Volumen 8 - Nš48 - Septiembre/Octubre 1998

Revista de Divulgación Científica y Tecnológica de la
Asociación Ciencia Hoy

CIENCIA Y SOCIEDAD

Abastecimiento de Electricidad a las Poblaciones Rurales

 

Aspectos Tecnológicos de los Sistemas Fotovoltaicos

Las células fotovoltaicas (o fotoeléctricas) son dispositivos semiconductores de estado sólido que convierten directamente la luz en electricidad. En general, están construidas de silicio mono o policristalino con trazas de otros elementos. Dichas células se agrupan en módulos, cada uno de los cuales consta de varias capas de materiales semiconductores con diferentes propiedades electrónicas. En una célula policristalina, la mayor parte del material es silicio dopado (o contaminado con una pequeña cantidad de boro para darle un carácter positivo o tipo P). Una capa delgada en el frente de la célula queda contaminada con fósforo, para darle carácter negativo (tipo N). La interfaz entre las dos capas contiene un campo eléctrico llamado unión.

La luz consiste en particulas llamadas fotones. Cuando incide sobre la célula solar, algunos fotones son absorbidos en la región de unión y liberan electrones en el cristal de silicio. Si los fotones tienen suficiente energía, los electrones podrán superar el campo eléctrico en la unión y quedar libres para pasar a través del silicio hacia un circuito externo. Al hacerlo, emitirán su energía en forma de trabajo útil (por ejemplo, accionando un aparato, encendiendo una lámpara). El proceso fotovoltaico es autónomo en el sentido de que carece de piezas móviles y no consume materiales ni los emite.

Un sistema fotoeléctrico consiste, ante todo, en un panel o conjunto de uno o más módulos fotovoltaicos que generan la electricidad. Luego, para que la energía provista por esos dispositivos pueda usarse en cualquier momento del día, se requieren baterías que la almacenen, puesto que sólo es posible producirla durante las horas de sol. A su vez, las baterías necesitan un dispositivo electrónico que regule su carga y limite su descarga. Este simple conjunto permite abastecer múltiples necesidades, con corriente continua de baja tensión (por lo general, de 12 voltios). En la medida en que la cantidad de energía que se deba utilizar tenga alguna importancia, se debe aumentar el número de módulos, y si se requiere corriente de mayor tensión, incorporando un inversor se puede convertir la energía a, por ejemplo, corriente alterna de 220 voltios (Fig 1). Los sistemas eólicos o hidráulicos son esencialmente similares, salvo que los paneles fotovoltaicos son reemplazados por un aerogenerador o una microturbina, que primero convierten la energía cinética del viento o el agua en energía mecánica y luego, transforman esta en eléctrica. Las baterías y el regulador de cargas también están presentes y cumplen iguales funciones.

Fig 1
Esquema de un sistema de abastecimiento eléctrico de generación fotovoltaica para uso en el medio rural.

Fig 2
Vivienda rural equipada con un panel solar o de generación eléctrica mediante células fotovoltaicas
Los sistemas fotovoltaicos, igual que los eólicos o hidráulicos, pueden abastecer electricidad para cualquier uso doméstico y para satisfacer necesidades de potencias comparativamente pequeñas en plantas productivas. Por ejemplo, pueden proporcionar energía para iluminación, aclimatación de ambientes, conservación de alimentos o medicamentos, bombeo de agua, aparatos electrodomésticos, máquinas sencillas (radio, TV, computadora, agujereadora), etc. Sin embargo, para ciertos artefactos como planchas, estufas y congeladores, que demandan mucha potencia, no resultan muy recomendables. En igualdad de otras condiciones, generan más energía a temperaturas bajas, porque se trata de dispositivos electrónicos que utilizan la luz solar y no el calor. En climas templados, sin embargo, producen menos electricidad en invierno que en verano, porque los días son más cortos, los rayos solares más débiles (ya que inciden con ángulos menores) y, normalmente, la nubosidad mayor, pero no porque haga más frío.

La generación fotovoltaica no emplea combustible, es silenciosa, no produce emisiones y requiere mantenimiento escaso y sencillo. El silicio usado en las células fotoeléctricas es el segundo elemento más abundante en la superficie terrestre; pero en la fabricación de estas se usan ciertos materiales ambientalmente riesgosos, como ácidos inorgánicos y bases, que de todos modos no tienen por qué ser liberados al medio.

La fuerte innovación que está experimentando la fabricación de sistemas fotoeléctricos está haciendo descender rápidamente su precios. Hoy, el costo medio de un sistema instalado y funcionando oscila entre $12 y $15 el Watt de potencia eléctrica, según su tamaño, la lejanía y dificultades de llegar al sitio. Se espera que en pocos años su precio baje a $9 o $10. Así, un sistema de 300W de potencia instalada, más que razonable para una vivienda rural, costará $3000 (Fig 2)