Las celdas o dispositivos fotovoltaicos se encargan de transformar la luz solar en corriente eléctrica, cada uno produce entre uno y dos watts de energía y se encuentran elaborados de diversos semiconductores, los cuales poseen dimensiones minúsculas. Con el propósito de proteger las celdas del impacto ambiental, se combina vidrio y plástico en una capa de seguridad (Solar Energy Technologies Office, s.f.).

Cuando se desea obtener una mayor cantidad de energía, se conectan varias celdas, de tal forma que se crean paneles o módulos fotovoltaicos; por otro lado, las matrices se forman a partir de un conjunto de varios módulos. Finalmente, se puede generar una red eléctrica con un gran conjunto de sistemas fotovoltaicos para cubrir cualquier necesidad energética.

La celda solar y el módulo fotovoltaico

La U.S. Energy Information Administration (2023) menciona que una celda fotovoltaica, también conocida como celda solar, es un dispositivo que, sin necesidad de movimiento mecánico, puede transformar la luz solar y, en casos especiales, la artificial, en electricidad. Cuando los fotones chocan con una celda, pueden atravesarla, ser reflejados por ella o absorbidos por el material semiconductor, sin embargo, solo los capturados se utilizan para generar energía eléctrica; esto ocurre gracias al desprendimiento de electrones que los átomos de los materiales semiconductores experimentan al absorber suficiente luz solar. Debido al tratamiento que se realiza en el dispositivo durante su fabricación, los electrones libres se mueven naturalmente a la superficie de la celda.

Figura 1. Celda fotovoltaica monocristalina.

Un panel solar se conforma de un conjunto de celdas, las cuales se usan para generar electricidad mediante el efecto fotovoltaico; dichas células están dispuestas en forma de rejilla en la superficie de los paneles, así que se describen como un conjunto de módulos fotovoltaicos que se montan sobre una estructura que les brinda soporte. En este sentido, un módulo fotovoltaico está conformado por un conjunto empaquetado y conectado de 6 x 10 celdas solares.

Figura 2. Panel solar formado por un conjunto de 6 x 10 células solares.

Tipos de arreglos fotovoltaicos

De acuerdo con Ecoflow (2022), al conectar más de un panel solar, hay dos métricas clave que debes tener en cuenta: voltaje y corriente. De hecho, cualquier sistema de energía solar tendrá una capacidad mínima y máxima para ambos; dichos límites influyen en cuál representa la mejor manera de conectar los módulos solares entre sí, pues cada uno de estos dispositivos cuenta con un voltaje y una corriente diferente. Normalmente, se conectan varios paneles solares a una central eléctrica, por lo que debes tomar en cuenta que dicha conexión entre módulos, así como el propio equilibrio del sistema, puede incidir en la efectividad para capturar y almacenar energía.

Según Nature's Generator (2023), hay dos formas posibles de conectar paneles solares: en serie y en paralelo. Ambas opciones cuentan con determinadas características que cubren ciertas necesidades de una red eléctrica y, por tanto, hay que considerar los requisitos con los que el suministro de energía debe contar para elegir el cableado adecuado.

La diferencia entre la conexión en serie y en paralelo de los módulos solares se encuentra en su voltaje de salida: en una secuencial, se visualiza un incremento del voltaje al sumar todos los voltios generados por cada panel y, además, la corriente de salida resulta ser constante en cada sección del cableado; por su parte, en una unión paralela de estos componentes, el voltaje permanece invariable mientras que el amperaje de cada salida se suma para generar una corriente mayor a la que cada elemento entrega de manera individual. En conclusión, si deseas más corriente, puedes cablear en paralelo; en cambio, si necesitas incrementar el voltaje, entonces requieres conectar en serie.

Tabla 1. Comparación entre arreglos de módulos solares en serie y en paralelo.

Sistemas fotovoltaicos aislados e interconectados

Alternative Energy Tutorials (s.f.) menciona que un sistema fotovoltaico aislado es un conjunto automático que produce electricidad para cargar bancos de baterías a lo largo del día, las cuales se usan en la noche, es decir, cuando el sol se oculta. Cabe resaltar que los dispositivos de almacenamiento de energía deben ser recargables, pues reciben suministros de corriente y voltaje por parte de los paneles solares cada vez que acumulan suficientes fotones.

Los sistemas fotovoltaicos independientes son excelentes para zonas rurales, donde otras fuentes energéticas no son prácticas o no están disponibles para alimentar lámparas, electrodomésticos, etc. En estos casos, es más rentable instalar un sistema independiente que pagar los costos para que una compañía extienda sus líneas y cables directamente, hasta los hogares, desde una red central.

Figura 3. Sistema fotovoltaico aislado o autónomo.

David (2023) describe a los sistemas fotovoltaicos interconectados como conjuntos diseñados con el propósito de funcionar con un voltaje y una frecuencia igual a la de una red eléctrica local, logrando conectar ambas fuentes en un mismo punto. Esta interconexión permite al usuario elegir el origen de su alimentación eléctrica sin interrumpir el suministro de energía, sin embargo, se pueden usar ambas fuentes a la vez.

Los sistemas interconectados usan inversores para regular el voltaje y la frecuencia de la energía con gran precisión, lo que les permite integrarse perfectamente en la red eléctrica local; según David (2023), esto implica un par de situaciones:

• Si se genera menos energía solar que el consumo en el hogar, la diferencia provendrá de la red.
• Si se genera más energía solar que el consumo en el hogar, el exceso de energía se envía a la red; de hecho, en algunos lugares con medición neta, se puede recibir un crédito en la factura de energía por el excedente entregado.

La electricidad extra es aprovechada por la compañía de luz, quien la distribuye entre los vecinos de la comunidad.

De esta manera, la electricidad circula desde el sistema de paneles solares hasta un hogar y a la red, o bien, desde la compañía eléctrica directo a las viviendas. La propia conexión tiene la capacidad de cambiar la fuente de alimentación, de manera autónoma, gracias a la sincronía entre el voltaje de la red y el generado por el panel solar.

Existen diversos beneficios al sincronizar la red eléctrica local con el sistema de módulos solares, por ejemplo, puedes elegir tener o no baterías para almacenar energía; además, en días soleados, el consumo de electricidad será muy bajo, lo cual representa una gran ventaja.

Figura 4. Sistema fotovoltaico conectado a la red eléctrica.

Arquitecturas de sistemas fotovoltaicos

La arquitectura de los sistemas solares fotovoltaicos tiene un impacto directo en su costo, sobre todo por la potencia generada en presencia de sobra parcial y por su eficiencia. Aunque un solo panel no es capaz de brindar una alimentación suficiente para diversas aplicaciones, las conexiones en serie y paralelo entre más de un módulo incrementa la cantidad de corriente o voltaje producidos; sin embargo, una conexión híbrida tanto en serie como en paralelo en una sola configuración resulta ideal para incrementar la cantidad de watts que se pueden entregar desde el sistema (Seyedmahmoudian et al., 2020).

Las conexiones mixtas serie-paralelo de módulos solares pueden tener las siguientes arquitecturas:

1. Arquitectura distribuida del sistema fotovoltaico. Se divide en múltiples subsistemas y, en este caso, el individual está conectado a un convertidor y se regula mediante un conjunto de sensores y controladores.
2. Arquitectura centralizada del sistema fotovoltaico. Consta de múltiples subsistemas conectados a un solo convertidor y se manipula a través de un controlador centralizado.

Tabla 2. Comparación entre arquitecturas de sistemas fotovoltaicos centralizados y distribuidos.