¿Cómo funciona la energía fotovoltaica? ▷ Elementos clave de la instalación

• ¿Qué es la energía solar fotovoltaica?
• Elementos clave de una instalación de energía fotovoltaica
• Modalidades de energía fotovoltaica en España 

¿Qué es la energía solar fotovoltaica?

Antes de explicar su funcionamiento, definiremos qué es la energía solar fotovoltaica y en qué se distingue de la energía solar térmica.

Ambos conceptos utilizan la energía solar, si bien no con el mismo objetivo. La energía solar térmica calienta agua con la energía del sol, haciendo pasar agua por el interior de los paneles solares y con unos elementos muy diversos (bombas, purgadores, vaso de expansión…). La energía solar fotovoltaica no tiene nada que ver, pues transforma la energía solar en electricidad.

Lo único que tienen en común es que ambas usan paneles y la energía proveniente del sol. 

Elementos clave de una instalación de energía fotovoltaica

Distinguiendo cada uno de los elementos que forman la totalidad de una instalación fotovoltaica y el papel que desempeñan cada uno de ellos, se comprenderá mejor su funcionamiento.

Células fotovoltaicas (paneles solares)

Si hablamos exclusivamente de la transformación de luz a electricidad, hablamos de un trabajo realizado por las células fotovoltaicas. Estas están alojadas en la carcasa protectora que, sumado al resto de componentes, conforman la totalidad de panel.

Las células fotovoltaicas están compuestas por un material del tipo semiconductor. El material más característico de las células fotovoltaicas de los paneles solares comerciales en la actualidad es el silicio. Existen otros materiales también semiconductores como el germanio o la perovskita.

Los semiconductores tienen la capacidad de transformar los fotones (luz) que llegan hasta su superficie, en electricidad. Este fenómeno se conoce con el nombre de efecto fotoeléctrico. Al recibir la luz, se genera una diferencia de potencial (análogo a las diferencias de presión que mueven el aire) en el material que provoca el movimiento de los electrones, creando una corriente eléctrica.

Este flujo de electricidad obtenida se presenta en forma de corriente continua, conocida como el movimiento de electrones en una misma dirección y sentido.

De esta forma, los paneles fotovoltaicos generan la corriente continua. Los dos grandes grupos de paneles que podemos encontrarnos en el mercado son los monocristalinos y los policristalinos. Esta diferencia atiende exclusivamente a la estructura atómica de las células que lo componen. En el caso de los monocristalinos, se tiene un único cristal de silicio cristalizado a temperatura homogénea. Los policristalinos están formados por diferentes cristales con orientaciones diferentes, lo que redunda en una menor eficiencia final, pues el recorrido del electrón tiene una mayor pérdida energética. Estos últimos tienen un tono azulado que los diferencia y los hace, en una gran mayoría, algo menos estéticos.

Por norma general, el panel monocristalino es el más utilizado y las gamas media-alta del mercado tienen una eficiencia aproximada del 20%.

Esto nos sirve para entender cómo obtenemos corriente eléctrica continua de la luz del sol. Sin embargo, un enorme porcentaje de los equipos eléctricos que utilizamos a diario se sirven de la corriente alterna, en la que los electrones varían de sentido de forma cíclica. Por tanto, la corriente continua generada es solo el primer paso para el autoconsumo solar fotovoltaico.

Para que la energía que obtenemos de los paneles fotovoltaicos (corriente continua) se pueda transformar en la electricidad necesaria (corriente alterna) es necesario el trabajo de un inversor solar.

Inversor solar

El objetivo del inversor en una instalación fotovoltaica es múltiple: aparte de convertir la energía eléctrica de corriente continua en energía de corriente alterna, un inversor cuenta con la capacidad de mejorar la electricidad que llega hasta nuestros servicios, ofreciendo un suministro seguro y de calidad, para evitar así el posible deterioro del equipamiento eléctrico.

El inversor también tiene la función de ser un equipo de seguimiento y control de la instalación fotovoltaica. Este es el encargado de monitorizar todo el funcionamiento permitiendo conocer si existen problemas o algún elemento no está funcionando correctamente. Es la cara visible de nuestra instalación. Suele estar acompañado de un medidor inteligente que permite monitorizar la instalación y, mediante una aplicación, ver en cada momento cuánto se está produciendo por los paneles.

Estos equipos, dependiendo del tamaño y potencia de la instalación fotovoltaica, contarán con unas u otras funciones, así como la existencia de diversos tipos y formatos de inversores. Pueden dividirse de muchas formas. Están los monofásicos o trifásicos, dependiendo de la tensión de suministro del edificio donde vaya a conectarse la instalación. Hay, para instalaciones muy pequeñas, microinversores, adaptados para uno o dos módulos. Existen también inversores híbridos, con capacidad para tener conectada alguna batería (ver más adelante).

Es sabido que, si a un panel le da sombra, esto afecta a toda la instalación. Esto se arregla con una tecnología con la cuentan la mayoría de los inversores actuales: el MPPT (seguimiento de punto de máxima potencia). Esto permite, por ejemplo, conectar series de módulos situados a diferentes orientaciones de forma separada en el propio inversor. Si una serie está sombreada, no afectará a la otra serie, conectada a una entrada de otro MPPT en el inversor.

Existen también inversores que admiten optimizadores de potencia en los paneles. Estos optimizadores buscan en cada panel, en cada momento, su rendimiento máximo, haciendo que actúen de forma independiente al resto. De esta forma, se optimiza la instalación en todo instante. Son más típicos en instalaciones donde se prevén sombras.

En el proceso de diseño de una instalación fotovoltaica es preciso contar con expertos en los cálculos del sistema, para que adecúen correctamente el equipo inversor en función del dimensionamiento de la futura instalación, pues este equipo tiene unos rangos de voltaje e intensidad de funcionamiento, que dependen de cuántos paneles haya y cómo se conecten eléctricamente.

Baterías (opcional)

Para el caso de querer acumular energía, puede darse que en una instalación de autoconsumo fotovoltaico se cuente con baterías de almacenamiento de electricidad. Estas funcionan en corriente continua, por lo que el inversor actuaría después. Este tipo de elementos son típicos en instalaciones donde el consumo nocturno sea importante; un ejemplo de ello pueden ser naves industriales con cámaras frigoríficas.

Contador eléctrico

A la energía que finalmente es transformada para su consumo (energía en corriente alterna) se le hace pasar por un contador para, de esta forma, cuantificar el consumo energético de la instalación. 

Modalidades de energía fotovoltaica en España

Básicamente, la energía fotovoltaica en España se divide en tres grupos, en función de cómo se trata la energía producida. Entendemos por autoconsumo la generación de energía con el objeto de consumirla instantáneamente. Cuando no se consume, se producen excedentes.

El primer grupo trata del autoconsumo sin vertido de excedentes, donde se coloca un elemento que evita que la energía producida que no se consume se vierta a la red (denominado antivertido o vertido cero). Este no tiene límite de potencia, es decir, cualquier instalación de autoconsumo puede ser sin vertido de excedentes.

El segundo grupo es de autoconsumo con compensación de excedentes, en la cual no existe ese aparato llamado antivertido, y en la que los excedentes generados por nuestra instalación son compensados a final de cada mes por la comercializadora a un precio pactado (suele estar rondando los 5-6 céntimos por kWh vertido a red). En España, el límite de esos excedentes es el propio consumo. Es decir, nunca te van a compensar más kWh vertidos que los kWh que sea tu consumo. Si tu consumo mensual son 700 kWh y has vertido a la red 800, se te compensarán 700 y 100 se perderán. Además, tu factura eléctrica siempre tendrá el término de potencia, nunca se verá (actualmente) una factura eléctrica gratuita en este sistema.

Este grupo tiene de límite los 100 kW de potencia de inversor. A partir de ahí, los excedentes no se compensan, si no que se venden. El titular de la instalación debe darse de alta como productor, lo que retrasa mucho los trámites de la instalación.

El tercer grupo engloba las grandes instalaciones e incluso los parques solares. Se trata de las instalaciones de venta a red, en las que el objetivo es simplemente vender la energía producida para obtener beneficio inmediato.

Centrándonos en el autoconsumo, una instalación requerirá proyecto de ingeniero cuando supere los 10 kW de potencia de inversor, de cara a legalizar en industria. Se presentaría el certificado de instalación, el de fin de obra (si supera los 10 kW), el proyecto (si supera los 10 kW) o la memoria técnica. En algunas comunidades es necesario que la instalación pase una revisión inicial por OCA (Organismo de Control Autorizado) si sobrepasa los 25 kW de potencia.

En cuanto al inicio de la obra, se está dando el paso de poder ejecutarlas con la presentación de una declaración responsable de obra cuando son instalaciones de autoconsumo en cubiertas privadas. En algunos ayuntamientos aún se pide licencia de obra, pero el Decreto Ley 14/2020, de 7 de agosto puso los cimientos para que esto deje de ser así.

Por último, para el trato de la energía vertida (excedentes en autoconsumo) es necesario el permiso de conexión a red de la compañía distribuidora si la instalación supera los 15 kW de potencia de inversor. Este trámite es que aleja a algunas naves industriales de usar la compensación de excedentes, y les hace irse al antivertido, que lo hace todo más sencillo a nivel de legalización en industria, pues no hay nada que tratar con la compañía eléctrica y todo va más rápido.

De la energía fotovoltaica, parece que ya se conoce casi todo, pero dado el nivel de avance en los descubrimientos de las diferentes prestaciones que ofrecen los elementos intervinientes, y de las numerosas líneas de investigación que tienen abiertas las casas fabricantes, es muy posible que la energía fotovoltaica, tal y como la conocemos, tenga los días contados en puertas de conseguir numerosas mejoras.

Esperamos que este artículo te haya servido para orientarte. Desde Caloryfrio.com recomendamos siempre consultar a un instalador de energía solar acreditado para resolver tus dudas y realizar tu proyecto con el mejor resultado.