La energía solar no es solo poner una placa en el tejado y que salga electricidad. Dentro de ese panel de color azul oscuro hay un pedazo de física cuántica: el efecto fotoeléctrico, que Einstein explicó en 1905 y por el que ganó el Nobel. Los fotones de la luz solar arrancan electrones del silicio, y esos electrones en movimiento son corriente eléctrica. Pero la energía solar también puede ser térmica (calentar agua directamente), y cada tipo tiene sus propias leyes físicas. Te explico cómo funcionan las células solares, los inversores, la conexión a la red y las diferencias con la termosifón.
Efecto fotoeléctrico: cómo la luz se convierte en electricidad
El efecto fotoeléctrico ocurre cuando un fotón (partícula de luz) con suficiente energía incide sobre un material semiconductor y arranca un electrón de su órbita, dejando un hueco con carga positiva. Ese electrón puede moverse libremente por el material, creando una diferencia de potencial. En una célula solar, se utilizan dos capas de silicio (tipo n y tipo p) para separar los electrones de los huecos y obligarlos a fluir por un circuito externo, generando corriente continua.
La energía mínima necesaria para arrancar un electrón es la función trabajo del material, que en el silicio es de 1,12 eV (electrón-voltios). La luz solar contiene fotones de diferentes energías: desde el infrarrojo (baja energía, ~0.5 eV) hasta el ultravioleta (~4 eV). Los fotones con energía inferior a 1,12 eV no producen efecto fotoeléctrico (se desperdician como calor). Los fotones con energía superior a 1,12 eV arrancan un electrón, pero el exceso de energía se disipa también en forma de calor. Eso limita la eficiencia máxima teórica de una célula solar de silicio a unos 33% (límite de Shockley-Queisser).
¿Por qué las células solares son azules?
El color azul oscuro de los paneles solares se debe a una capa antirreflectante de nitruro de silicio (SiNₓ) o dióxido de titanio. Esta capa hace que la superficie refleje muy poca luz (generalmente un 2-5% en lugar del 30% del silicio desnudo) y le da ese tono azul característico. Algunos paneles modernos son negros (silicio monocristalino con texturizado y recubrimiento más oscuro), que son más eficientes porque absorben mejor la luz.
La célula solar de silicio: materiales, unión p-n y banda prohibida
Una célula solar típica está hecha de silicio cristalino, el mismo material de los chips de ordenador, pero de grado solar (menos puro pero mucho más barato). Se fabrica a partir de obleas (wafers) de unos 150-200 micras de grosor. La oblea base está dopada con boro (tipo p, carga positiva). Sobre ella se difunde fósforo (tipo n, carga negativa) para crear la unión p-n, que es el corazón de la célula. En la unión p-n se forma una zona de carga espacial (campo eléctrico interno) que separa los electrones y huecos generados por la luz.
Cuando la luz incide, los electrones son empujados hacia la capa n y los huecos hacia la capa p, creando una diferencia de potencial de unos 0,5-0,7 V por célula (voltaje de circuito abierto). Al conectar un cable entre ambas caras, los electrones fluyen por el circuito externo, produciendo corriente eléctrica. Las células individuales se conectan en serie dentro del panel para aumentar el voltaje (típicamente 36 células en serie dan unos 18-22 V para cargar baterías de 12 V).
Existen tres tipos de silicio:
- Silicio monocristalino (mono-Si): Eficiencia 18-22%, aspecto negro o azul oscuro uniforme. Más caro pero más eficiente.
- Silicio policristalino (poly-Si): Eficiencia 15-18%, aspecto azul moteado. Más barato, pero algo menos eficiente.
- Silicio amorfo (a-Si): Eficiencia 6-10%, se usa en calculadoras y paneles flexibles. Barato pero poco duradero.
Las células de tecnología PERC (Passivated Emitter Rear Cell) añaden una capa reflectora en la parte trasera para capturar la luz que no se absorbió, aumentando la eficiencia un 1-2%.
Paneles fotovoltaicos: de la célula al módulo y sus parámetros eléctricos
Un panel solar (módulo fotovoltaico) está formado por 60 o 72 células (las más comunes) conectadas en serie y en paralelo, encapsuladas entre una capa de EVA (etil-vinil-acetato), un vidrio templado frontal (alto impacto, bajo contenido en hierro) y una lámina trasera (backsheet) de polímero. El marco es de aluminio y la caja de conexiones (junction box) contiene diodos de bypass para evitar que una célula sombreada destruya toda la cadena.
Parámetros eléctricos importantes de un panel (en Condiciones Estándar de Medida, STC: 1000 W/m² de radiación, 25°C de temperatura de célula):
- Potencia máxima (Pmax, Wp): En placas domésticas, típicamente 350-550 Wp para paneles de 60-72 células.
- Vmp y Imp (voltaje y corriente en el punto de máxima potencia): ej. 35V y 10A para un panel de 350W.
- Voc (voltaje de circuito abierto): ej. 42V.
- Isc (corriente de cortocircuito): ej. 11A.
La eficiencia del panel se define como la relación entre la potencia eléctrica generada y la potencia solar incidente. Por ejemplo, un panel de 400 W que ocupa 2 m² en STC: eficiencia = 400 / (1000 * 2) = 0.2 = 20%. Los mejores paneles comerciales (SunPower, LG, REC) alcanzan el 22-23%. Los paneles chinos económicos rondan 18-19%.
| Tecnología | Eficiencia célula (%) | Eficiencia panel (%) | Coeficiente térmico Pmax (%/°C) | Degradación anual |
|---|---|---|---|---|
| Monocristalino PERC | 20-22 | 19-21 | -0,34 a -0,40 | 0,5-0,6% |
| Monocristalino TOPCon | 23-25 | 21-23 | -0,29 a -0,32 | 0,4% |
| Policristalino | 16-18 | 15-17 | -0,40 a -0,45 | 0,7-0,8% |
| Heterounión (HJT) | 23-24 | 21-22 | -0,25 a -0,28 | 0,3% |
El inversor: de DC a AC y seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT)
Los paneles solares generan corriente continua (DC), pero tu casa y la red eléctrica funcionan con corriente alterna (AC) a 230V y 50Hz (en Europa). El inversor convierte la DC en AC mediante dispositivos electrónicos de potencia (transistores IGBT o MOSFET) que conmutan a alta frecuencia (10-20 kHz) y luego filtran para obtener una onda senoidal pura (THD <3%).
Además de la conversión DC/AC, el inversor tiene una función crítica: el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT, Maximum Power Point Tracking). La curva I-V de un panel varía con la irradiancia y la temperatura, y el punto de máxima potencia (el pico de la curva potencia-voltaje) cambia. El MPPT es un algoritmo (normalmente Perturbar y Observar, P&O) que modula la carga (la corriente que extrae) para mantener los paneles siempre operando en su punto óptimo, maximizando la energía recolectada. Un buen inversor puede mejorar la producción hasta un 25% respecto a un regulador simple.
Tipos de inversores según el sistema:
- Inversor de cadena (string inverter): Un solo inversor para toda una cadena de paneles en serie. Si un panel está sombreado, la producción de toda la cadena cae. Es el más barato.
- Optimizadores de potencia + inversor central: Cada panel lleva un optimizador DC-DC con MPPT individual, y luego un inversor central convierte a AC. Reduce el efecto del sombreado.
- Microinversores: Cada panel tiene su propio inversor pequeño (acoplado directamente). Máxima tolerancia al sombreado, facilidad de ampliación, pero más caros. Marcas: Enphase, HMS.
Para sistemas aislados (sin conexión a red), se usan reguladores de carga (PWM o MPPT) para cargar baterías, y un inversor separado para generar 230V AC.
Sistemas conectados a red, aislados y bombeo solar
Los sistemas fotovoltaicos se clasifican en tres tipos según su conexión a la red eléctrica y su uso:
Autoconsumo conectado a red (grid-tied)
- El inversor se sincroniza con la red eléctrica (frecuencia y fase). Cuando el sol produce más de lo que consumes, el excedente se vierte a la red (o se almacena en batería con sistema híbrido).
- Requiere un contador bidireccional y, según la normativa de cada país, se compensa el excedente (balance neto) o se recibe una menor compensación.
- No funcionan durante un apagón de red (por seguridad, evitan enviar corriente a la red mientras operarios reparan).
Sistema aislado (off-grid)
- Se usan baterías (litio o plomo-ácido) para almacenar la energía y un regulador de carga. El inversor de onda senoidal pura alimenta las cargas en DC y AC.
- Necesario en lugares sin acceso a red eléctrica. Dimensionar bien la capacidad de baterías (días de autonomía).
- Suele llevar un grupo electrógeno de respaldo para días nublados prolongados.
Bombeo solar directo (sin baterías)
- Los paneles alimentan directamente una bomba de agua de corriente continua o con inversor, que funciona mientras hay sol.
- Ideal para riego o abastecimiento en zonas rurales. La bomba va variando su velocidad según la radiación solar.
Los sistemas de autoconsumo con baterías (híbridos) se están popularizando por el descenso del precio del litio. Una batería de 5 kWh (p.ej. Huawei Luna, Tesla Powerwall, BYD) permite almacenar el excedente diurno para usarlo por la noche, reduciendo la dependencia de la red hasta un 70-90% según la zona.
Energía solar térmica: colectores planos, termosifón y apoyos
La energía solar térmica no produce electricidad, sino calor (agua caliente sanitaria, calefacción, piscinas). Un sistema típico de agua caliente doméstica (<70°C) utiliza colectores planos o tubos de vacío.
- Colector plano: Caja con cubierta de vidrio, absorbedor de cobre o aluminio (pintado de negro selectivo) y tuberías de cobre por donde circula una mezcla de agua y anticongelante (propilenglicol). La pintura selectiva tiene alta absortancia para la radiación solar (>0,95) y baja emisividad para la radiación infrarroja (0,05-0,1), con lo que minimiza las pérdidas térmicas. El fluido calentado va a un intercambiador de calor en un depósito de acumulación.
- Colector de tubos de vacío: Tubos de vidrio al vacío como termo; cada tubo contiene un absorbedor con una varilla de cobre llena de fluido que se evapora y condensa (termostato). El vacío aísla muy bien, alcanzando temperaturas de 80-120°C incluso en invierno. Más eficientes pero más caros.
En sistemas de termosifón (los que se ven en tejados con un depósito encima), el agua caliente sube por convección natural (el depósito está más alto que los colectores). No se necesita bomba de circulación. En sistemas forzados, una bomba mueve el fluido cuando la temperatura del colector supera la del depósito (diferencial).
La energía solar térmica tiene un rendimiento excelente: convierte el 70-80% de la radiación solar en calor útil (frente al 20% de la fotovoltaica). Pero ese calor solo sirve para agua caliente o calefacción, no para electricidad. Una instalación típica en vivienda unifamiliar (4-5 m² de colectores) cubre el 60-70% de la demanda anual de agua caliente sanitaria.
Mitigación del sobrecalentamiento
En verano, si no se consume agua caliente, los colectores pueden alcanzar temperaturas peligrosamente altas (>150°C), generando vapor y presión. Los sistemas incluyen válvulas de seguridad, disipadores de calor (fancoils) o drenaje automático para evitar daños. En algunos casos se cubren los colectores o se desvían a un depósito de inercia.
Rendimiento, sombras y viabilidad económica: factor de capacidad y precio de la energía
Un panel fotovoltaico no produce su potencia nominal las 24 horas. El factor de capacidad (CF) es la relación entre la energía real producida en un año y la que produciría si operara a plena potencia todo el tiempo. En España, para instalaciones residenciales de sur, el CF ronda el 18-22% (unas 1600-2000 horas equivalentes por año). En los días nublados, la producción cae al 10-25% de la nominal; de noche, cero.
El sombreado parcial es muy perjudicial: una célula sombreada puede actuar como resistencia disipando la energía de las células vecinas, calentándose y creando puntos calientes (hot spots). Los diodos de bypass evitan esto, pero siguen reduciendo la potencia de toda la cadena. Un pequeño rama o sombra de una chimenea puede reducir la producción del panel un 30-50%.
La temperatura también afecta: el coeficiente térmico de Pmax es negativo (típicamente -0,35%/°C). En verano, las células alcanzan 50-60°C, perdiendo un 10-15% de potencia respecto a STC (25°C). Por eso los paneles necesitan ventilación trasera.
Económicamente, el coste de un sistema fotovoltaico residencial ha caído un 90% desde 2010. En España (2025), un sistema de 5 kWp con inversor y montaje cuesta unos 4000-5500 € (antes de subvenciones). La producción anual es de 7.500-9.000 kWh (según zona). Con un precio de la electricidad de 0,20-0,28 €/kWh, el ahorro anual ronda 1.500-2.200 €, con amortización en 3-4 años. Las baterías aumentan la inversión en 3.000-5.000 €, amortización en 7-9 años.