdidos).

Es interesante ver cómo se fabrican módulos de silicio amorfos para teneruna idea de las ventajas del enfoque de película delgada. Comenzando conuna placa de vidrio, una fina capa de «conductor transparente» se depositasobre la placa (este conductor transparente es un buen conductor de electrici-dad y permite pasar la luz). Usando un láser se dibujan unas franjas en estacapa que definen la localización final de la celda. Entonces se depositan lascapas de silicio semiconductor amorfo fotoactivo y también en ellas se dibu-jan franjas usando un láser. Estas franjas están ligeramente desplazadas conrespecto a las de la capa de conductor transparente.

Finalmente una capa de metal se deposita con un dibujo similar, de nuevodesplazado como el mostrado en la Figura 17. Con estas series de desplaza-mientos las áreas de las células individuales definidas por el patrón del láserestán conectadas entre sí automáticamente. La placa de vidrio acaba cubiertapor un número de células solares automáticamente conectadas entre sí en se-ries. Esto elimina completamente las etapas involucradas en la conexión delas células individuales entre sí como en un módulo basado en disco de siliciotradicional (Figura 2 pág. 3).

Aunque este enfoque es atractivo debido a su bajo coste potencial, el granreto ha sido conseguir una eficiencia alta, debido a la pobre calidad del mate-rial de silicio amorfo incluso a pesar de la estimulación del hidrógeno. Otra


complicación es que esta estimulación tiende a anularse durante la exposicióna la luz. Para hacer una célula estable y activa conforme el material se degra-da, la capa de silicio amorfo debe ser extremadamente delgada.

Una solución para este problema es apilar dos o más células solares unasobre la otra. De este modo, cada una de las celdas permanecerá delgada yrelativamente estable, mientras el grosor total es lo suficientemente grandepara capturar gran parte de la luz.

Se pueden producir incluso mejores resultados si las celdas están fabrica-das de diferentes materiales semiconductores, y cada uno necesita diferentesenergías de los fotones para liberar los electrones de los enlaces. Si el materialque requiere fotones de mayor energía se usa para la célula superior los fotonesde mayor energía en la zona azul y ultravioleta del espectro solar liberarán loselectrones de los enlaces en este material. Los fotones verdes y rojos de baja

Figura 17 Método usado para fabricar un módulo de silicio amorfo de película delgada. Las tresceldas mostradas están automáticamente conectadas entre sí.

Vidrio

Conductortransparente

Célula solar

Módulo de película delgada

Luz solar

Metal


energía pasarán a través de las células (Figura 18). Los fotones azules no pro-ducen nunca el mismo resultado que los fotones rojos eliminando una de lasposibilidades de pérdida más importante mencionada en el Capítulo 2. En elmétodo de célula apilada, los fotones azules se utilizan para el material dondepueden ser convertidos eficientemente. Lo mismo ocurre con los fotones ro-jos, reduciendo la pérdida comparada con el dispositivo de célula simple.

Usando diferentes semiconductores

La energía necesaria para liberar un electrón de un enlace en el silicio amorfopuede ser controlada simplemente mezclando el silicio con un semiconductormuy afín, por ejemplo germanio. Esto es exactamente lo que se hace en lasmejores células solares de silicio amorfo. Una célula de silicio amorfo está enla parte superior y convierte la longitud de onda azul. Debajo se sitúa una

Figura 18 Células solares apiladas o en tandem (las células están colocadas directamente unasobre la otra en el modelo real).

Célula 3

Célula 2

Célula 1

Luz solar


célula fabricada con la mezcla de silicio amorfo y germanio, que convierte lalongitud de onda verde. Una tercera celda debajo de estas dos, incluso conmás germanio añadido, convierte la longitud de onda roja.

Incluso con esta sofisticación, el rendimiento resultante es bastante modes-to ya que la calidad del material amorfo es mínima. Los mejores móduloscomerciales de este tipo tienen una eficiencia en el rango del 6-7%, menos dela mitad que los mejores productos de silicio basados en disco. El aspectoeconómico global es todavía prometedor, sin embargo, debido al ahorro dematerial y a las ventajas de fabricación mencionadas. Otro punto fuerte es quecasi todo el módulo está cubierto con el material de la célula solar que propor-ciona una apariencia más atractiva y uniforme que con el módulo estándar(Figura 2 pág. 3).

El uso del germanio en estas células también hace saltar a primer planootra preocupación la de los recursos disponibles de los materiales usados enlas células. A diferencia del silicio, el germanio es muy raro con unas reservasmundiales conocidas de unos pocos miles de toneladas. Si todas estas reservasfueran usadas en la producción de células, no sería posible fabricar célulassuficientes para contribuir significativamente a los requerimientos de electri-cidad mundiales, incluso sin mencionar los requerimientos energéticos tota-les. Dejando estas consideraciones a un lado, el germanio disponible seríasuficiente para ayudar a la industria en la próxima o próximas décadas. Paraentonces, un enfoque alternativo, tal como sustituir el germanio por otro ele-mento afín, estaño, podría solucionar este problema a largo plazo.

Otros materiales

Otros muchos materiales, por ejemplo compuestos formados por la combi-nación de dos o más elementos, son también adecuados para mejorar la efi-ciencia de las células de película delgada. Sin embargo tienen desventajas quepueden limitar su uso.

Uno de estos componentes es el formado por cadmio y telurio, el teluridocádmico (CdTe). La fabricación de células con este material es muy simple. Unagran desventaja es que este material es tóxico, lo cual puede limitar su potencialen un mercado dirigido principalmente por preocupaciones medioambientales.

Otro material que ha dado muy buenos resultados está basado en el com-puesto ternario diselenido de cobre e indio (CuInSe2), a menudo referido sim-plemente como «CIS». Otros elementos adicionales son a menudo mezcladosdentro de CIS, particularmente galio (Ga) y sulfuro (S), creando un popurrí deelementos, el CIGSS. El indio es tan escaso como el germanio, lo cual puederesultar en un problema similar a largo plazo.

Otro tipo de célula solar imita la fotosíntesis. La luz es absorbida en untinte pegado a la superficie de un material semiconductor (TiO2). En este


caso el electrón móvil es liberado desde el colorante en vez de desde elsemiconductor. El circuito eléctrico se completa por medio de un electrolitolíquido conductor. Este líquido resulta ser una desventaja, ya que es difícilsellar líquidos dentro de un módulo de necesaria larga vida operativa. Laventaja del tinte, sin embargo, es que absorbe solamente un limitado rangode energías de fotones. Estas energías podrían caer en el rango infrarrojo deenergía fotónica, es decir, estas células podrían ser transparentes a la luzvisible mientras todavía producen electricidad. La ventaja se encuentra en elhecho de que pueden ser usadas en ventanas completamente transparentesque podrían además generar energía.

A pesar de todas estas opciones innovadoras parece que la próxima genera-ción de células solares fotovoltaicas de película delgada podría estar basadaen algo mucho más cercano a la célula de disco de silicio estándar. Recientesinvestigaciones demuestran que se pueden depositar capas delgadas de siliciosobre vidrio con propiedades bastante similares al material de la oblea.

Ello parece una tarea muy fácil de realizar si se quiere eliminar el uso deobleas para reducir los costes de material. Un problema es que el silicio nor-mal es un absorbente débil de luz solar comparado con otros semiconductoresmencionados anteriormente (incluso incluyendo el silicio amorfo). Por lo tan-to serían necesarias capas más gruesas para hacer una célula decente. Estehecho complicaría la situación enormemente ya que es más difícil y caro de-positar capas gruesas de silicio de buena calidad que capas delgadas.

Para conseguir atrapar la luz dentro de la celda desorientándola una vezque está dentro, estas capas delgadas aparecen como si fueran hasta 50 vecesmás gruesas que su grosor real. Combinando esta nueva característica de «tram-pa de luz» con los diseños de células solares que aprovechan la menor calidaddel material de estas películas, parece probable desarrollar módulos sin pérdi-das significativas de rendimientos comparados con sus competidores de dis-cos de silicio (Figura 19). Estas células de película delgada de silicio ofrecenel mismo bajo coste del modelo de película delgada con el rendimiento y lafiabilidad ya conocidas del modelo de oblea de silicio.

***

La célula solar del futuro debería llegar a ser más efectiva en coste por elincremento del volumen de producción combinado con mejoras tecnológicascomo las células de contactos enterrados, cintas y películas delgada. Esto sig-nifica que la tendencia histórica en la reducción de precios mostrada en laFigura 4 (pág. 5) debería mantenerse durante las siguientes décadas. Podemosmirar hacia un futuro con la constante reducción de los precios de las célulasy la expansión de las posibilidades de uso.


Figura 19 Módulo de célula solar de película delgada de silicio fabricada en un piloto de produc-ción por la compañía de Sydney, Pacific Solar Pty Ltd. Algunas características incluyen el depósitode la película de silicio directamente sobre la placa de vidrio, el diseño de la trampa de luz para haceraparecer la película más gruesa que su grosor físico y un nuevo diseño de celda adecuado para elsilicio de bajo coste usado en la célula.

Lectura adicional

Kazmerski, L.L. (1998), ‘Photovoltaics: a review of cell and module technologies’,Renewable and Sustainable Energy Reviews, Pergammon, vol. 1, pp. 71-170. (Contie-ne una excelente revisión científica de las diferentes tecnologías de células y módulosademás de una extensa bibliografía).

Partain, L. (ed.) (1995), Solar Cells and Their Applications, Wiley, New York. (Suministraun informe actualizado de las diferentes tecnologías de células solares escrito por ex-pertos).

5¿Cómo se usan

las células solares?

39

Evolución del uso de la célula solar

A medida que el coste de las células solares disminuye, el abanico de usosposibles se incrementa. Hace 25 años, las células solares eran muy caras ysolo se usaban para la generación de pequeñas cantidades de electricidad enáreas remotas Un ejemplo extremo es su uso en las naves espaciales.

Cerca del hogar las células solares han sido ampliamente usadas en equi-pos de potencia para telecomunicaciones en áreas remotas. Un novedoso sis-tema fue, por ejemplo, el enlace de telecomunicaciones entre Tenant Creek yAlice Springs en el interior de Australia. Cuando se llamaba a Alice Springs laseñal telefónica pasaba a través de trece estaciones de energía solar que trans-mitían la señal a través de cientos de kilómetros entre estos dos pueblos. Lastelecomunicaciones han formado el esqueleto de la industria de las célulassolares terrestres hasta hace poco tiempo.

Con la reducción de los costes la variedad de usos posibles se han incre-mentado; una tendencia que continuará. Dentro de veinticinco años las célulassupondrán sólo una fracción de su coste actual y serán capaces de competir enlos usos más exigentes con los grandes generadores de electricidad conven-cionales. Entre medio del pasado y del futuro hay otros muchos usos algunode los cuales se sugieren en la Figura 20.

Uso actualEn el suministro de energía a áreas remotas, la energía fotovoltaica se uti-

liza generalmente con baterías de plomo-ácido, similares a las típicas baterías


de coche, para almacenar energía durante la noche y periodos de poca luzsolar. En áreas remotas la energía fotovoltaica también forma parte de un gransistema híbrido (explicado más tarde en este Capítulo) complementado porotras fuentes de energía como generadores diésel y almacenamiento en bate-rías. El suministro de energía en áreas remotas se usa tanto para sistemas detelecomunicación «profesionales» como para suministrar electricidad a casasaisladas. Sistemas de este tipo pueden suministrar energía a personas en co-munidades remotas en los países en vías de desarrollo, como se trata másadelante en el Capítulo 8.

En los países industrializados los mayores usos se encuentran cuando elsistema fotovoltaico se conecta a los cables de distribución de electricidadexistentes. Grandes plantas de generación fotovoltaica centralizada han sidoya mencionadas como posibilidad futura (Figura 3). Este es el uso más exi-gente ya que el único valor acreditado por la planta fotovoltaica es la electrici-dad producida. Sin embargo, hay otros usos en la red de suministro (descritosposteriormente) donde la fotovoltaica produce beneficios adicionales.

Suministro de potenciafotovoltaica en áreasremotas

Generadoresconvencionales

Estaciónfotovoltaicacentral

Fotovoltaicahíbrida

Diésel

Fotovoltaicaresidencial

Sobrecargatérmica

Figura 20 Usos de las células solares. Los sistemas fotovoltaicos de suministro de potencia deáreas remotas (RAPS – Remote Area Power Supply) representan uno de los extremos en este gráficoen términos de costes deducibles, mientras que la estación fotovoltaica central representa el otro.

41¿Cómo se usan las células solares?

Uno de estos beneficios es técnico, pues supone el uso de la fotovoltaicapara retrasar el gasto de actualizar partes de la red que se sobrecargan (comose indica en el lado derecho de la Figura 20). Aquí la ventaja se produce por la«modularidad» de la fotovoltaica, esto es, la facilidad de instalar pequeñasunidades en cualquier sitio dentro de la red. Instalando fotovoltaica cerca delárea con incremento de demanda, puede retrasarse la necesidad de actualizarel sistema de la red que suministra electricidad a esta área. Por ejemplo, nohay necesidad de líneas de transmisión adicionales para llevar la potencia aesta región ni se necesitan mejoras en otro tipo de equipamiento como, porejemplo, transformadores. En este caso no solamente se incrementa el valorpor la electricidad producida por la energía fotovoltaica sino también de losahorros producidos retrasando estas mejoras.

La aplicación más importante relacionada con la red eléctrica en este mo-mento es el uso de las células solares en los tejados de las casas particulares.En este caso lo importante es que el precio que el dueño de la casa debe pagarpor la electricidad es algunas veces superior al coste de producirla (o comprar-la) para la compañía eléctrica que opera esta red, básicamente, la diferenciaentre los precios de la electricidad al por mayor y al detalle. El uso en residen-cias particulares es el campo de más rápido crecimiento de la fotovoltaica eneste momento y el Capítulo 6 explicará el porqué de este hecho. El íntima-mente relacionado uso arquitectónico de la fotovoltaica se trata en el Capítulo 7.Algunas de otras aplicaciones clave se describen debajo.

Suministro de energía remota

El método más sencillo de suministrar energía para áreas remotas se mues-tra en la Figura 21. Todo lo que se necesita es un panel fotovoltaico conectadoa través de una batería con un fusible para proteger la batería de cortocircuitos.Cualquier carga eléctrica que llegue a la batería puede ser conectada a travésde ella sin que la batería se descargue, en el caso de que todo esté apropiada-mente dimensionado.

Los paneles solares producen la misma corriente continua que la batería deun coche o las baterías «de célula seca» usadas en radiotransmisores y otrospequeños productos de consumo. La mayoría del equipamiento para la casacomo aparatos de televisión, máquinas lavadoras y frigoríficos operan concorriente alterna, suministrada por la red eléctrica. Sin embargo los equipospara el hogar que operan con fuentes de corriente continua pueden ser obteni-dos de proveedores especializados, como aquellos que venden equipos paracamping.

La batería no es del todo necesaria si no es importante mantener la cargafuncionando sin interrupción. El panel solar suministrará la carga cuando el


sol esté brillando suficientemente y el sistema se parará cuando esto no ocu-rra. Un sistema tan sencillo es posible, por ejemplo, para el bombeo de aguaporque el agua bombeada puede ser almacenada en depósitos.

Este sencillo sistema de la Figura 21 sólo está recomendado en usos paraperiodos cortos o cuando pueda ser cuidadosamente controlado debido a quetiene algunos problemas. En tiempo soleado el panel solar puede suministrartanta electricidad a la batería que esta se sobrecargue. Cuando esto ocurre, lamezcla de ácido y de agua en la batería se descompone en hidrógeno y oxíge-no, reduciendo el nivel de ácido y eventualmente destrozando la batería si nose detiene el proceso. El hidrógeno es explosivo y por lo tanto es también unriesgo para la seguridad.

Algunos fabricantes de módulos construyen lo que se llaman módulos «auto-rregulados» que tienen menos células solares de las 36 habituales (32 ó 33) y,por lo tanto, hay menos posibilidades de cargar la batería (desde un punto devista técnico unos pocos diodos en serie en un módulo estándar harían la mis-ma función de reducir el voltaje de salida).

De otro lado, puede ocurrir el hecho de que se haya extraído más de labatería que lo que el panel solar era capaz de reemplazar, si no hay demasiadosol o se ha sido demasiado ambicioso en la demanda de electricidad. Estohace que la batería se descargue. La batería no suministrará más energía hastaque se recargue. Además descargar una batería también reduce su vidaoperativa. Por lo tanto, no se produce ningún beneficio en ninguna de las dossituaciones. Un sistema sencillo como el de la Figura 21 es probable que so-brecargue o descargue la batería, ambos reducen la vida de la batería.

Para resolver este problema se añade un paquete electrónico conocido como«controlador de carga». Este controlador evita que el panel solar sobrecarguela batería durante el tiempo soleado y también protege la batería de descargar-se. En este caso protege la batería desconectando automáticamente las cargas,no siempre apreciado por los usuarios del sistema. Alternativamente una luz

Figura 21 Sistema fotovoltaico sencillo para el suministro de electricidad remota.

carga decorrientecontinua

módulo

fusible

batería


de alarma se puede usar cuando la carga de la batería está baja. Se le puedeprestar atención o no (como la alarma de sobrecalentamiento del motor en uncoche; tú puedes seguir conduciendo si no te preocupa correr el riesgo de queel motor se «funda»).

Debido a que el equipamiento eléctrico se obtiene más fácilmente si se usacorriente alterna en vez de corriente continua, se puede añadir un refinamien-to más con otro paquete electrónico, el conocido como inversor, entre la bate-ría y la carga eléctrica. El inversor convierte la salida de corriente continua dela batería en corriente alterna.

Sistemas como el mostrado en la Figura 21, pero incluyendo un controla-dor de carga, pueden operar perfectamente y han sido usados en un ampliorango de aplicaciones. En un extremo están los sistemas usados en telecomu-nicaciones. Estos son cuidadosamente diseñados y operan a niveles de fiabili-dad extremadamente altos con poco mantenimiento. En estos sistemas, la can-tidad de carga eléctrica usualmente puede ser prevista cuidadosamente. Sesuministra generalmente un almacenamiento de batería suficiente para que elsistema opere por encima de diez días sin sol. Esto cubrirá periodos de maltiempo o un problema en conseguir potencia del panel a la carga, dando eltiempo necesario para llegar el equipo de mantenimiento. Aunque los panelessolares han sido caros en el pasado, el costo de las baterías para diez días dealmacenamiento es más o menos comparable al coste del panel. Estos siste-mas están ahora también siendo instalados y su fiabilidad tan probada que sonla opción automática para muchos usos.

En el otro extremo puede haber un sistema (como en la Figura 21) usadopara alimentar una casa aislada donde no hay suministro eléctrico convencio-nal. La casa puede ser una casa de vacaciones o una residencia familiar en unárea remota, como el interior de Australia o las áreas rurales en los países envías de desarrollo. Aquí el usuario del sistema idealmente se familiariza con lacapacidad del sistema y sus cargas para asegurar que las baterías raramente sedescargarán.

Cuando se requieren sustanciales cantidades de energía, la cantidad de al-macenamiento de batería requerido para un funcionamiento fiable puede serde enormes proporciones. Aquí los sistemas «híbridos» salen a la palestra.

Sistemas híbridos

En un sistema híbrido, los módulos fotovoltaicos se combinan con generado-res de electricidad más tradicionales para formar un sistema con mejores carac-terísticas de conjunto. Un ejemplo se muestra en la Figura 22. Además de lossistemas fotovoltaicos y la batería, un generador de electricidad alimentado decombustible diésel o gasolina se añade al sistema. Este generador elimina la


necesidad de una gran cantidad de almacenamiento en la batería, ya que puedeser arrancado para absorber la carga o recargar las baterías cuando sea necesa-rio. Son posibles diferentes configuraciones que van desde sistemas donde elgenerador y los fotovoltaicos se usan casi completamente independientes dondecada uno suministra su propia carga, hasta sistemas altamente integrados.

Dependiendo del tamaño relativo del conjunto alimentado por combustiblediésel o gasolina y de los sistemas fotovoltaicos hay diferentes formas de pen-sar acerca del papel de los diferentes componentes en el sistema. Por ejemplo,si el sistema es principalmente fotovoltaico el generador puede pensarse comoun sistema para reducir la cantidad y por tanto el coste del almacenamiento debatería, ya que los generadores alimentados por combustible diésel o gasolinason relativamente baratos pero tienen altos costes de funcionamiento. Estoscostes de funcionamiento se mantienen al mínimo si el generador sólo rara-mente necesita ser usado. Un pequeño generador de gasolina es más baratopero menos duradero que un generador diésel y podría ser una buena opciónen estos casos.

En el otro extremo los módulos fotovoltaicos podrían estar integrados conun sistema diésel ya existente. En este caso los fotovoltaicos podrían estarpensados como un método de ahorrar combustible que de otra forma seríaconsumido por el generador diésel. De nuevo el coste del sistema fotovoltaicopuede ser recuperado rápidamente en las situaciones en que es difícil trans-

Figura 22 Un sistema híbrido que combina un conjunto de generador motor alimentado por diéselo gasolinas con células fotovoltaicas para reducir el tamaño del almacenamiento de batería. En elsistema paralelo mostrado, las salidas de corriente alterna del conjunto de generador y sistema solarpueden ser combinadas por el sincronizador. Tanto las células solares como el generador puedensuministrar la carga o cargar las baterías.

Control desincronización

InversorMódulossolares

Cargas decorrientealterna

Conjuntode generador

Cargadorde batería

Almacena-miento

de batería

Controladorde carga


portar el combustible diésel y deshacerse de los bidones de combustible comoen las comunidades de islas.

Conexión a la red

La realmente gran aplicación de la fotovoltaica se encuentra en el mundodesarrollado donde está conectada a la red de suministro eléctrico. Esto es ungran desafío económico ya que la electricidad generada por el sol tiene quecompetir con la ya disponible en la red. Los usos donde la fotovoltaica añadevalor adicional, de una forma u otra, a la electricidad producida son los másinteresantes por ahora.

No es necesario almacenamiento en batería para las células fotovoltaicasconectadas a la red al menos mientras suministren menos del 10-15% de laelectricidad total usada por la red. Esto puede parecer sorprendente ya que,durante el mal tiempo, las células fotovoltaicas pueden no generar casi electri-cidad y parece necesario algo de refuerzo. De hecho la red ya debe funcionarde modo que se ajuste a las fluctuaciones de la demanda de electricidad. Estasfluctuaciones en demanda son similares en naturaleza a las fluctuaciones en elsuministro producidas por un sistema solar. No se produce ningún cambio enel modo en que la red opera hasta que la penetración solar es mayor del 10-15%mencionado anteriormente. Esto se producirá para la mayoría de los paísesdentro de una o dos décadas.

El modo en que la red satisface las fluctuaciones de demanda es teniendolo que se conoce como reservas rotativas. Los excedentes de los generadoresse mantienen «parados» de modo que si hay un incremento súbito de la de-manda eléctrica, ellos puedan rápidamente suministrar el extra necesitado.Estas reservas rotativas también protegen contra las pérdidas de potencia noplanificadas de un generador de potencia convencional, como las causadaspor un problema en gran estación generadora. Típicamente la capacidad libredisponible en estas reservas rotativas sería de aproximadamente el 30% de lacarga total en cualquier momento.

Cuando no es necesario almacenar para uso fotovoltaico en la red, el siste-ma solar puede ser muy sencillo, todo lo que se requiere es un panel solar y uninversor mencionados anteriormente. Este inversor convierte la salida de co-rriente continua del panel a corriente alterna y también suministra caracterís-ticas de protección. Por razones de seguridad cuando la potencia convencio-nal de la red está desconectada (por ejemplo, por mantenimiento o reparaciónde las líneas de la red), el inversor tiene que estar apagado para no enviarpotencia desde las células fotovoltaicas.

Las células fotovoltaicas en los tejados de las casas o integradas en lasfachadas de los edificios son las aplicaciones conectadas a la red más comu-


nes hasta la fecha. Estos usos aprovechan completamente las ventajas de lamodularidad de la fotovoltaica, sistemas que pueden ser pequeños y todavíafuncionar con efectividad. El número de sistemas como estos crecerá desdeunas decenas de miles en la actualidad a millones para el final de esta década.Estos sistemas integrados para particulares y para edificios se expondrán enmás detalle en los Capítulos 6 y 7.

Otro ejemplo de sistema conectado a la red es el instalado en Kerman (Ca-lifornia) en 1992. Las crecientes demandas de electricidad en esta región fue-ron poniendo gran presión en el sistema de distribución eléctrico y, en particu-lar, en el transformador de gran tamaño de la subestación de Kerman. Instalandoun sistema fotovoltaico de 0,5 megavatios en el lado de carga del transforma-dor, la necesidad de sustituirlo por otro mayor fue pospuesta.

El proyecto Kerman era experimental, ya que su propósito era obtener in-formación sobre los beneficios de este tipo de instalación. Un estudio detalla-do encontró otros beneficios además de prolongar la vida del transformador,tales como un incremento en la cantidad de energía que podía ser transportadapor las líneas de potencia cercanas.

Otros grandes sistemas solares han sido conectados a la red aunque la ma-yoría han sido experimentales. El mayor en el Hemisferio Austral, en Singletoncerca de Sydney, fue instalado para cumplir los compromisos de «poder ver-de» de su dueño, la empresa de servicio público Energy Australia. El 25% delos ingresos extras generados por el plan de «precios verdes» de esta compa-ñía se invierte en nuevos sistemas fotovoltaicos (el otro 75% se distribuyeentre energía eólica, biomasa y pequeños sistemas hidráulicos).

Electrificando el mundo

¿Qué pasaría si, de pronto, la fotovoltaica fuera capaz de suplir más del10-15% de la electricidad de la red eléctrica? ¿Podemos avanzar desde aquí yeventualmente suministrar la mayoría de la energía mundial?

La cantidad de energía solar que alcanza la tierra es tan grande que no hayningún argumento en contra de su uso extendido basado en la luz del sol dis-ponible y los recursos de la tierra. Como se mencionó previamente, solo el 1%de la superficie árida del mundo necesitaría ser cubierta por el 15% de célulasfotovoltaicas eficientes para suministrar todo el consumo de energía del mun-do previsto para el año 2050. Más del 1% de la superficie de los EstadosUnidos está ya cubierta por carreteras y edificios. Cubrir el 1% de los desier-tos de la tierra con células fotovoltaicas representa un gran trabajo pero estaríadentro de las posibilidades de la ingeniería. Por supuesto no es necesario ha-cerlo en una noche pero es posible marcar un buen ritmo si se empieza consuficiente antelación.


Una vez que se suministrara por fotovoltaicas más del 10-15% de la elec-tricidad del mundo se necesitan algunos cambios. Sería necesario algún méto-do de almacenamiento de energía a mucha más gran escala. Este almacena-miento sustituiría a la batería en los sistemas híbridos RAPS (sistemasfotovoltaicos de áreas remotas) mencionados con anterioridad.

En los últimos 30 años grandes trabajos de investigación han llevado aldesarrollo de baterías mejoradas para vehículos eléctricos y también para al-macenamiento de electricidad en gran escala. Sobre las próximas dos décadaspodría surgir una batería más eficaz en coste que las actuales baterías de plo-mo-ácido.

Sin embargo actualmente se usan dos métodos para el almacenamiento deelectricidad a gran escala. Uno de ellos es el almacenamiento por bombeo deagua. Esto supone el uso del exceso de electricidad para bombear agua cuestaarriba. Cuando es necesario complementar el suministro el agua entonces sedeja caer moviendo los generadores hidroeléctricos. Muchos sistemas de al-macenamiento de bombeo de agua a gran escala como éste operan a escalamundial. La principal desventaja es la relativamente baja eficiencia del ciclo.Como mucho se extrae sólo cerca del 60% de la electricidad comparada con lausada para bombear el agua cuesta arriba. Las consecuencias medioambienta-les y sociales de cualquier proyecto hidroeléctrico a gran escala también nece-sitan ser consideradas cuidadosamente.

El otro, menos común, método actual de almacenamiento a gran escala esusar el exceso de electricidad para comprimir el aire en inmensas cavernasbajo tierra. El aire se puede expandir para mover unas turbinas que de nuevogenerarán electricidad cuando ésta sea necesaria. El uso de grandes volantesgiratorios también puede ser viable.

Redes globalesOtro imaginativo enfoque elimina en buena parte la necesidad de almace-

namiento. Este es el plan GENESIS sugerido por el Dr. Yukinori Kuwano, elinventor de la calculadora de energía solar. GENESIS significa Red de Ener-gía Global Equipada con Células Solares y Redes Internacionales deSuperconductores (Global Energy Network Equipped with Solar Cells andInternational Superconductor Grids). Este plan se ha hecho verosímil por laobservación de que las redes de distribución eléctrica están cada vez más ymás interconectadas. Por ejemplo, Canadá está conectada a los Estados Uni-dos, Europa está conectada de un país a otro.

Este incremento de conectividad es producto de los reducidos costes detrasmitir electricidad a través de largas distancias. Si esta tendencia continúa ose acelera por nueva tecnología como líneas de transmisión superconductoras,no es difícil imaginar estas conexiones internacionales convirtiéndose en in-


tercontinentales. Con una red eléctrica interconectada global, la necesidad dealmacenamiento se reduciría notablemente. En cualquier momento, en algúnlugar del mundo, el sol brillará sobre células solares. La electricidad generadapuede ser bombeada a través de la red global a regiones donde el sol no estábrillando.

Una idea incluso más futurista consiste en que grandes sistemas de célulassolares en el espacio transmitan la electricidad generada de vuelta a la tierracomo microondas libres de los caprichos del tiempo y de las restricciones deldía y la noche. No está todavía claro si estas ventajas alguna vez compensaránlos mucho mayores costes de ejecución y mantenimiento.

Almacenamiento químicoSin embargo existe una ruta completamente diferente que parece más prác-

tica y también permitiría a la fotovoltaica suministrar energía en forma dife-rente a la electricidad. Esto consiste en el almacenamiento de la energía cap-turada por las células solares en combustibles químicos. Por ejemplo, laelectricidad puede ser usada para descomponer el agua (H2O) en hidrógeno yoxígeno (como cuando se sobrecarga una batería de plomo-ácido). El hidróge-no puede ser usado como combustible para propulsar vehículos como avionesy vehículos de motor. También puede servir como combustible industrial tal y

Figura 23 Una perspectiva de combustible químico basado en metanol alimentado por célulasfotovoltaicas investigado por el grupo japonés RITE (Research Institute of Innovative Technologyfor the Earth).

Bateríassolares

Metanol

Metanol Combustión

CO2

Síntesisdel metanol

Licuaciónde CO2

Central Eléctrica

Río

Almacenamientode metanol

Almacenamientode CO2

Agua del mar

Producciónde hidrógeno

Recuperaciónde CO2

Almacena-mientode CO2


como se usa actualmente el «gas natural» (una mezcla de componentes dehidrógeno y carbón). El hidrógeno puede ser también transformado de vueltaen electricidad usando «células de combustible», donde estos combustiblesreaccionan directamente para dar electricidad en vez de ser quemados. Aun-que la tecnología para este ciclo del hidrógeno ya está disponible los proble-mas ahora son los altos costes y la relativamente baja eficiencia de conversióndel ciclo. En las próximas dos décadas se deben esperar mejoras en ambasáreas.

El hidrógeno no es la única opción como combustible de almacenamientoquímico. El Research Institute of Innovative Technology for the Earth (RITE)japonés está investigando el uso de la electricidad generada a través de laenergía fotovoltaica para convertir el dióxido de carbono en metanol en lasáreas soleadas del mundo como, por ejemplo, en Australia (Figura 23). Elcombustible podría entonces ser enviado a su punto de uso, en este caso, Ja-pón. Cuando el metanol se utiliza para proveer energía se produce dióxido decarbono, este entonces sería transportado de vuelta al sitio fotovoltaico, recar-gado y enviado de vuelta en este ciclo. Incorporada la energía fotovoltaicadentro de este ciclo químico no habría barreras para que suministrara todoslos requerimientos de energía del mundo, tanto eléctrica como no eléctrica,suponiendo que los costes fueran suficientemente bajos.

***

La fotovoltaica ha avanzado mucho en las ultimas dos décadas en términosde su adecuación para uso generalizado. En las dos próximas décadas se utili-zará mucho más. Parece completamente factible que la energía fotovoltaicapudiera suministrar casi todos los requerimientos energéticos del mundo alargo plazo, digamos, en un rango de tiempo entre el 2050 y 2100.

Lectura adicional

Research Institute of Innovative Technology for the Earth (RITE), folleto sin fecha, Projectfor Chemical CO2 Fixation and Utilization. (Disponible por el RITE, 9-2 Kizugawa-dai, Kizu-cho, Souraku-gun, Kyoto 619-02 Japón).

Zweibel, K. and Green, M.A. (eds) (2000), ‘The future of photovoltaics’, special millenniumissue of the journal, Progress in Photovoltaics, January, Wiley (Contiene un compen-dio de artículos de expertos en este campo que dan una idea general del futuro de latecnología fotovoltaica y sus usos).

6La energía fotovoltaica

en la casa particular

51

Venta de día, compra de noche

En el pasado los propietarios de casas urbanas no siempre habían tenidomuchas posibilidades de elegir la electricidad que se suministraba a sus casas.Todo esto está cambiando. La energía fotovoltaica hace posible generar tupropia electricidad en el tejado, aunque en este momento a un coste elevado.Un número, que se incrementa rápidamente, de casas en todo el mundo estáeligiendo esta opción y en el año 2010 algunos millones de casas probable-mente estarán alimentadas fotovoltaicamente.

La casa permanece conectada a las líneas de potencia pero no se requierealmacenamiento en el lugar, solamente una caja electrónica (el inversor) paraconectar entre la fotovoltaica y la red eléctrica. La Figura 24 muestra el siste-ma. Durante el día, cuando la casa no está usando mucha electricidad, el exce-so de energía eléctrica de la matriz solar alimenta la red para las fábricas yoficinas que necesitan potencia de día. Por la noche la potencia fluye en senti-do opuesto. La red provee de almacenamiento efectivo. Si la demanda de elec-tricidad está bien ajustada para cuando el sol brilla, como en muchas partesdel mundo, la electricidad producida durante el día es más valiosa que la con-sumida durante la noche. Esto ocurre en lugares como California y Japón don-de las cargas de los grandes sistemas de aire acondicionado y calefacción sonpequeñas o suministradas por otros combustibles.

En el comienzo de los tiempos

El primer estudio sistemático de la aplicación de la fotovoltaica para usoen casa comenzó en los Estados Unidos durante la administración Carter. Un


programa bien concebido comenzó con el emplazamiento de un cierto núme-ro de «estaciones residenciales experimentales» en lugares seleccionados delos Estados Unidos que representaban diferentes zonas climáticas. Estas esta-

Figura 24 El uso residencial de la energía fotovoltaica, por el día el exceso de potencia es enviadoa la red y por la noche la potencia es suministrada a la casa. (Dibujo cortesía de Pacific Solar PtyLtd.).

53La energía fotovoltaica en la casa particular

ciones contenían un cierto número de casas «de imitación» cada una con undiferente diseño de sistema solar.

Las casas dentro de la comunidad cercanas a las estaciones experimentalesfueron controladas para ver la correspondencia de la energía usada con la energíagenerada por los tejados de la estación «de imitación». Un pequeño número decasas fue también equipado con células fotovoltaicas, antes de la instalaciónplanificada de grupos de aproximadamente 100 casas para confrontar«frontalmente» las preocupaciones institucionales y de ingeniería que surgíandel uso extendido de la fotovoltaica.

El cambio en las prioridades del gobierno de los Estados Unidos al co-mienzo de los años 80 causó que el programa empezara a perder pie. Se man-tiene como legado un pequeño número de casas como la casa Carlisle enMassachusetts, mostrada en la Figura 25, que fue probablemente la primeracasa del mundo alimentada por el sol y conectada a la red eléctrica.

Figura 25 La casa Carlisle en Massachusetts que usa un sistema fotovoltaico integrado en el techopara suministrar los requerimientos eléctricos de la casa.


Con la rápida disminución del esfuerzo realizado en los Estados Unidos, elproyecto japonés Sunshine Project saltó a primera plana. Una gran estaciónresidencial de test fue instalada en isla Rokko, una gran isla artificial cerca deKobe, al comienzo de 1986 (Figura 26). Esta instalación consistía en 180 ca-sas «de imitación» cada una equipada con su propio sistema fotovoltaico de2-5 kilovatios (aproximadamente 20-25 metros cuadrados para cada sistema).Algunas de las casas simuladas (las cabañas de la Figura 26), tienen sus pro-pios electrodomésticos dentro como televisores, frigoríficos y unidades de aireacondicionado, que se encienden y apagan bajo el control de un ordenador,teniendo en cuenta el extravagante estilo de vida de sus fantasmagóricos ocu-pantes. Para los otros sistemas dispositivos electrónicos simulan las cargas dela casa. También hay otros equipos mostrados en la Figura 26 que pueden serconfigurados para simular diferentes condiciones de funcionamiento dentrode la red de distribución eléctrica.

La estación de test ha permitido que los problemas técnicos relacionadoscon el uso de la fotovoltaica dentro de la red eléctrica sean explorados de unmodo sistemático y bajo condiciones de test bien controladas. Sin problemasinfranqueables identificados los japoneses han usado la experiencia ganadacon esta estación para comenzar su propia campaña masiva a favor de la ener-gía fotovoltaica residencial, descrita a continuación.

Mientras tanto, Alemania comenzó en 1990 un importante «programa de los1.000 tejados» que pretendía la instalación de células fotovoltaicas en los teja-dos de 1.000 casas privadas. Grandes subsidios de gobiernos federal y regiona-les estuvieron implicados, cubriendo en la mayoría de los casos hasta el 70% de

Figura 26 Estación de test para sistemas fotovoltaicos residenciales en la isla Rokko. La línea dedistribución simulada se usa para evaluar las diferentes situaciones en la red eléctrica.

línea dedistribuciónsimulada

sistemasfotovoltaicos

cabañas


los costes totales del sistema. El programa se mostró inmensamente popular,forzando su extensión a más de 2.000 casas desperdigadas por Alemania.

El éxito de este programa tuvo numerosas consecuencias. Estimuló el lan-zamiento en otros países de programas similares como se describirán a conti-nuación. Ayudó a la expansión de los planes de «incentivos basados en ratios»y «precio-verde» (ver Capítulo 3) a través de Europa, en particular Suiza yAlemania, promoviendo el uso residencial de la fotovoltaica.

Un millón de tejados

El programa japonés de «1 millón de tejados» fue promovido por la expe-riencia adquirida en el test de la isla Rokko y el éxito del programa de los 1.000tejados alemán. El propósito inicialmente estipulado por la Organización para elDesarrollo de Nuevas Energías de Japón era tener 70.000 casas equipadas concélulas fotovoltaicas para el año 2000, de camino para tener 1 millón para el año2010. El programa hizo un arranque bastante modesto en el año fiscal 1994, con539 sistemas instalados. Se incrementó a 1.065 y 1.986 sistemas en los añosfiscales 1995 y 1996 respectivamente con un 50% de subsidio del gobierno. Elprograma cambió de velocidad para el año fiscal 1997 con 8.329 sistemas insta-lados con una reducción del subsidio al 33 1/3%. El objetivo para el año fiscal1998 era de 15.000 nuevos sistemas. Bajo este programa, complejos suburbanosenteros usan células fotovoltaicas como en la Figura 27.

Aunque la apariencia de las instalaciones en la isla Rokko y de las mostra-das en la Figura 27 es austera, algunas tempranas iniciativas japonesas mos-traron que la estética no está reñida con la tecnología. La Figura 28 muestraotro techo solar donde las células solares –células de silicio amorfas de láminadelgada– han sido integradas dentro del mismo tejado de vidrio, en este casodando un efecto visual muy agradable.

Un millón más

La iniciativa japonesa de abrazar la fotovoltaica residencial a gran escalaprovocó numerosas respuestas tanto en Europa como en Estados Unidos. LaComisión Europea preparó un artículo verde sobre la fotovoltaica en noviem-bre de 1996, dando como resultado un documento oficial aceptado en noviem-bre de 1997. Este exigía un millón de sistemas solares residenciales antes delaño 2010, con 500.000 en Europa y 500.000 en los países en vías de desarrolloque serían subvencionados por la Comisión. En junio de 1997, el presidenteClinton anunció un objetivo similar de un millón de tejados en los EstadosUnidos. Desde entonces, otros países, incluyendo Alemania, Italia y Holanda,han anunciado sus propios objetivos para la energía fotovoltaica residencial.


La adición más reciente a esta lista ha sido Australia donde se ha anunciado unprograma de 20 millones de dólares americanos para cuatro años, que deberíapermitir la instalación de cerca de 10.000 sistemas en los tejados.

La mayoría de estos programas se realizan con subsidios del gobierno en unaforma u otra, a menudo como un reembolso en el rango del 20-50%. En esencia,a menudo se produce un subsidio a tres bandas con la subvención por parte delgobierno, el dueño de la casa y la compañía energetice participante. El subsidiopor parte del gobierno generalmente toma la forma de un reembolso en el preciode compra. El dueño de la casa también subvenciona el sistema porque general-mente todavía es más barato comprar la electricidad de la red incluso con elreembolso del gobierno. La red eléctrica también se involucra suministrando«contador neto» por medio del cual compra la electricidad de la casa al mismoprecio que cobra por la electricidad yendo en dirección contraria. De este modola compañía pública de energía provee del papel de almacenamiento previa-mente comentado sin cargo (además de perder venta de la electricidad que ven-derían al dueño de la casa si el sistema solar no estuviera allí).

La diversidad y rango de estas iniciativas internacionales ha creado un altonivel de confianza dentro de la industria fotovoltaica que provocará la rápida

Figura 27 Desarrollo residencial en Japón usando fotovoltaica. (Fotografía cortesía de ResourcesTotal System Co. Ltd.).


expansión de los mercados para sus productos en esta década. Este hechofomenta la inversión en nuevos centro de producción y en la comercializaciónde nueva tecnología.

Villa Olímpica Sydney 2000

La Villa para los atletas de los Juegos Olímpicos Sydney 2000 es un ejemplodel tipo de desarrollo residencial que debería ser común en el futuro. Algunas delas 665 residencias, construidas para ser el legado de esta villa y ser vendidas enel mercado antes y después de los Juegos se muestran en la Figura 29. Cada casafue diseñada para el bajo consumo de energía usando electrodomésticos eficien-tes, gas para cocinar y calentadores de agua caliente solares estimulados por gas,además de tener un sistema fotovoltaico de un kilovatio en su tejado. Teniendoen cuenta el bajo consumo energético, este sistema fue dimensionado para gene-rar los requerimientos medios de electricidad de la casa.

Un punto muy interesante surge de este complejo. Aunque las casas fueronvaloradas en el rango de 220.000-400.000 dólares americanos, el coste delsistema fotovoltaico era aproximadamente de 7.000 dólares. A este precio elsistema fotovoltaico no representa una inversión particularmente atractiva en

Figura 28 Fotografía de tejas de vidrio con células fotovoltaicas de película delgada construidasdentro de la teja (fotografía cortesía de Sanyo Corporation).


términos del valor de la electricidad que generará. Sin embargo añade sola-mente un 2-3% adicional al precio de estas casas, lo que hace estos sistemas«asequibles» si son financiados como parte de la casa.

Módulos de corriente alterna

Hasta el presente, se necesita un electricista experimentado para conectarel sistema fotovoltaico a la luz eléctrica. Las salidas de corriente continua delos módulos se combinan y alimentan un sencillo inversor cuya salida se co-necta a la luz eléctrica.

Todo esto podría ser mucho más sencillo. Recientemente se han desarrolla-do pequeños inversores que se pueden sujetar a la parte posterior de los módu-los individuales como en la Figura 30. La salida de corriente continua delmódulo se convierte directamente en corriente alterna al nivel de módulo pro-duciendo un «módulo de corriente alterna».

Los módulos de corriente alterna tienen numerosas ventajas. Se simplificaen gran medida la conexión de los módulos entre sí y también se reducen laspérdidas del sistema. Como sugiere la Figura 30, para pequeños sistemas, unbeneficio adicional es que pronto será posible conectarlos directamente a losenchufes eléctricos, como un electrodoméstico normal de la casa (este dispo-sitivo generará electricidad en vez de consumirla). El inversor está diseñadopara operar solamente cuando está conectado al suministro de energía de lacasa. Por lo tanto no hay electricidad en el enchufe a menos que esté conecta-do. Si el sistema fotovoltaico es demasiado grande, existe la posibilidad desobrecargar el cableado de la casa si se produce un fallo en otro equipamientode la casa.

Figura 29 Algunas de las casas alimentadas por energía solar construidas para suministrar aloja-miento a los atletas participantes en los Juegos Olímpicos de Sydney.


Un electrodoméstico fotovoltaico con enchufe disponible en el supermer-cado local o la ferretería para aquellos que quieren reducir su factura de elec-tricidad o la cantidad de dióxido de carbono liberado a la atmósfera puedeestar a la vuelta de la esquina en algunos países. Hasta ese momento el distri-buidor local de células solares o la compañía energética pública son el mejorpunto de contacto para aquellos que quieren «solarizar» sus casas.

***

Los estrictos objetivos de emisión de gases por el efecto invernadero signi-fican que todas las fuentes de emisiones de gases por el efecto invernaderoincluyendo el uso de electricidad a escala residencial recibirán más atenciónen el futuro. Debido a que las fuerzas del mercado libre no han funcionadobien, se espera un incremento de la legislación en asuntos muy relacionadoscon el impacto medioambiental. Está fuera de duda que eventualmente se po-dría llegar a crear códigos de construcción que intentaran restringir las de-mandas energéticas de una nueva casa. Se puede estipular, por ejemplo, el usode células fotovoltaicas o equivalentes, para disminuir las demandas en la red

Figura 30 Concepto del módulo de corriente alterna. El inversor dedicado convierte la salida decorriente continua del módulo a corriente alterna, la forma común de electricidad en las casas urbanas.

enchufe (corriente alterna)

módulo

inversorde corrientecontinuaa corrientealterna


eléctrica y en consecuencia las emisiones de combustibles fósiles. Las apro-baciones para la renovación de edificios pudieran estar también condiciona-das a la toma de tales medidas de ahorro energético.

Para saber más acerca de los tipos de diseños fotovoltaicos residenciales quefuncionan en su parte del mundo, contacte con su distribuidor local de célulassolares, compañía eléctrica o agencia energética gubernamental. También en-contrará más información en el material sugerido como lectura adicional.

Lectura adicional

Erge, T. et al. (1998), ‘The German 1000-roofs-PV programme – a resume of the 5 yearspioneer project for small grid-connected PV systems’, Second World Conference andExhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion, July, Vienna, pp. 2648-51. (Pro-porciona un buen resumen de las lecciones aprendidas del programa alemán de los‘1.000 tejados’ y también proporciona referencias adicionales para información másdetallada).

Honda, T. (1998), ‘NEDO’s solar energy program’, Renewable Energy, vol. 15, pp. 114-18.(Provee un breve resumen del programa fotovoltaico japonés).

Strong, S. (1991), The Solar Electric House, Chelsea Green, Vermont. (Escrito por uno delos pioneros del uso residencial de la energía fotovoltaica, este libro anticipa muchosde los recientes descubrimientos en este campo).

7La fotovoltaica arquitectónica

61

Glamour y poder

Otro método de compensar los altos costes actuales de las células solareses añadir valor adicional a la energía que producen. Al precio actual de 260-570dólares por metro cuadrado de área del módulo (coste de instalación aproxi-madamente el doble), la energía fotovoltaica está muy por debajo del preciode un revestimiento de alta calidad de un edificio tal como mármol pulido. Siel valor arquitectónico de este nuevo medio es aceptado, la electricidad pro-ducida se convierte en una ventaja.

Desde un sentido arquitectónico, la fotovoltaica puede ser una declaraciónde intenciones acerca del edificio y sus ocupantes: moderna, alta tecnología,sensible social y medioambientalmente. La fotovoltaica puede cambiar lo quehubiera sido un proyecto mundano de un edificio en uno que atrajera la aten-ción local e internacional.

Aunque el uso de la fotovoltaica está todavía en su infancia, las compañías(principalmente en Europa) se están especializando ahora en el productofotovoltaico para la integración en edificios. Hay también suficiente experien-cia del pasado para asegurar el éxito técnico de dichas instalaciones.

¿Cuánta energía se puede generar al revestir los edificios de este modo?Incluso en el Reino Unido, no destacado por su clima soleado, revestir la su-perficie de todos los edificios adecuados con células fotovoltaicas supondríauna capacidad de generación de electricidad que excedería la de todos losgeneradores convencionales del país. La situación podría ser incluso mejor enla mayoría de los demás países del mundo. La Figura 31 muestra un ejemplo


del tipo de sistema: la oficina solar del Doxford hace un buen uso de la paredde cerramiento fotovoltaica. Este edificio ha sido orientado de modo que lospaneles solares apunten hacia el sur, en una inclinación para incrementar elrendimiento solar.

La dirección correcta

¿Es importante tener las células fotovoltaicas apuntando a la dirección co-rrecta? La respuesta, para Europa al menos, es que el mayor resultado anual seobtiene si el sistema se orienta al sur y un poco al oeste con una inclinación de30-40 grados desde la horizontal. La buena noticia es que el resultado se man-tiene alto incluso si el sistema solar apunta lejos de esta dirección.

Por ejemplo, un sistema vertical apuntando directamente al sur todavíadaría un 70% del mejor resultado posible. Funciona bien cuando el sol estábajo en el cielo (mañanas, tardes y la mayoría del invierno), pero peor enverano. Un sistema vertical apuntando directamente al este u oeste produce el50-60% de la salida máxima, funcionando bien en la mañana y en la tarderespectivamente.

En Europa una pared vertical orientada al norte nunca ve directamente laluz del sol excepto por cortos periodos en el verano, temprano en la mañana ya última hora de la tarde. Sin embargo todavía suministra un 20-30% del me-jor resultado posible debido a la difusión de la luz dispersa en el cielo, inclusoen días claros, pero especialmente con tiempo nublado.

Orientar el sistema de modo que apunte vagamente hacia el sol es unabuena idea, pero no esencial para obtener resultados razonables. A menudo se

Figura 31 Oficina solar de Doxford International.


produce una fuerte demanda de electricidad durante las tardes de verano debi-do las cargas de aire acondicionado de los edificios. Un sistema apuntandomás hacia el oeste que al este puede ser la mejor alternativa en este caso.

Cuestión de color

El color llega a ser muy importante cuando la estética está involucrada.Para mejor rendimiento, las células solares deberían tener la misma opción decolor que los Ford modelo T originales: negro, negro y negro. Cualquier otrocolor es un signo de error de diseño, al menos desde el punto de vista de losingenieros de células solares.

Las células de disco de silicio normalmente tienen un color azul oscuro, elsilicio refleja muy bien los fotones azules. Algunos rebotan y provocan efec-tos cuánticos en nuestros ojos en vez de en la célula. Las células solares depelícula delgada de silicio amorfo tienen un matiz rojizo, los fotones rojos debaja energía no tienen suficiente energía para liberar electrones desde los en-laces químicos en este material, lo cruzan y alcanzan el ojo por reflexión des-de los contactos traseros.

Para beneficio del arquitecto, las ganancias del ingeniero pueden ser anula-das dando un rango de opciones de color. Por ejemplo, con las células de disco,la etapa de texturizar la superficie (producir las pequeñas pirámides sobre lasuperficie de la célula) puede ser excluida. Éstas pirámides son demasiado efec-tivas reduciendo el número de fotones reflejados, por lo tanto previniendo laaparición de colores fuertes. Una vez se eliminan las pirámides, el color de losfotones reflejados puede ser controlado ajustando el grosor de la película deinterferencia delgada colocada por la superficie superior de células.

Mucho esfuerzo en este área ha sido realizado por BP Solarex. La gamaalta de células de contacto enterrados (ver Capítulo 4) que esta compañía co-mercializa (como la línea «Saturn») pueden igualar el rendimiento de las célu-las estándar incluso cuando se hacen sacrificios para obtener el color correcto.La compañía ha desarrollado módulos en cuatro colores diferentes; el «azulmarino» estándar, el azul claro («azul acero»), violáceo («magenta») y amari-llento («oro»). Estos módulos coloreados han sido usados para un limitadonúmero de usos hasta la fecha, y se espera que tengan un precio alto.

Células transparentes

Las láminas de silicona son opacas. Empaquetando células basadas en dis-cos entre láminas de cristal con espacio entre las celdas se puede obtener semi-transparencia. Se pueden obtener efectos arquitectónicos en el interior bastan-te interesantes como los mostrados en la Figura 32.


Con células de película delgada se puede obtener una transparencia másuniforme por dos métodos. Si los contactos de metal son sustituidos por capasde «conductor transparente» (Capítulo 3) y las células se producen muy delga-das, algunos de los fotones pasarán justo a través de la célula (ver Figura 19,pág. 38). Este enfoque está particularmente indicado para módulos de silicioamorfo. El otro enfoque es realizar un largo número de pequeños agujerosdentro del material de película delgada. Si estos agujeros son pequeños y cer-canos entre sí, el ojo verá una capa transparente, con su transparencia determi-nada por la fracción de material de película delgada eliminado.

Un enfoque completamente diferente para la transparencia es posible a tra-vés de las células coloreadas que imitan la fotosíntesis, brevemente descritasen el Capítulo 3. A diferencia de los semiconductores las moléculas tintadasen esta célula absorben sólo una pequeña gama de colores suaves, normal-mente una desventaja cuando se trata de obtener alto rendimiento. Sin embar-go si la gama fuera a longitud de onda infrarroja, la célula permitiría pasartodos los fotones visibles. El módulo parecería tan claro como el cristal nor-

Figura 32 Fachada devidrio semi-transparen-te con baterías solaresintegradas en el edificiode oficinas de HASTRAElectricity Works, Han-nover. (Fotografía corte-sía de HASTRA, Ale-mania).


mal. (El rendimiento sufriría, una célula de disco de silicio usando solamentelos fotones infrarrojos de la luz del sol solamente suministraría un tercio de laenergía posible).

Ideas innovadoras

Dado que la tecnología es tan reciente, la fotovoltaica permite un amplioabanico para la creatividad arquitectónica. Se están promoviendo competicio-nes internacionales que fomentan nuevas ideas para su uso y ayudan a explo-rar el potencial arquitectónico de este nuevo medio. Una aplicación común esreemplazar el cristal con células solares como acristalamiento estructural enfachadas y muros. Un elegante ejemplo se observa en la Figura 33.

El uso más rotundo de la fotovoltaica se muestra en la Figura 34. En ella lasbaterías solares no sólo generan electricidad sino también actúan como vise-ras, además de acumular calor para el edificio.

Un enfoque diferente se ha tomado en el sistema solar integrado en la sedecentral de Digital Equipment en Ginebra (Figura 35), creando una imagenmoderna y de alta tecnología apropiada para el negocio de la compañía.

Un ejemplo final del audaz uso de la fotovoltaica es el suministrar la ener-gía para las torres de iluminación del Olympic Boulevard para los Juegos Olím-picos Sydney 2000 (Figura 36). Las torres dan una sensación de alegría yexcitación a este gran bulevar. También sirven como lugar de reunión. El sis-tema fotovoltaico montado en elementos de soporte horizontales cerca de labase de la torre suministra sombra además de energía para la iluminaciónnocturna y las pantallas de información electrónicas.

Lo pequeño es bello

Se espera una reducción significativa en el coste de la fotovoltaica arqui-tectónica, especialmente para pequeños sistemas, debido al uso de inversorespequeños, fiables y baratos. Como se mencionó previamente las salidas decorriente continua de los módulos solares están usualmente conectadas y ali-mentan un inversor sencillo que convierte la salida de corriente continua com-binada en corriente alterna. Estos inversores se aprovechan de la economíadel tamaño, grandes inversores son más baratos por unidad de potencia con-vertida que pequeños inversores. ¿O no? Existe también la economía del volu-men, conforme más de algo se produce, más barato es producirlo, como ya seha visto para las propias células solares.

Debido a que el cableado de corriente alterna es de lejos el cableado máscomún de los edificios, otro nuevo enfoque es directamente convertir la elec-tricidad de corriente continua en corriente alterna a la salida de cada módulo;


Figura 33 Fachada so-lar ganadora de un premiode aplicación de la foto-voltaica de película delga-da (Flachglas Building,Wemberg).

Figura 34 Fachada foto-voltaica que suministra ener-gía, calor y sombra (Foto-grafía cortesía de AtlantisEnergy Ltd).


el concepto de «módulo de corriente alterna» de la Figura 30 (pág. 59). Serequieren muchos más de estos inversores de tamaño módulo para reducir loscostes comparados con las grandes unidades. Los costes de conectar los siste-mas juntos también se están reduciendo. Algunas características operacionales,como la tolerancia a sombras a través del sistema, están también siendomejoradas.

***

Figura 36 Torres de iluminación del Olympic Boulevardpara los Juegos Olímpicos Sydney 2000 cada una de ellascon un sistema fotovoltaico en la plataforma en visera cer-ca de la base de la torre. (Fotografía de Juliet Byrnes,SOLARCH, UNSW).

Figura 35 Edificio de la sede central de Digital Equipment, Ginebra. (Fotografía cortesía de AtlantisEnergy Ltd.).


La fotovoltaica es muy apropiada para el uso arquitectónico ya que puedehacer una declaración de intenciones del edificio involucrado. Los costes yaestán dentro del rango del material estándar de revestimiento de edificios.

Las instalaciones pioneras han eliminado la mayoría de los retos de la inge-niería derivados de esta aplicación. Lo que necesitan ahora los arquitectosinnovadores es adoptar este nuevo medio de diseño, incluso como marca re-gistrada. No sólo los ineficientes edificios de las pasadas décadas son sufi-cientemente buenos, los edificios del futuro pueden ser también responsablesmedioambientalmente.

Lectura adicional

Sick, E and Erge, T. (1996), Photovoltaics in Buildings: A Design Handbook for Architectsand Engineers, James and James, London. (Este manual de la Agencia Internacionalde la Energía – International Energy Agency – permitirá a todos los arquitectos, inge-nieros y propietarios integrar la fotovoltaica en edificios con un atractivo arquitectóni-co y como una opción efectiva energéticamente).

Various papers (1996), ‘The future of photovoltaics in the built environment’, special issueof Progress in Photovoltaics, July-August, Wiley. (Colección de artículos sobre el usoarquitectónico de la fotovoltaica desde un amplio abanico de perspectivas).

8Energía para los países

en vías de desarrollo

69

Energía para el mundo

Más de la mitad de los seis mil millones de personas sobre este planetaviven en áreas rurales, principalmente en los llamados países en vías de desa-rrollo, más específicamente, países con rentas per cápita bajas (que puedencalcularse dividiendo el producto nacional bruto por el total de la población).

La energía no está vista probablemente como un problema prioritario paraestos países. Las preocupaciones más inmediatas incluyen la paliación de lapobreza, la seguridad de los alimentos, el acceso a la salud, la educación y elempleo, la migración de zonas rurales a urbanas, el comercio internacional,las reservas de divisas y, a menudo, la situación de guerra civil. El principalproblema energético en las áreas rurales es normalmente encontrar suficientemadera para cocinar. En algunos países el combustible para cocinar represen-ta más de la mitad del consumo energético nacional.

La mayoría de los países en vías de desarrollo están en el proceso de extendera ritmo constante su red eléctrica en las áreas rurales en un intento de mejorar lacalidad de la vida rural. Esta propuesta es demasiado cara para ser una solucióncompleta, ya que el coste de las líneas de distribución normalmente asciendehasta los 20.000-30.000 dólares por kilómetro. Tales costes pueden ser recupe-rados solamente en áreas de gran densidad de población y donde los clientespuedan permitirse el lujo de usar una gran cantidad de energía. Aunque esta

Mil millones de personas en el mundo en vías de desarrollo todavía carecende acceso al agua potable... cerca de dos mil millones de personas carecen

de los servicios sanitarios adecuados... la energía eléctrica todavía tieneque llegar a dos mil millones de personas

Informe del Banco Mundial, 1994


forma de electrificación rural debería continuar y continuará, no podrá paliar lasnecesidades de grandes segmentos de población a corto o medio plazo.

La fotovoltaica puede suministrar un modelo complementario a estos pro-gramas de electrificación. La modularidad de la fotovoltaica le permite gene-rar electricidad exactamente donde se necesita. Como se ha visto anterior-mente, los programas subvencionados en las zonas más ricas del mundo parapromover el uso residencial urbano de la fotovoltaica están ayudando a dismi-nuir los precios de la misma. Esta tendencia a la baja permitirá a la fotovoltai-ca adaptarse mejor a necesidades energéticas más modestas en algunas de lasáreas rurales más pobres del mundo.

En su artículo «Power for the World» (Energía para el mundo), WolfangPalz de la Comisión Europea en Bruselas solicita una iniciativa internacionaly masiva de 20 años para suministrar electricidad, usando la fotovoltaica, amás de 1.000 millones de personas en el mundo. Palz calcula que se necesitanpor persona aproximadamente 10 vatios de energía fotovoltaica para «necesi-dades de supervivencia» y «necesidades básicas y de desarrollo» mostradas enla Tabla 1. También calcula la inversión necesaria de 3.000 millones de dóla-res por año sobre un periodo de 20 años (Palz señala que esta cantidad es el3% de las inversiones energéticas acumuladas anuales en los países en vías dedesarrollo y menos de 0,5% del gasto militar global).

¿Es factible este objetivo? ¿Cuáles son los principales problemas? Ya haysuficiente experiencia con este tipo de sistemas, describe Palz, con más de200.000 «sistemas solares en hogares» ya funcionando en el mundo entero, enparticular en China, Colombia, India, Indonesia, Kenia, Marruecos y México.Hay también más de 10.000 bombas de agua solares que suministran aguapara consumo y riego. La iluminación exterior alimentada por células solarestambién está extendida, como por ejemplo para clases de alfabetización paraadultos en la India o en lugares de reunión en los pueblos en Indonesia. Lafotovoltaica también está ampliamente extendida en los centros de salud ruralpara tareas como la refrigeración de vacunas (la refrigeración doméstica no esutilizada de forma generalizada en algunas comunidades en los países en víasde desarrollo cuyos alimentos tradicionales no requieren el almacenaje en frío).

Se ha propuesto que el cociente de adopción de una nueva tecnología de-penda de su «ventaja relativa» sobre aquello que reemplaza (o sobre otrosposibles usos de los fondos disponibles). El grado de ventaja relativa suelereflejar preocupaciones económicas o sociales. El acceso a la radio y a latelevisión que un sistema solar provee, puede llegar a ser un importante factorpara que una familia haga el sacrificio económico necesario para adquirir, oincluso mantener tales sistemas. El probable desarrollo de televisores de bajapotencia usando cristal líquido como en los ordenadores portátiles podría esti-mular este mercado. Los enfoques que implican propiedad y responsabilidad

71Energía para los países en vías de desarrollo

Tabla 1 La fotovoltaica para necesidades mínimas (esquema de Wolfgang Palz para un modelo devilla de 600 habitantes distribuidos en cuarenta familias de 15 personas cada una).

Vatios per cápitaNecesidades de supervivencia

Desinfección y suministro de agua 3,15Centro de salud 0,35Teléfono de emergencia 0,05Cuidado dental 0,45

Total: 4,00

Necesidades básicas y de desarrolloIluminación familiar 0,87Iluminación calles 0,40Centro cultural 0,33Lucha contra insectos 0,50Televisión educacional 0,23Estación de carga de baterías 0,34Teléfono rural 0,03Frigorífico para la tienda del pueblo 0,17Taller 0,68

Total: 3,50

Pérdidas técnicas (batería, etc.) 2,50

TOTAL 10

individual para el sistema solar y algún tipo de sacrificio financiero por partedel usuario, incluso si es simbólico en términos de costes del sistema reales,generalmente han salido mejor parados que aquellos enfoques que implicangrandes sistemas para una comunidad.

Sistemas solares familiares

En la Figura 37 se muestra el típico sistema solar familiar individual. Adiferencia de su homólogo conectado a la red eléctrica, la salida de corrientecontinua de la fotovoltaica se usa directamente en vez de ser convertida acorriente alterna. El módulo fotovoltaico se conecta a una batería de plomo-ácido y las cargas eléctricas del domicilio a través de un «controlador de car-ga» electrónico. Este controlador previene que, durante el clima soleado, labatería se sobrecargue y también previene que debido a la extracción excesivade electricidad la batería se agote. Sin este controlador, la vida de la batería sereduciría drásticamente como se explica en el Capítulo 5.


Los paneles solares deberían estar generalmente en el rango de 20 a 50vatios. Este pequeño tamaño suministraría energía para la iluminación y unaradio mientras un sistema mayor podría también alimentar un aparato de tele-visión en blanco y negro. Las luces serían generalmente lámparas fluorescen-tes eficientes o lámparas incandescentes de muy baja energía, usadas parasuministrar «orientación» nocturna. Usando el sistema solar para suministrarenergía para la radio se elimina la necesidad de baterías de célula seca, quepueden consumir una parte significativa de los ingresos anuales de una familiarural. Otros gastos mayores desplazados por el sistema solar son aquellos rela-cionados con el queroseno, las velas o la parafina, usados para la iluminación.

¿Son asequibles estos sistemas? La respuesta es la siguiente: estos siste-mas, incluso para los pequeños ($500-800), están más allá de los recursos de

Figura 37 Sistema solar familiar para electrificación rural: (1) Módulo solar (en este caso monta-do sobre un mástil, asegurando el acceso a la luz solar y dificultando su sustracción); (2) cableado ala casa; (3) controlador de carga; (4) batería; (5) lámpara fluorescente; (6) radio; (7) televisión.


la mayoría de las áreas rurales de los países en vías de desarrollo. Incluso parauna riqueza moderada este sistema representaría la principal inversión. Porejemplo, un granjero en Bangladesh tendría que vender cinco vacas para com-prar este tipo de sistema.

Los costes de mantenimiento de estos sistemas también tienden a ser bas-tante altos para este uso. Ya que los costes de inversión en el sistema son unapreocupación, los componentes de alta calidad, como las baterías, loscontroladores de carga y las lámparas, son extremadamente caros y los com-ponentes usados a menudo necesitan frecuentes reparaciones o sustituciones.Se han estimado costes de mantenimiento de 2-3 dólares por mes. Esto es másde lo generalmente asequible. Muchas familias en las áreas rurales ya pagan5-10 dólares al mes por artículos como queroseno, velas o carga de bateríasque ya no serían necesarios, o al menos no en la misma medida, si un sistemasolar fuera instalado.

Las barreras de entrada se incrementan por la falta de acceso a créditos.Los altos márgenes de ganancia de los distribuidores en áreas con ventas limi-tadas combinados con los impuestos de importación, aranceles y los impues-tos individuales en componentes importados usados en el sistema, junto conlos subsidios por queroseno y servicios de red eléctrica, se añaden a estasdificultades.

Aunque se conocen algunos ejemplos de grandes sistemas solares privadosinstalados comercialmente, la parte más rica de la población rural es probableque participe. La mayoría de los sistemas que operan en los países en vías dedesarrollo han sido subvencionados por gobiernos (para servicios de electrifi-cación rural convencionales) o por agencias de ayuda internacional. A menu-do, los usuarios pagan una entrada y una cuota mensual por un periodo fijo (amenudo 5 ó 10 años), frecuentemente basada en el coste de productos como elqueroseno que ya no se van a necesitar.

Créditos retornables

El enfoque de créditos retornables incrementa los beneficios a partir de unasuma inicial dedicada a estos sistemas, aunque la experiencia con estos esque-mas no ha estado siempre a la altura de lo esperado.

Erik Lysen, antiguamente en la agencia para la energía y el medio ambientede Holanda, expone el siguiente ejemplo. Digamos que nosotros comenzamoscon un fondo de $50.000, del cual se pueden comprar 100 sistemas solaresprivados de $500 cada uno. A un interés del 10% y a 10 años de periodo dedevolución, la cuota mensual necesaria sería de $6,78 mensual o $81,37 anual.Durante el primer año se tendrían $8.137 disponibles para la compra de 16sistemas adicionales. Durante el segundo año, se podrían comprar 18 sistemas


más, y así en adelante. Después de diez años habría más de 280 sistemas fun-cionando sin necesidad de más pagos en los cien primeros. El número de sis-temas para los cuales se necesitan hacer pagos disminuye ligeramente el añodecimoprimero pero pasado ese punto, continua creciendo. Lysen calcula queen el año 20 estarían funcionando 1.672 sistemas. Si este esquema se conside-rara terminado en ese punto, los pagos que vendrían durante los siguientes 10años darían un fondo de capital acumulado de $689.000 correspondiente alinterés compuesto del 9,1% de los originales $50.000.

Esto quizás no es demasiado sorprendente ya que en este diseño se estáproduciendo un retorno del 10% de los fondos prestados (en este ejemplo notodos los fondos están generando este retorno en los últimos 10 años). Este esun ejemplo ideal ya que asume coste de operación cero para este esquema,costes de mantenimiento cero para el sistema y cero morosidad. Esto último amenudo ha sido un problema en la práctica, particularmente cuando ha habidoun problema técnico con el sistema o, de otra manera, si no ha estado a laaltura de las expectativas (la «ventaja relativa» tiene que ser real, especial-mente en estas grandes inversiones).

Esto significa que en algunos casos los fondos «no vuelven». Lysen calcu-la, que con un cociente de abandono del 5% (aparentemente sin recuperacióndel sistema y reventa), el número de sistemas instalados en los 20 años caeríade 1.672 a 948 y los fondos acumulados finales a una cantidad más modesta de$88.000.

El punto clave con el enfoque de créditos retornables es que los pagos seusan para incrementar el número de sistemas más allá de aquellos financiadospor el fondo inicial. Si estos fondos vienen como una subvención, los pagosdel sistema se pueden basar en la cantidad que puede ser asequible en la re-gión involucrada, en vez de en retornos económicos normales. Los pagos pue-den ser todavía invertidos en sistemas adicionales. Por ejemplo, en el casoanterior, si a los destinatarios se les pide que paguen $3 al mes y el sistemaserá suyo después de 10 años, idealmente habrían funcionando 233 sistemasdespués de 20 años con fondos suficientes para financiar aproximadamente 4nuevos sistemas por año en el futuro (serían posibles más si los costos de lossistemas fotovoltaicos disminuyeran en este periodo).

Para el éxito de este esquema es esencial una infraestructura de manteni-miento apropiada para mantener los sistemas funcionando y unos incentivospara evitar la morosidad.

Cuestiones técnicas

A pesar de que los paneles fotovoltaicos raramente plantean problemas,otras partes del sistema no son a menudo tan fiables.


Las baterías son un problema. Las baterías normales de coche, las másfáciles de encontrar a un precio razonable, no son ideales para la fotovoltaica.Solamente una fracción de la carga total almacenada en la batería puede serextraída sin reducir la vida de la batería, solamente un año o dos bajo condi-ciones ideales.

Las baterías de coche necesitan ser rellenadas con agua destilada con fre-cuencia. Además, una gran cantidad de la carga almacenada se pierde porautodescarga interna. Las baterías para camiones y autobuses tienen los mis-mos problemas, pero en un grado menor, y son una mejor opción. Las bateríasde tracción, como aquellas usadas para las carretillas elevadoras eléctricas,están normalmente menos disponibles pero también son una mejor opción yaque se puede usar más carga almacenada. Las baterías de plomo-ácido sella-das son también una buena opción ya que, además de esta ventaja, requierenpoco mantenimiento.

Se han desarrollado baterías especiales específicas para sistemas solares ya pesar de ser más caras y menos disponibles localmente, es más probable querespondan bien para este uso. A menudo se indica una vida operativa de hastacinco años. Las baterías de níquel y cadmio también son apropiadas para estetipo de uso solar pero son prohibitivas por su precio.

Otro componente importante del sistema es el controlador de carga ya queprotege la batería y prolonga su vida. Idealmente el controlador previene lasobrecarga de la batería y la descarga completa de la misma. El controladorpuede desconectar las cargas cuando la carga de la batería cae por debajo deun nivel fijado, característica raramente apreciada por el usuario del sistemaes una buena opción. El uso de indicadores, de modo que el usuario puedafácilmente ver cuánta carga queda en sus baterías y racionar su uso.

La fiabilidad de la electrónica del controlador de carga siempre ha sido unapreocupación. Estas unidades son adecuadas para la fabricación en ámbitolocal, aunque sin una gran cantidad de investigación no es posible una altafiabilidad. El coste adicional de esta unidad y la incertidumbre sobre su fiabi-lidad algunas veces provoca su exclusión, reduciendo por tanto la vida proba-ble de la batería. En este campo, los usuarios a menudo evitan tener que usarla unidad si funciona mal o interfiere con el uso deseado para el sistema.

Como consejo para el usuario aun cuando los módulos solares son extre-madamente fiables y necesitan poca atención, se necesita un mantenimientocontinuo de todo el sistema. Para este cometido se puede utilizar la infraes-tructura técnica existente. En China, por ejemplo los puntos de venta paramaquinaria agrícola ahora actúan como puntos de distribución y asistenciapara sistemas solares privados.

También se recomienda el entrenamiento de gente joven como técnicos eneste área, permitiéndoles tener unos ingresos por este trabajo.


Fomentando la energía solar

La experiencia hasta la fecha ha mostrado la importancia de tener la comu-nidad local apoyando completamente cualquier iniciativa para instalar siste-mas solares particulares. Es importante la percepción de grandes ventajas re-lativas, como por la atracción por la televisión. La actitud de las compañíaseléctricas regionales respecto a los sistemas solares particulares es tambiénrelevante. Los programas solares han funcionado perfectamente cuando hansido llevados a cabo en cooperación con programas de electrificación rural deestas compañías, en vez de en competencia directa.

Algunas historias de éxitos

Aunque el 95% de la población de México está conectada a la red eléctrica,algunos millones de mexicanos viven en áreas rurales remotas donde es im-probable que ésta se adentre. Aproximadamente 20.000 sistemas solares hansido instalados por compañías privadas. Adicionalmente, desde 1991, el go-bierno mexicano ha intervenido en un programa de electrificación rural foto-voltaica en paralelo con su programa de expansión de la red eléctrica. Esteprograma está dirigido a las comunidades, de modo que las peticiones para la«solarización» deben venir de forma individual por cada comunidad.

Se otorga preferencia a las comunidades pequeñas (l00 o menos personas)con distancias medias entre las casas de 50 metros o más, sin posibilidades deelectrificación de red en los próximos tres a cinco años y sin planes para gran-des cargas eléctricas como motores. La comunidad también tiene que estardispuesta a contribuir con los costes del sistema y crear una organización localpara apoyar el proyecto, durante y después de la instalación del sistema solar,y recaudar las cuotas de la comunidad para el mantenimiento y expansión delsistema. Aproximadamente 85.000 comunidades en México podrían cumplirestos criterios.

Un sistema típico, al menos el suministrado por este programa, consistiríade un módulo de 50 vatios, un controlador de carga, una batería y tres lámpa-ras fluorescentes de 13 vatios (cuando la electricidad de red está conectada, lailuminación es la carga más común ya que los propietarios a menudo no pue-den permitirse el lujo de otros electrodomésticos).

Más de 35.000 sistemas solares han sido instalados bajo el programa mexi-cano, llegando a más de 700.000 personas en más de 1.000 comunidades sepa-radas. Aunque este modelo nunca ha estado libre de problemas, ha permitidoque la fotovoltaica sea un camino de electrificación rural aceptable dentro delpaís. Los problemas técnicos están principalmente relacionados con el des-igual nivel de fiabilidad de los componentes del sistema, con los habituales


problemas con las baterías, los controladores de carga e incluso las lámparasfluorescentes. Por el lado social, se producen pocos problemas cuando losusuarios se involucran pronto en el proyecto y son debidamente entrenados enel uso y mantenimiento del sistema. Por el lado institucional, los problemasson a menudo relativos a la falta de familiaridad del personal de la agenciaejecutora con la nueva tecnología, la ausencia de códigos y estándares paraproductos, la falta de soporte de la industria local y la falta de madurez de losmodelos para la ejecución del proyecto.

Indonesia se encuentra en el proceso de suministrar sistemas solares parti-culares para un millón de sus casas rurales sobre los próximos diez años. Unproyecto piloto comenzó en la villa de Sukatani en 1989 seguido por uno enLebak en 1990. Cuando el presidente indonesio vio por primera vez estossistemas, le impresionaron de tal forma que decidió lanzar el programaPresidential Aid (Ayuda Presidencial) en 1991 que vio instalados 3.500 siste-mas adicionales.

Este programa condujo a otro programa AusAID que involucraba a losgobiernos australiano e indonesio para instalar más de 36.400 sistemas. Comoel programa Presidential Aid, este programa está basado en cooperativas devillas que actúan como un intermediario entre el gobierno y los usuarios. Serealiza una entrada equivalente a 20 dólares con pagos mensuales de 4 dólaresdurante 10 años. De esta cantidad el 10% es una cuota de gestión para lacooperativa, el 20% va a un fondo para la sustitución de la batería y el 70%restante se usa en un fondo giratorio para financiar otros sistemas. Un modeloentre los gobiernos bávaro e indonesio que implica 35.000 sistemas adiciona-les ha sido anunciado recientemente.

En Indonesia 200.000 casas más son el objetivo de un modelo orientado almercado soportado por el Banco Mundial para los próximos 4 años. Los siste-mas se venden de acuerdo con un contrato de alquiler-compra entre el dueño dela casa y los concesionarios locales responsables de la instalación del sistema ysu mantenimiento. Es típico que una entrada de entre 80 y 125 dólares estaríaasociada con pagos mensuales de entre 8 y 10 dólares sobre los próximos tres ocuatro años. No hay subsidios continuos, solamente un subsidio inicial de entre75 y 125 dólares sobre el coste del sistema dependiendo de su situación.

Sistemas energéticos en villas

Casi toda la experiencia hasta la fecha sugiere que un sistema solar indivi-dual es mejor alternativa para suministrar energía a la casa en las villas ruralesque la otra opción: un gran sistema compartido por toda la comunidad.

Un gran número de sistemas fotovoltaicos para villas han sido instaladosalrededor del mundo que imitan el suministro de red eléctrica convencional en


su funcionamiento. El sistema generalmente consiste en un generador foto-voltaico centralizado sencillo, un banco de almacenamiento de baterías, uninversor de corriente continua a corriente alterna y una red de distribución deelectricidad local, que lleva la electricidad a las casas de la villa. Habitual-mente el pico de potencia está en el rango de 1-20 kilovatios.

Se han producido algunos problemas con estos sistemas, incluyendo la fal-ta de fiabilidad particularmente de los inversores. Otra gran preocupación esla gestión de estos sistemas. Enfoques como la imposición de un límite supe-rior de consumo energético diario de los usuarios individuales de un sistemacompartido, pueden mejorar la efectividad futura de estos sistemas.

Bombeo de agua

En muchas partes del mundo el papel de recoger el agua para la casa recaesobre mujeres y niños quienes a menudo andan varios kilómetros hasta alcan-zar un abastecimiento fiable. El consumo de agua insalubre es una de las ma-yores causas de enfermedades en todo el mundo.

El bombeo de agua es apropiado para la fotovoltaica ya que las baterías dealmacenamiento no son necesarias, el agua bombeada puede ser almacenadaen vez de electricidad. El sistema es mucho más simple y, en principio, muchomás fiable.

Las bombas fotovoltaicas son particularmente apropiadas para regionesdonde el agua es escasa porque son pequeñas y, como ya se ha comentadopueden ser muy fiables. Generalmente aprovechan fuentes de agua a partir deunos 20 metros bajo tierra (Figura 38). La conveniencia de este suministroproporciona una ventaja relativa y es el hecho clave en el éxito de tales pro-yectos.

La mayoría de los sistemas de agua potable de estas características usan máso menos 1 kilovatio de potencia fotovoltaica, más allá de los recursos de losciudadanos particulares. Generalmente estos sistemas están sufragados bajo pro-gramas de ayuda internacional con la responsabilidad para la comunidad desti-nataria del mantenimiento del sistema a través de las ventas de agua potable.

Los pozos a menudo tienen una capacidad de aspiración adicional limitada(la cantidad de agua que puede ser retirada sin secar el pozo). Esto significaque un pequeño sistema fotovoltaico puede ser una buena combinación parael cociente de aspiración adicional máximo. Por ejemplo, los países del Sahel(en África del Oeste) son el hogar de 35 millones de personas que se extiendensobre una área de 5,7 millones de kilómetros cuadrados en los cuales se hanencontrado 27.000 fuentes de agua. Cerca del 70% de estos pozos tienen unacapacidad de aspiración adicional que es demasiado pequeña incluso para unabomba fotovoltaica estándar de un kilovatio.


Las bombas fotovoltaicas para la irrigación de cultivos generalmente bom-bean aguas poco profundas. Estos sistemas pueden ser muy sencillos, con elgenerador fotovoltaico acoplado directamente al motor de corriente continuaque maneja la bomba, la cual a menudo flota en la fuente de agua. El valor delagua de riego es mucho menor que el agua potable, siendo este uso menosapropiado para la fotovoltaica a los precios actuales.

Otros usos

Las linternas solares generalmente tienen células solares, una batería y unalámpara combinadas dentro de un paquete portátil. Estas linternas pueden sermás baratas en realación a su vida útil que las lámparas de queroseno usadasen las áreas rurales y no huelen ni presentan riesgo de fuego. De todas formasno han sido tan ampliamente aceptadas como se esperaba, posiblemente debi-

Figura 38 Sistema de suministro de agua potable con energía fotovoltaica (en este ejemplo se usaun motor de corriente continua conmutado electrónicamente; se requeriría un inversor para un mo-tor de corriente alterna).

motor

matrizfotovoltaica

cableado

tanque dealmacenamiento

pozo de sondeo

bomba


do a las dificultades de financiación, causadas por sus relativamente costesiniciales grandes. Su «ventaja relativa» sobre su alternativa puede no ser sufi-ciente para motivar dicha inversión.

Debido a la tradicional falta de iluminación nocturna, las luces de la calleno son una prioridad alta para la mayoría de las aldeas rurales. Sin embargo,son ideales para puntos de reunión como plazas publicas, centros comercialesy para las clases nocturnas. Más de 30.000 luces en calles alimentadas porenergía solar están instaladas solamente en la India. Normalmente consistenen un panel de 25-70 vatios con una batería y una lámpara fluorescente de10-20 vatios. La lámpara puede funcionar varias horas por la noche.

Los teléfonos alimentados con energía solar usualmente se combinan conla red telefónica estándar usando un enlace de radio. Cada vez es más comúnel uso de estos teléfonos conforme la población rural incrementa su contactocon las ciudades, a menudo a través de la migración de miembros de la fami-lia.

La energía solar puede mejorar la productividad en la fabricación de arte-sanía suministrando electricidad para la iluminación y para alimentar peque-ñas herramientas como taladros y sierras.

En algunas partes del mundo, un método habitual para obtener electricidaden las casas fuera de la red eléctrica es el uso de una batería de plomo-ácido, amenudo una batería de coche, como el equivalente eléctrico del gas embote-llado. Después de la descarga, la batería se lleva a una estación de recargacercana, normalmente dos veces al mes. Se han establecido un gran númerode estaciones de carga de baterías alimentadas de forma solar en diferenteslugares alrededor del mundo.

Los centros de salud rurales necesitan electricidad para usos como ilumi-nación, bombeo de agua, esterilización, refrigeración de vacunas y otros. Lossistemas fotovoltaicos en el rango de 300-1.500 vatios son a menudo utiliza-dos para suministrar energía para estas necesidades.

Las escuelas son un objetivo obvio para los sistemas fotovoltaicos en co-munidades. La energía fotovoltaica puede ser usada para suministrar aguapotable además de electricidad para la televisión educacional e iluminaciónpara las clases nocturnas para adultos. Típicamente se usaría un kilovatio depotencia fotovoltaica.

***

Aunque hay un gran número de sistemas solares fotovoltaicos particularesya funcionando en los países en vías de desarrollo, hay posibilidades paraincrementar su uso varios miles de veces. El decrecimiento actual en los cos-tes de la fotovoltaica acelerará la expansión de la tecnología. Un gran reto, sin


embargo, es desarrollar la infraestructura necesaria para permitir la financia-ción, instalación y mantenimiento de estos sistemas. Importantes programasalrededor del mundo están consolidando la experiencia en estas áreas y se estácomenzando a llegar a un consenso para los mejores enfoques.

Lectura adicional

Lorenzo, E. (1997), ‘Photovoltaic rural electrification’, Progress in Photovoltaics, vol. 5,January-February, Wiley, pp. 3-28. (También ver el número especial de esta publica-ción, ‘The future of rural electrificación’, vol. 6 September-October, 1998, que contie-ne algunos artículos sobre este tema).

Ossenbrink, H. (ed.), (1998), Proceedings of the Second World Conference on Solar EnergyConversion, Vienna, July, pp. 2859-3039. (Estas páginas de los procedimientos de laconferencia contienen artículos sobre ‘sistemas autónomos y sus aplicaciones’ y ‘elec-trificación rural’).

Palz, W. (1994), ‘Power for the world’, Proceedings of the 12th European PhotovoltaicSolar Energy Conference, Amsterdam, April, pp. 2086-88. (El procedimiento de laconferencia incluye los artículos del simposium ‘PV in developing countries’, pp.1923-2088, incluyendo Uken, E. ‘Affordable light for unelectrified dwellings’, pp.2012-15, y un artículo por Lysen, E. ‘Photovoltaics in the south’, en el cual se basaparte del material de este capítulo).

Roberts, S. (1991), Solar Electricity: A Practical Guide to Designing and Installing SmallSolar Systems, Prentice Hall, New York. (Como el título sugiere, este libro es unabuena fuente práctica para aquellos dedicados a la instalación de sistemas en los paísesen vías de desarrollo).

9Energía para el futuro

83

Los tiempos están cambiando. El siglo XX abarcó un periodo de creci-miento y desarrollo masivo alimentado por la energía solar basada en los com-bustibles fósiles. Este enfoque al suministro de energía sólo puede ser una«solución temporal» debido a los efectos dañinos sobre el medio ambiente porlas emisiones de dióxido de carbono.

Como ya sabemos el sol realiza el 99,99% del trabajo necesario para sus-tentar la vida humana. La energía del sol que alcanza a la tierra en sólo tressemanas es igual a la almacenada en todas las reservas conocidas de combus-tibles fósiles. Hay más energía solar de la necesaria para sustituir la relativa-mente insignificante cantidad que ahora proviene de los combustibles fósiles.

Las células solares suministran el método más atractivo para explotarlacomo recurso masivo. Grandes centrales eléctricas centralizadas, como lasplantas de combustible fósil usadas actualmente para generar la mayoría denuestra electricidad, eventualmente serán factibles con la fotovoltaica. Sinembargo la tecnología puede ser también usada individualmente, en particularen los tejados de las casas privadas.

Hemos visto cómo las células solares convierten casi mágicamente losfotones de la luz del sol en electricidad. Mejoras tecnológicas, como las ofre-cidas en el enfoque de «película delgada», contribuirán a la caída en picado delos costes de las células. Eventualmente las células costarán sólo unas pocasveces el coste de la lámina de vidrio. En las próximas décadas la energía foto-voltaica cambiará de su pasada situación de ser un método caro de generarelectricidad a ser uno de los más baratos.


Afortunadamente, la demanda está intensificándose, con numerosos paísesahora comprometidos en el uso a gran escala de la fotovoltaica en los tejadosde las residencias particulares en áreas donde ya existe la electricidad conven-cional. En esta década, las decenas de miles de casas alimentadas por la foto-voltaica actualmente crecerán a millones bajo los programas actuales. Dentrode una década, conducidos por estos programas, se espera que los costes de lascélulas para sistemas particulares sean suficientemente bajos para ser compe-titivos sin la necesidad de subvenciones.

El uso arquitectónico en edificios es también probable que llegue a serelocuente durante los próximos 10 años. La cantidad de energía que puede sersuministrada de esta forma es significativa. Si todas las fachadas y tejadosapropiados en las áreas urbanas fueran recubiertos por fotovoltaicas, su capa-cidad combinada sería comparable a la de todos los generadores estándares decombustibles fósiles en la mayoría de los países, incluso en los climas euro-peos menos ideales.

Estos usos en los países ricos acelerarán la expansión de otra importanteaplicación, suministrar energía a 2.000 millones de personas en el mundo en-tero actualmente sin ella. La fotovoltaica ya es el método más sencillo dehacerlo, particularmente en las regiones más remotas y menos accesibles delos países en vías de desarrollo. Aunque en algunas de estas regiones ya se haninstalado cientos de miles de sistemas solares fotovoltaicos particulares, ladisminución de los precios de la fotovoltaica reducirá el mayor impedimentopara su adopción y las dificultades de financiación. El número total de siste-mas necesitaría crecer miles de veces para tener un impacto significativo enlas necesidades.

Aunque se supone que las tres aplicaciones mencionadas (energía para par-ticulares en ambos países desarrollados y en vías de desarrollo y uso enotros edificios) serán las más importantes para la próxima década, sin embar-go, no son el límite en lo que es posible. No hay ninguna razón técnica por laque la fotovoltaica no puede ser utilizada para suministrar la gran mayoría delas necesidades energéticas del mundo, a largo plazo. El requisito clave es lareducción varias veces en el coste de la lámina de vidrio estándar, un objetivoque es técnicamente factible. El otro es la mejora de los medios de almacena-miento o transmisión de energía, como el almacenamiento a través de com-bustible químico o el método de transporte de electricidad a bajo coste. Desdeaproximadamente el año 2050 en adelante, esta tecnología «de escala huma-na» podría ser la fuente de energía dominante en el mundo.

Glosario

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AdulteraciónProceso de introducir pequeñas cantidades de átomos extraños para controlar las propiedadeselectrónicas de los semiconductores.

CargaCualquier electrodoméstico o dispositivo que puede funcionar por medio de electricidad.

Controlador de cargaCaja electrónica que previene la sobrecarga de las baterías.

Corriente alterna (AC)Electricidad habitual en las casas, cuya característica es que la corriente eléctrica cambia de dirección50 ó 60 veces por segundo, en función del país donde se viva.

Corriente continua (DC)Electricidad, como la suministrada por las baterías químicas y las células solares, donde la corrienteeléctrica fluye en una sola dirección (del polo positivo al negativo).

Crecimiento de alimentación de película definido desde el borde(Edge-defined film-fed growth – EFG)Método de moldear silicio con la forma de una cinta sólida delgada haciéndola pasar a través de untroquel de carbono mientras está fundido.

CuantoEl paquete de energía más pequeño que puede ser intercambiado en un proceso físico.

ElectrónPortador fundamental de carga eléctrica. Los electrones en movimiento representan corriente eléctrica.Los electrones transportan carga negativa.


Energías renovablesFuentes de energía como el viento y el sol que se renuevan constantemente y no se agotan durante eluso.

FotónCuanto fundamental de energía dentro del cual la luz se puede subdividir.

HuecoPortador de carga eléctrica efectiva formado por la ausencia de un electrón, como una burbuja seforma por la ausencia de líquido. Los huecos transportan carga positiva igual pero opuesta a la delelectrón.

InversorCaja electrónica que convierte la salida de corriente continua de un módulo solar en corriente alternarequerida para los electrodomésticos comunes del hogar.

MóduloPaquete de células solares, generalmente consistente en una lámina de vidrio que cubre 36 celdasconectadas y a menudo con un marco de aluminio alrededor de sus bordes.

Suministro de energía en área remota (Remote Area Power Supply – RAPS)Sistema fotovoltaico autocontenido designado para áreas remotas donde no hay fuentes de electricidadauxiliares.

SuperestratoCapa de soporte, transparente para uso solar, debajo de la cual se deposita otro material.

SustratoCapa de soporte sobre la cual se deposita otro material.

TransformadorPieza de equipamiento eléctrico usada frecuentemente que cambia el voltaje de la corriente alterna(por ejemplo un transformador cambia los altos voltajes usados para la distribución deelectricidad a bajos voltajes usados en el hogar).

Unión p-nDispositivo electrónico formado por una interfase entre una región de semiconductor adulteradapara tener propiedades «positivas» (tipo-p) y una segunda región adulterada para tener propiedades«negativas» (tipo-n).

Contactos útiles

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Internet es una excelente fuente de información sobre la fotovoltaica (PV). La lista siguiente desitios web de células solares se basa en la relación recopilada por Dr. Mary Archerincludes (graciastambién a Pietro Altermatt, Holger Neuhaus y Johnny Wu). Para información sobre lo que ocurre ensu zona, visite el sitio web de su compañía energética local o agencia de energía.

www.caddet-re.org/html/pvpsp.htm(Programa de sistemas energéticos de fotovoltaicos de la International Energy Agency)

www.energy.sourceguides.com/businesses/byP/solar/pvM/byN/byNameB.shtml(Negocios relacionados con la fotovoltaica en el mundo por nombre con enlace a los sitiosweb de los fabricantes)

www.epa.gov/globalwarming/actions/solar/sol/index.html(Sitio web de la Environmental Protection Agency Norteamericana que describe los beneficiosdel uso de la energía solar para reducir el calentamiento global)

www.eren.doe.gov/consumerinfo/refbriefs/t396.html(Lista de sitios web interesados en el uso de la fotovoltaica y otras energías renovables en lospaíses en vías de desarrollo)

www.eren.doe.gov/pv(Programa fotovoltaico del Department of Energy norteamericano)

www.eurosolar.org/Publications/100.000.roof.html(Programa fotovoltaico alemán de los 100.000 tejados)

www.fsec.ucf.edu/PVT/index.htm(Pagina web de información fotovoltaica del Florida Solar Energy Center)

www.greenhouse.gov.au(Australian Greenhouse Office, incluye detalles del programa fotovoltaico residencial)

www.iclei.org/efacts/photovol.htm(Proporciona información fácil de comprender acerca de la tecnología de las células solares)

www.ise.fhg.de/Research/SWT(División de Células Solares, Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, Freiburg, Germany)


www.nef.or.jp/english/index.htm(Proporciona información del programa fotovoltaico residencial japonés)

www.nrel.gov/photovoltaics.html(Actividades fotovoltaicas del National Renewable Energy Laboratory norteamericano)

www.pv.unsw.edu.au(Centre for Photovoltaic Engineering, University of New South Wales, con enlaces a otros sitiosfotovoltaicos)

www.pvpower.com(Puestos de trabajo, formación y eventos relacionados con la fotovoltaica)

www.seda.nsw.gov.au(Sustainable Energy Development Authority, Sydney, Australia con información sobre losprogramas fotovoltaicos australianos)

www.solarschools.com/uk/scolar.htm(Scholar Program inglés para instalar la fotovoltaica en escuelas y colegios)

Índice alfabético

89

Agua, bombeo de, 78Albert Einstein, efecto fotoeléctrico, 6Almacenamiento químico, 48Australia, 49– fotovoltaica en, 56– telecomunicaciones, 39

Batería de plomo-ácido, 80Batería, sobrecarga de la, 75Baterías, 75– de níquel y cadmio, 75– de plomo-ácido, 39Bell Telephone Laboratories, 17Bolsa solar, 23Bombas de agua solares, 70Bombas fotovoltaicas para la irrigación, 79Boro, 13BP Solarex, módulos, 63

Cádmico (CdTe), 36Cadmio, 36Calentamiento global, 21Carlisle, casa, 53Casas particulares, 41Célula fotovoltaica, 32

Célula solar de contacto enterrado, 30Célula solar de silicio, eficiencia, 30Célula solar del futuro, 37Célula solar eficiente, 18Célula solar, evolución del uso de la, 39Célula solar, visión global, 13Células de combustible, 49Células de lágrima delgada, 32Células de oblea de silicio, 20Células de película delgada, 64Células fotovoltaicas, 1, 62Células solares, 1, 41– apiladas, 35– color, 63– costos de las, 3– crecimiento de la industria de, 23– de lágrima delgada, 33– de silicio amorfo, 35– elementos de las, 28– funcionamiento, 2– historia, 6– panorama futuro, 4– para naves espaciales, 19– para uso especial, 18– rudimentarias, 17– terrestres, 20– usos de las, 40


Chernobyl, 25– accidente de, 21Combustibles fósiles, 21Conductor transparente, 33, 64Conectividad, incremento de, 47Conexión a la red, 45Controlador de carga, 42, 75Créditos retornables, 73Cuánticos, dispositivos, 14Cuantos de luz, 7

Digital Equipment, 65Dióxido de carbono, 49– en la atmósfera, 22– niveles atmosféricos de, 22Dirección correcta, 62Diselenido de cobre e indio (CuInSe2), 36

Efecto invernadero, 21Electricidad, almacenamiento de, 47Electrolito líquido conductor, 37Electrón liberado, 11Energía eólica, 21Energía, países en vías de desarrollo, 69– para áreas remotas, 41– para el mundo, 70Energías renovables, 20

Fósforo, 13Fotón azul, 14Fotón energético, 11Fotón rojo, 14Fotones, 13– azules, 35– rojos, 35Fotovaltaica, estudio sistemático, 51– creatividad arquitectónica, 65– en Japón, 56– para necesidades mínimas, 71– residencial, 55– sentido arquitectónico, 61

Galio (Ga) y sulfuro (S), 36GENESIS, plan, 47

Germanio, 36Gofrado, proceso de, 29

Hidrógeno, 48– y carbón, 49

Iluminación para las torres del OlympicBoulevard, 65

India, fotovoltaica en, 70Indonesia, fotovoltaica en, 70– sistemas solares en, 77Irak, armamento nuclear en, 21Isla Rokko, instalaciones en la, 55– test para la, 54, 55

Kyoto, acuerdo de, 22

Linternas solares, 79Luz, propiedades de la, 8

Material semiconductor (TiO2), 36Materiales tipo-n, 13Materiales tipo-p, 13Metanol, 49México, electrificación rural fotovoltaica,

76Modularidad de la fotovoltaica, 46Módulos autorregulados, 42Módulos de corriente alterna, 58Módulos de silicio amorfos, 33Módulos fotovoltaicos, crecimiento en, 24Módulos solares, 2– precios de venta de los, 24

Oficina solar del Doxford, 62Oxígeno, 48

Pakistán, armamento nuclear en, 21Petróleo, crisis del, 18Plantas de generación fotovoltaica, 40

91Índice alfabético

Precio-verde, 55– fijación del, 23Proceso EFG, 32Proceso global, eficiencia del, 14Programa AusAID, 77Programa de los 1.000 tejados, 54Programa espacial, 18Protones, 14Proyecto Kerman, 46

Radiactivo, contrabando de material, 21Ratio de Burgdorf, 23Ratios, incentivos basados en, 55Reactores nucleares, 20Red eléctrica interconectada, 48Redes globales, 47RITE japonés, 49

Semiconductores, 9, 17Silicio, 9– amorfo y electrón, 35– átomos de, 9– átomos amorfos, 33– con pequeñas cantidades de boro, 12– con pequeñas cantidades de fósforo, 12– disco de, 28– durante el enfriamiento, átomos de, 11

– en cinta, proceso básico para moldear, 32– propiedades, 10– purificado, 28, 29Sistema fotovoltaico para electricidad remo-

ta, 42Sistema solar familiar, 71, 72Sistema solar individual, 77Sistemas fotovoltaicos para villas, 77Sistemas híbridos, 43Sistemas solares familiares, 71Sunshine Project, 54Superconductor, 47Sustratos de cinta, 30

Telecomunicaciones en áreas remotas, 39Telurido, 36Three Mile Island, 25Tipo-n, 14, 17, 29Tipo-p, 14, 17, 29Trampa de luz, 37

Unión p-n, 14, 17, 29Uno a uno, 14

Vanguard I, 18Villa Olímpica Sydney 2000, 57

energía fotovoltaica

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