Ahora entremos a conversar sobre uno de los dispositivos mas innovadores y modernos usado para captar la energía proveniente de la radiación solar. Hablemos de la fascinante tecnología de las celdas o paneles fotovoltaicos. El principio básico de esta tecnología se puede generalizar mencionando los siguientes puntos. La luz pasa a través de la capa absorbente de un material semiconductor, en donde la misma es captada en forma de fotón. El panel solar está formado por dos capas semiconductoras diferentes. La capa superior, identificada como N, y la capa inferior llamada P. Cuando el fotón penetra hasta la capa P, golpea su estructura molecular y libera electrones que se desplazan a la capa N. Como la liberación de un electrón deja un hueco en la estructura molecular de la capa P, pues otro electrón de esa misma capa P asciende para ocupar ese espacio vacío, pero nuevamente otro fotón golpea la estructura para llevar a los nuevos electrones a la capa N, en donde todos esos electrones son conducidos como corriente eléctrica a través de un circuito que alimenta a una red de distribución de consumo, abastece a una batería, o activa a un sistema de iluminación, etc. El circuito se cierra con el regreso de los electrones a la capa P para seguir el proceso de llenado de huecos en dicha capa. Es importante indicar que entre la capa N y la P existe un sector denominado Juntura (identificado en inglés en la parte derecha de la diapositiva como Junction). Esta que no permite la recombinación inmediata de los electrones con los huecos, ya que si esto ocurre, pues no habría corriente eléctrica. Finalmente, algunos materiales semiconductores incluyen el dopaje de otros elementos tales como fósforo, arsénico, boro, galio y otros mas, a fin de estimular la liberación de electrones. Pasemos a ver cuales son los principales tipos de paneles o celdas solares. El desarrollo de esta nueva tecnología comenzó junto con la carrera espacial en 1957 y los lanzamientos de los primeros satélites orbitales. Desde esa época para acá, las opciones experimentales y comerciales han alcanzado una interesante variedad de ofertas. No obstante, es bueno indicar que las celdas fotovoltaicas se basan mayoritariamente en el uso de alguna derivación de silicio como material semiconductor. Los paneles fotovoltaicos, en función del tipo de material que los forman, se dividen en: Celdas de silicio cristalinos, entre las que tenemos los paneles mono-cristalinos y los poli-cristalinos. Ambos son considerados como tecnologías de primera generación. Luego tenemos las celda solares amorfas o de silicio no cristalizado, entre las que observamos las películas delgadas y flexibles. Ya para este caso entramos a tecnología de segunda generación. Y por último vemos las opciones de tercera generación como los paneles de multifunción, celdas hechas con polímeros y la tecnología Perovskite. Actualmente, el mercado de la energía solar fotovoltaica está dominado por la tecnología de silicio cristalino que cubre alrededor del 90% del mercado global. Para que ustedes puedan diferenciarlos a primera vista, pues les muestro aquí la celda mono-cristalino, producida por rebanadas de hojuelas hasta 150 mm de diámetro y 200 micras de espesor procedente de un lingote de cristal único de alta pureza. El segundo es poli-cristalino, hecho por un aserrado de un bloque de silicio crudo, en barras y luego convertidos en obleas integradas. Los módulos flexibles y finos se construyen depositando capas extremadamente delgadas de material fotosensible sobre un respaldo de bajo costo, como puede ser la fibra de vidrio, las mallas de acero inoxidable o inclusive plástico. Esta opción ha alcanzado la viabilidad comercial en ciertas medidas, así como la utilidad que le aporta el hecho que es mucho mas moldeable.Con relación a las ventajas mas relevantes que presentan cada uno de ellos tenemos que: Los paneles solares monocristalinos tienen la mayor eficiencia entre estos tres tipos (Digamos un promedio de 20-25%), ya que están hechos de silicio de alta pureza. Además, están diseñados para alcanzar una vida útil larga y tienden a ser más eficientes en climas cálidos. Los policristalinos presentan una buena relación costo/beneficio porque esta es una de las tecnologías más baratas y los paneles pueden obtener una eficiencia de 14-16%.

En el caso de las películas delgadas, la propiedad de flexibilidad le abre muchas nuevas aplicaciones potenciales. Además, se pueden adaptar a altas temperaturas ambientales y el sombreado tiene un impacto menor en su rendimiento con respecto a las anteriores. Esta cartulina indica una referencia acerca de la proporción y cantidad instalada de los tres principales tipos de celdas solares que dominaron el mercado fotovoltaico en el año 2015. De los casi 50 GW instalados, las tecnologías Mono y policristalina lograron conquistar cerca del 90% de las ventas en ese año.No vayan a asustarse con esta lámina del National Renewable Energy Laboratory que no vamos a entrar en detalle de cada curva. Lo que deseo exponer en está grafica es la inmensa cantidad de tecnologías asociadas al desarrollo de opciones fotovoltaicas. Aquí en esta lámina se hace presente la novedosa tecnología Perovskite. Una celda hecha con un mineral compuesto de trióxido de titanio y de calcio y que en poco tiempo ha conseguido un ritmo de ascenso impresionante de rendimiento. Demos ahora un giro para conversar sobre la orientación geográfica que deben tener los paneles fotovoltaicos para así lograr mayor eficiencia. Existen cuatro maneras básicas de orientación. Todas ellas tratando de tener una proyección que busque la mejor perpendicularidad posible con respecto al ángulo de incidencia de los rayos de luz sobre la superficie de las celdas. La mas sencilla es la orientación del panel vertical fijo. En este caso, el panel se orienta hacia el Sur, sí el sitio donde la estamos instalando se encuentra en el hemisferio Norte… O viceversa. Es decir, la celda se proyecta hacia Norte, sí el lugar en donde la estamos colocando se encuentra en el hemisferio Sur. La segunda opción corresponde a la instalación del panel horizontal fijo. Ya en ese caso la eficiencia dependerá de la latitud geográfica del sitio. Es decir, que mientas sea mas cercano hacia la línea ecuatorial, pues la eficiencia será mejor. Las otras dos formas son herramientas mecánicas de superficies articulables en donde se colocan las celdas solares. Estas superficies rotan automáticamente mediante un programa de geo-orientación para que las celdas se alineen buscando la perpendicularidad hacia el sol, ya sea sobre un eje o en dos ejes. En las próximas diapositivas voy hablar de cada una de ellas. Vayamos ahora a ver varios mapas hechos por la agencia National Renewable Energy Laboratory (Conocida por sus siglas en ingles como NREL) y referida en castellano como el Laboratorio Nacional de Energía Renovable de los Estados Unidos. En estos mapas realizados por NREL se presentan los promedios anuales de la captura de la radiación solar en unidades de KWh/m2/día y según sea la manera como se orientan los paneles solares. Bajo la modalidad de paneles verticales fijos, tan solo una modesta fracción de los estados California, Nevada, Nuevo México y Colorado pudieran conseguir valores mayores a 4 KWh/m2/día. En el resto de los Estados Unidos, las cosechas de radiación solar a través de paneles verticales fijo serían aun menores. Este otro mapa responde a los promedios de radiación solar en el territorio del país en donde se instalen paneles horizontales fijos. Como podrán ver las latitudes subtropicales y las zonas donde existen bajos niveles de pluviosidad (eso significa menos recurrencias de nubes) tendrán mayor potencial para captar radiación solar. Como ven, la opción de panel horizontal fijo es mas efectiva que los paneles verticales. Las superficies completas de Arizona y Nuevo México, así como la fracción de otros cinco estados vecinos, tienen la posibilidad de colectar mas de 5 KWh/m2/día. La opción de seguidores solares de un (1) eje corresponde a un sistema automatizado, en donde se colocan los paneles solares y que su forma de giro tan solo cuenta con un grado de libertad en su movimiento. Es un equipo que rota en sentido Este-Oeste y posee un ángulo fijo en la inclinación correspondiente al promedio existente entre el punto mas alto del recorrido solar y la línea del horizonte. Este mapa muestra los rendimientos en el territorio de los Estados Unidos en donde se instalen seguidores de un eje. Observamos que usando esta forma de paneles solares móvil de un eje, los valores de radiación solar a ser captados en Estados Unidos superan los 7 KWh/m2/día en un buen porcentaje de la nación, en tanto que, en el los estados Arizona y Nuevo México, los rendimientos sobrepasan los 10 KW/m2/día. El seguidor solar de dos (2) ejes es un equipo electromecánico en donde se colocan los módulos fotovoltaicos para que las superficies de dichas celdas se mantengan perpendiculares a los rayos solares. Consiste en una herramienta que se mueve bajo el comando de un programa computacional y consigue que la insolación sea la máxima posible, haciendo que el eje uno gire de Este a Oeste, en tanto que el segundo eje busca el óptimo posible de la elevación del recorrido solar con respecto al horizonte, para así lograr la perpendicularidad de la incidencia de la luz solar. Vemos en esta diapositiva que usando esta forma de paneles solares móviles, la totalidad de los estados de Arizona y Nuevo México, un tercio del territorio de los estados California y Texas y la mitad del estado de Nevada (en esos territorios) el valor sobrepasa los 10 KW/m2/día. El resto del país presenta los mismos rendimientos indicados en la lámina anterior, el cual corresponde a la opción de un solo eje. En esta gráfica se describe la insolación en cuatro ubicaciones referenciales del Hemisferio Norte, durante el período de un año. Los valores trazados en este gráfico tienen en cuenta los efectos combinados del ángulo de incidencia solar y la extensión del día. La ubicación a lo largo del ecuador (vean la curva azul) muestra una mayor homogeneidad en la variación de duración de luz. Ya que la extensión de la iluminación solar en el ecuador es casi siempre 12 horas, eso hace que los valores de insolación sean poco fluctuantes. A medida que incrementan los grados de latitud, la duración de luz se traduce en extremos opuestos para los dos momentos de solsticios. Como es de esperar, en los días alrededor de la época de verano, la insolación es significativamente superior a los días de invierno.Si calculamos el área debajo de la curva de las latitudes de 0 grado (En el Ecuador), 30 grados (En las zonas subtropicales), 60 grados (En las zonas templadas) y 90 grados (en la región polar), encontramos que los mejores sitios para aprovechar la captura de energía solar a través de celdas fotovoltaicas, pues son las regiones tropicales y subtropicales. Por cierto, esta misma situación se presenta en el Hemisferio Sur. La única diferencia es que los meses de invierno y verano ocurren en fechas inversas a las del Hemisferio Norte. Cambiemos el asunto técnico por el tema económico. El costo, o precio, o importe de los paneles fotovoltaicos se ha reducido drásticamente en los últimos 10 años. Eso es un hecho.

Está muy cerca la fecha para que las celdas solares sean tan económicamente competitivas y accesibles, que las instalaciones para residencias, comercios, servicios o, áreas industriales no necesiten incentivos fiscales. Aclaro que la razón principal de las diferencias que ven en la tabla con respecto al costos entre las opciones residenciales, comerciales o de servicios, se debe al tamaño o la escala de las instalaciones. Cuanto mayor sea la instalación, más bajos son los costos por unidad. No solo hay reducción de costos para las compras de las celdas solares que se utilizan para generación eléctrica, sino también que, en paralelo, tenemos la disminución de costos en todos los componentes o módulos externos asociado con el sistema fotovoltaico. ¿Y cuáles son los componentes?. Bueno, vamos a verlos en la próxima lámina. Les muestro en esta imagen los mas destacados componentes. Principalmente tenemos a las baterías que acumulan la electricidad para cuando se deba satisfacer la demanda eléctrica en las horas nocturnas. Así mismo, debemos contar con un inversor de corriente directa a corriente alterna. Les comento que las celdas solares generan corriente continua y les recuerdo que en nuestras casas usamos mayoritariamente corriente alterna, por lo cual es imprescindible tener este equipo. Es obvio que necesitaremos instalar también un medidor que permita saber cuanto estamos utilizando y cuanto estamos prestando a la red de distribución en aquellos momentos que tengamos exceso de producción y podamos estar prestándole la energía en exceso a la red, para posteriores transacciones. Finalmente, no hay que dejar por fuera al panel de control, ni tampoco al regulador de carga. Miren en esta gráfica la evolución del porcentaje en el mercado de las celdas solares a nivel mundial. A partir del año 2000, China y Taiwán comenzaron una febril actividad de producción, colocación y venta de paneles fotovoltaicos que en la actualidad le han merecido cerca de un 90% del dominio en este renglón. Cinco años antes del boom chino-taiwanés, Japón y Estados Unidos eran las naciones líderes de la producción y venta de paneles solares. En esta diapositiva se indican los resultados del informe del año 2015, publicado por el Programa de Sistemas de Energía Fotovoltaicas (PVPS: Acrónimo en inglés), de la Agencia Internacional de la Energía (IEA: Acrónimo en inglés). La capacidad global instalada de celdas solares aumentó hasta alcanzar cerca de 230 GW en dicho año, y en la actualidad satisface alrededor de 1,2% de la demanda mundial de electricidad. El informe se basa en datos procedentes de 24 países que pertenecen a la Agencia Internacional de Energía, junto con la información de otros países que no pertenecen al Programa de Sistemas de Energía Fotovoltaicas. En ese mismo reporte existe otra lámina que muestra el incremento anual de la capacidad global instalada de celdas fotovoltaica en GW. China estuvo en el primer lugar, tal y como pasó también en el 2013 y 2014, instalando 15.2 GW de energía solar fotovoltaica en el año 2015. En la actualidad, la capacidad total instalada de energía solar fotovoltaica de China asciende a 43.5 GW, lo cual le permite a ese país estar en el primer lugar en este renglón. China, Japón, la CEE y EE. UU, actualmente cubren 9/10 de esta capacidad instalada. Llegamos ahora a los pros y contras. Como ventajas tenemos que la fuente solar es un recurso inagotable y abundante para alimentar las celdas fotovoltaicas.La luz solar está disponible en casi todos los lugares del mundo. Es una herramienta tecnológica confiable y las celdas solares siguen un franco asenso tecnológico. No requieren partes móviles. La generación eléctrica es silenciosa y sin contaminación. Casi no requiere de sistemas de transmisión. Su mantenimiento es mínimo y en ciertos países existen incentivos fiscales. Como desventajas alcanzamos a destacar las limitaciones que existen en las horasnocturnas, o por la nubosidad, o por la baja presencia de horas de luz durante las épocas de invierno. Su costo es relativamente alto, especialmente si incorporan equipos de almacenamiento eléctrico tales como las baterías. Requiere de un inversor para producir corriente alterna. Sí se está hablando del desarrollo de celdas solares flexibles, pues habrá que necesitar la explotación de materiales "exóticos". Es decir minerales exóticos. Además necesitan una gran cantidad de espacio abierto y su eficiencia es relativamente moderada, entre el 17 a 35 por ciento.