EL avance científico y tecnológico ha permitido crear un dispositivo que capta la radiación solar y la convierte directamente en electricidad. Se llama celda solar fotovoltaica. El término fotovoltaico se compone del vocablo griego phõs que significa «luz», y «voltaico», que se relaciona con la creación de una tensión eléctrica. En síntesis, fotovoltaico significa electricidad obtenida a partir de la luz. La energía eléctrica que se obtiene a partir de la conversión directa de la energía de la radiación solar recibe el nombre de «energía solar fotovoltaica».

Las celdas solares son usadas en relojes digitales y calculadoras. También producen la electricidad requerida por una vivienda o una escuela, interconectando varias celdas para formar un panel solar fotovoltaico, pues una sola celda solar produce una corriente y tensión eléctrica pequeñas. Los paneles se agrupan para formar módulos y así obtener la tensión y la corriente eléctrica requeridas para aplicaciones específicas. El módulo fotovoltaico, las baterías que almacenan la energía eléctrica, el inversor, el regulador de carga y los cables de conexión, forman un sistema fotovoltaico (SFV).

Síntesis Histórica

El físico francés A. E. Becquerel descubrió en 1839 el «efecto fotovoltaico», base del funcionamiento de las celdas solares. Este consiste en la creación de una fuerza electromotriz (tensión eléctrica) en un semiconductor, debido a la absorción de la radiación luminosa. La primera celda fotovoltaica fue hecha en 1883, alcanzó una eficiencia menor de uno por ciento y era de selenio cubierto por una capa muy delgada de oro.

La primera aplicación de las celdas solares fue en satélites y naves espaciales y el Vanguard 1 fue el primer satélite que las usó. Los primeros paneles fotovoltaicos para uso terrestre se comercializaron en los años 80 del siglo pasado.

Las celdas solares de silicio han sido las más utilizadas y hoy abarcan alrededor del 90 por ciento del mercado. Se ha desarrollado una generación basada en celdas de láminas delgadas de otros materiales que poseen menor eficiencia al convertir la energía solar en electricidad, las cuales son más baratas. Actualmente se investigan y desarrollan nuevos tipos de celdas solares con el propósito de lograr mayor eficiencia y menores costos.

Cómo funcionan

En el caso de las celdas solares más utilizadas, al silicio cristalino de alta pureza se le añaden ciertas impurezas que modifican sus características y mediante determinados procesos tecnológicos se forma la denominada «unión PN», también presente en diodos semiconductores y transistores. Al exponer la unión a la acción de la luz, las partículas que la componen (fotones) transmiten su energía a los electrones y se crea una diferencia de potencial eléctrico en los polos de la celda. Al cerrar el circuito la celda funciona como una batería, suministrando energía eléctrica mientras incida la radiación solar.

La tecnología fotovoltaica es fiable, duradera (25 a 30 años) y de bajos costos de operación y mantenimiento. Los SFV no emplean combustible, no generan ruido y no poseen partes móviles. Se les puede añadir módulos gradualmente y permiten la generación eléctrica distribuida. Su mayor desventaja es el alto costo inicial.

Salud, entorno y recuperación energética

Después de que los paneles solares son instalados generan electricidad hasta el fin de su vida útil sin emitir Gases de Efecto Invernadero (GEI) u otros contaminantes. Pero la fabricación, uso y disposición final de los componentes de los SFV, incluidos los mismos paneles, pueden tener asociados problemas ambientales y de salud.

Según un reporte de la Silicon Valley Toxics Coallition, una organización con sede en California, en la fabricación de paneles fotovoltaicos se usan líquidos corrosivos, gases tóxicos y explosivos y compuestos que se sospecha sean carcinógenos. Los mayores riesgos para la salud humana asociados con los dispositivos fotovoltaicos podrían estar relacionados con su fabricación y no con la instalación y operación. Un reporte patrocinado por la Comisión de Energía de California y el Instituto de Investigaciones de Energía Eléctrica de Estados Unidos expresa que la posibilidad de que ocurra una emisión catastrófica de gases tóxicos es extremadamente remota y no se conoce que haya habido alguna. Los riesgos potenciales de impactos a la salud humana y el entorno, asociados con la emisión de metales pesados como cadmio y selenio debido a incendios o destrucción de los paneles, son prácticamente nulos. Reciclar los paneles que terminan su vida útil permite minimizar los impactos ambientales potenciales y recuperar materiales para reintegrarlos a la producción. En 2010 unas 7 700 toneladas de paneles solares terminarán su vida útil en Europa. En Chevtogne, al sur de Bélgica, se reciclan los paneles de un SFV de 63 kW instalado en 1983.

La producción de paneles fotovoltaicos utiliza gran cantidad de energía, pero no es cierto que producirlos requiera más de la que entregan durante su vida útil. E. A. Alsema, investigador de la Universidad de Utrecht, Holanda, estima que bajo las condiciones de irradiación solar del sur de Europa

(1 700 kWh/m2.año) y dependiendo de qué tecnología se trate, un panel fotovoltaico instalado en una azotea «devolvería» la energía empleada en su fabricación en uno o dos años. Considera también que los sistemas fotovoltaicos tienen emisiones de GEI en su ciclo de vida entre 25 y 35 g/kWh. Para comparar, la quema de gas natural en ciclo combinado, el más «limpio» de los combustibles fósiles, emite unos 400 gramos de GEI por kilowatt-hora generado.

La fotovoltaica en el mundo

La industria fotovoltaica está experimentando un rápido crecimiento. Al final de 2008 la potencia fotovoltaica acumulada globalmente fue de 15,2 GW y una parte importante está conectada a la red. En Flandes, Bélgica, región con relativamente bajos niveles de irradiación solar, la cifra de sistemas fotovoltaicos conectados a la red se duplicó de septiembre de 2008 a junio de 2009. Allí, un SFV de 3,4 kWp (Kilowatt-pico) conectado a la red, se amortiza en ocho años y produce energía limpia y gratis durante otros 17 años como mínimo.

Según un reporte emitido por la firma consultora Solarbuzz, en 2008 se instalaron en el mundo 5,95 GW en paneles solares. El 91,3 por ciento se concentró en España, Alemania, los Estados Unidos de América, Corea del Sur, Italia y Japón. La industria fotovoltaica tuvo ganancias por 37,1 miles de millones de dólares y es fuente de empleo en todos los continentes. China y Taiwán producen el 44 por ciento de las celdas solares del mundo. El precio promedio mundial en ventas al detalle de paneles fotovoltaicos de las diferentes tecnologías, en agosto del 2009, es de 4,32 euros por watt-pico. Dado que la potencia entregada por un panel solar depende de la intensidad de la radiación incidente y de la temperatura, se ha convenido medirla en watt-pico; o sea, la potencia entregada bajo condiciones específicas de 1 000 W/m2 de radiación solar y temperatura ambiente de 25 grados Celsius.

La mayor central fotovoltaica del mundo se construye en Portugal a un costo de 250 millones de euros. Tendrá 350 mil paneles solares, una potencia de 62 MW y evitará la emisión de 60 mil toneladas de CO2 al año.

En Cuba

Investigadores de la Universidad de La Habana realizan estudios sobre celdas solares desde hace más de 30 años. CUBASOLAR, la organización no gubernamental cubana para la promoción de las fuentes renovables de energía y el respeto ambiental, apoya los proyectos de electrificación rural con energía solar fotovoltaica. Aunque Cuba no produce celdas solares, el país tiene una línea de ensamblaje de paneles fotovoltaicos en el Combinado de Componentes Electrónicos de Pinar del Río.

De acuerdo con la Oficina Nacional de Estadísticas, Cuba posee 7 624 SFV. Con estos se han electrificado objetivos sociales en zonas montañosas y apartadas de la red eléctrica, incluyendo 460 consultorios del médico de la familia, 1 864 salas de televisión y 2 361 escuelas rurales, entre otros. La mayoría de las señales luminosas marítimas que se emiten en el archipiélago cubano emplean energía solar fotovoltaica. Existen dos sistemas conectados a la red eléctrica: uno en el Museo de Ciencias Naturales de Pinar del Río y otro en el Centro de Estudios Solares en Bartolomé Masó, Granma.

La tecnología fotovoltaica es compatible con la generación distribuida de electricidad, su tiempo de recuperación energética es corto y sus impactos ambientales son muy pequeños comparados con las fuentes no renovables de energía. Es una tecnología útil en una matriz energética que garantice un suministro sostenible y seguro de energía.

El autor es especialista de CUBAENERGÍA y miembro de CUBASOLAR.