Daniel Oliveira: ¿Cómo funciona un panel solar?

Gabriel 

Bienvenidos a Ogami Station, un podcast creado por RatedPower. Como cada mes, os acercamos al apasionante mundo de las energías renovables a través de entrevistas con figuras relevantes del sector. Muy buenas a todos y bienvenidos a un nuevo episodio de Ogami Station. ¿Nos echabais de menos? Ya estamos de vuelta con la cuarta temporada. 

Laura 

Un poco, yo creo que un poco nos echábamos de menos, aunque sea reunirnos aquí, ¿verdad? La verdad que yo tenía ganas. La vuelta al cole, entre comillas, nos ha tenido demasiado ocupados, pero hoy volvemos con Ogami Station para seguir expandiendo los conocimientos sobre mercías renovables. 

Gabriel 

Es verdad. Ahora, en Rated, es un poco una época de cambios, pero cambios buenos, no os preocupéis. Así que al lío. Hemos querido empezar esta temporada cuatro, volviendo un poco a los basics. 

Laura 

Eso es. Nos hemos dado cuenta de que hemos hablado de muchísimos temas, más o menos técnicos, y no hemos explicado con detalles cómo funciona algo tan simple, tan simple entre comillas para nosotros, de lo que hablamos todos los días, como es un panel solar, que al final es el básico de energía solar. Así que eso es lo que vamos a hacer hoy, explicar cómo funciona qué principios hacen que un rayo de sol sea la fuente de energía de que pongamos una lavadora o cualquier otra cosilla que vamos a ir comentando. 

Gabriel 

Y para ello hemos traído a un verdadero crack de RatedPower, a nuestro invitado de hoy. Nos cae muy bien a nivel personal, no solo por ser compañero de RatedPower, sino también por ser compañero del equipo de fútbol. Además, un gran músico y por último, físico, nuclear. ¿Qué os parece? Pues bienvenido a nuestro sofá amarillo, Daniel Oliveira. ¿Cómo estás? 

Daniel 

Hola, ¿qué tal? Muchas gracias. Hola, Laura, Gabi. 

Laura 

¿cómo estáis? Muy bien. Nada, con ganas de hoy. Bueno, te presento brevemente, si quieres, para nuestros oyentes. Aquí Dani es Technical Advisor en RatedPower para el mercado de Iberia. Aunque, bueno, le pillas haciendo de todo. Conmigo, trabaja también directamente y es un gusto. 

Daniel 

Sí, la verdad que estoy en medio mundo. Yo suelo decir que tengo el Tratado de Tordesillas. 

Daniel 

Pues sí, bien dicho. Brasil, Latam, Iberia. 

Laura 

Es verdad, es verdad. Si es que estás en todas partes, madre mía. No hay quien te siga el ritmo. Pero bueno, gracias por reservarte este pequeño hueco hoy para sentarte con nosotros en nuestro sofá amarillo. Y aquí va mi primera pregunta, que es cómo te dio por entrar al mundo de las energías renovables. Sobre todo me da curiosidad siendo físico. Empezaste físico y luego te diste un máster en física nuclear, si no me equivoco. 

Daniel 

Sí, eso es. Pues la verdad voy a remontar un poco al principio. Yo estudié física porque soy muy curioso, es mi naturaleza interna. Intrinseca y porque en casa mis padres, pues los dos son científicos y era un poco lo que lo que conocía. Entonces, me llamaba mucho el mundo académico y estudié física. Luego, pues llegó el momento de hacer un máster y me seguía gustando muchísimo la física. En concreto, pues me fui especializando. Bueno, esto que vas al final descartando, en lugar de elegir, vas descartando lo que no te gusta. Y acabé en física teórica, que bueno, mucha gente conoce la física de altas energías, el modelo estándar de partículas y demás. Y bueno, la física nuclear es una rama muy parecida, pero de una escala energética un poquito más baja. Nos quedamos en el núcleo. Y bueno, acabé el máster y pensé que si quería hacer un doctorado, pues ya me había cansado de estudiar. Así que decidí pues adentrarme en nuevos desafíos, que me encanta un buen puzle. Y bueno, el tema de las energías renovables, bueno, es un un planteamiento que nos hacemos a nivel generacional, es una de las grandes realidades a la que nos afrontamos todos. 

Daniel 

Y bueno, me apetecía aportar mi granito de arena y adentrarme un poco en el mundo de la transición energética. 

Laura 

Muy bien. Vamos, mucha información. Gracias. Nos encanta, nos encanta. Bueno, no hace falta ser un genio, aunque tú lo seas, para darse cuenta de que el sol calienta. Así vamos a introducir hoy nuestra primera pregunta que te parece. Bueno, nuestra segunda. Pero hasta aquí todos de acuerdo, ¿verdad? Pero sí que hay que ser espabilado al menos para saber cómo usar este calor más allá que para calentar algo o ponerse moreno, dependiendo de cómo lo veas. Pero bueno, como dato curioso para empezar, sí que aquí hay algo que hemos encontrado y es que la primera referencia a nivel histórico que podemos encontrar al uso de energía solar data del siglo III antes de Cristo en la batalla de Siracusa entre griegos y romanos. Se tiene constancia de que el físico Arquímedes utilizó una serie de espejos, hexagonales para concentrar los rayos del sol y dirigirlos a una flota romana con el objetivo de quemarla. Así empezamos. 

Gabriel 

Flipas. ¿sabemos si se llegó a quemar la flota. 

Laura 

O no? Pues yo creo que sí, la verdad. La historia cuenta que sí, ahí estamos. 

Daniel 

Hasta se lleva a quemar. La historia la escriben los vencedores, así que bueno. 

Gabriel 

Estupendo. Pues nada, al lío. Tras esta breve introducción y un poco por empezar y soltándonos, pues nos gustaría hablar un poco sobre la esencia. Sobre qué es lo que compone o cuáles son los componentes clave dentro de un panel solar. A ver si nos puedes ayudar, Dani. 

Daniel 

Claro, por supuesto. Pues a ver, los paneles o los módulos fotovoltaicos, con tienen diversos elementos. A mí el que más interés me provoca es la célula solar, que al final la célula fotovoltaica es el principal culpable de que nosotros podamos desarrollar un software de desarrollo de ingeniería el solar de plantas fotovoltaicas. Y luego también, aparte de las células, hay toda una serie de elementos, como el vidrio, la película antirreflectante. También tenemos el marco que rodea un poco el perímetro del panel. Hay un par de elementos más, como la película posterior, la capa de encapsulación y una caja de conexiones que contiene algunos diodos y cables. Pero bueno, sí que creo que hoy nos podríamos enfocar en las células, en las células fotovoltaicas, en los semiconductores. Todo el mundo conoce, o casi todo el mundo sabe, que la mayor parte están hechas de silicio. Y bueno, a partir de aquí, pues generaremos la electricidad. 

Laura 

Okey. Y todos estos componentes, ¿cómo trabajan en conjunto para generar energía? O bueno, otro modo de poner la pregunta, ¿cómo transforma un panel solar, la luz del sol, en energía utilizable? Bueno, son dos preguntas. Puedes empezar con la. 

Daniel 

Que quieras. Genial. Pues a ver, lo que hablábamos. Aquí el culpable es la célula y hablamos entonces de semiconductores. Yo, el contexto que tengo es de física de materiales. Son cosas que vi también durante la carrera. Y bueno, los semiconductores son elementos muy, muy concretos, que debido a su comportamiento, pueden ser conductores y aislantes. Y bueno, el silicio en concreto tiene una o sea, para explicar y entender un poco cómo funciona y por qué los semiconductores presentan este tipo de propiedades, tenemos que conocer cómo se comportan, cómo están compuestos, cuál es la estructura cristalina de estos compuestos. Entonces, el silicio tiene cuatro electrones en la capa de valencia y la red cristalina está compuesta, tiene una forma de diamante, etcétera. Y los enlaces covalentes hacen que las bandas de conducción y la banda de Valencia, que son conceptos de física de materiales, presenten un gap. O sea, el gap es ese hueco que hay entre las dos bandas en la conducción y la parte inerte, por así decirlo. Y ese gap es lo suficientemente pequeño como para que electrones puedan saltar de una banda a otra y dejen un hueco. Entonces, como os imagináis, la luz incide, el fotón lleva energía, este material que presenta esta composición absorbe la energía del fotón, el electrón salta a la banda de conducción y entonces generan un campo eléctrico. 

Daniel 

Bueno, esto a gran escala, pues vas conectado tanto distintos componentes y aprovechas este comportamiento, el efecto fotovoltaico, en este caso, para generar una corriente. 

Gabriel 

Porque esto que nos has explicado es el efecto fotovoltaico, ¿no? ¿Puedes explicar un poco más en detalle cómo es este efecto? 

Daniel 

Sí, el efecto fotovoltaico y el efecto foto eléctrico, pues están, van de la mano. Al final, una es una aplicación del otro. Y por también dar un poco más de contexto, me gustaría hablar del efecto foto eléctrico. Es uno de los fenómenos más importantes, en la física al menos, porque en el siglo XIX, llegaron a una serie de observaciones, un físico que se llamaba Herz, que es el culpable de la unidad. A finales del siglo XIX, pues observa cosas que no entendía muy bien por qué. O sea, él tenía una serie de placas metálicas que radiaba con luz y veía que había una emisión de electrones, se formaba un rayo que entra a las dos placas. Luego había cosas que no entendía, porque él aumentaba la magnitud de la intensidad de la luz, pero la energía de esos fotovoltaicrones, la energía de esa corriente no aumentaba, lo que aumentaba era la corriente proporcional. Entonces, empezaron a ver aquí una serie de comportamientos que no sabían muy bien explicar, sobre todo porque en aquel momento pensaban que la luz es una onda, etcétera, estaban todavía manejando y digiriendo un poco la dualidad onda-partícula. Y, unos años después, Einstein aprovechó, recicló algunos conceptos que habían introducido otros físicos como Planck y demás, y se dio cuenta de que este fenómeno que había observado Hertz era bastante difícil de explicar en términos de onda. 

Daniel 

Entonces, lo que él hizo fue aprovechar un concepto que había introducido Planck, que es que la luz y la energía vienen en paquetes que llamas cuantas o fotones, como los conocemos hoy en día. Y a partir de esta idea empieza a explicar todo el efecto fotoeléctrico. 

Laura 

Madre mía, qué nivel de detalle. Con nombres de todos los científicos. Me encanta, muchas gracias. 

Daniel 

Nada, nada. A mí es que el contexto histórico me encanta. Aparte de la física, siempre me ha gustado mucho la historia. Y bueno, creo que te da un conocimiento, una perspectiva mucho más realista de cómo fue avanzando todo. 

Laura 

Sí, desde luego. No, a mí me encanta que lo pongas de esa manera, porque sí que te hace... Vamos, es que estamos hablando de hace un tiempo, entonces, ponerte en sus pies y ver cómo estudiaban esto, vamos a poner un poco la piel de gallina, cómo llegaron a esos resultados. 

Daniel 

Sí, totalmente. Al final observan que eso, que la energía de los fotones, de los electrones, que emite un metal, pues es proporcional, linealmente proporcional a la frecuencia de la luz, que era algo que no se esperaban. 

Laura 

Vale, pues yo tengo una duda muy ligada a mi trabajo de día a día, que hay muchas veces que no entiendo este concepto. Creo que fue de lo primero que pregunté a algún compañero cuando me introduje más en el sector y es por qué un módulo deja de funcionar cuando le das sombra a un cacho. ¿Por qué las sombras son tan claves cuando estás diseñando una planta fotovoltaica de cualquier medida? 

Daniel 

Claro, pues al final un módulo, como hablábamos al principio, contiene varias células. En concreto, pues depende ya de la tecnología que se utilice y demás y del fabricante y demás. Pero generalmente, pues hay en torno a 60 a 70 células fotovoltaicas y estas células se conectan en serie para aprovechar lo que hablamos del efecto foto eléctrico. ¿Qué pasa, por ejemplo, si una de esas células que está conectada en serie, deja de funcionar? Le da sombra, por lo tanto, no funciona. No consigue producir electricidad. Pues lo que va a pasar es que empieza a actuar como una carga resistiva. Le llega toda la electricidad que que está conectada en serie y empieza a haber una disipación de calor. Entonces, aumenta la temperatura bastante, al punto tanto de que se pueden provocar daños estructurales en el módulo, tanto en el vidrio como en la célula y demás. Entonces, se van degradando los módulos y esto es un problema, porque puede originar bastantes problemas. Entonces, un poco para mitigar esta cuestión, lo que hacen los fabricantes es incorporar pues diodos de bypass, lo que se llama. Entonces, distintas series de células que están conectadas se conectan a un diodo y en caso de que haya una sombra, pues lo que se hace es redirige la corriente, por así decirlo 

Laura 

Okey. Y da igual si la sombra va por delante o por detrás, o qué porcentaje del módulo tendría que taparse para que ese módulo deje de funcionar o con un cachito ya... 

Daniel 

Sí, es bastante sensible con que una de las células, o sea, al final depende también de la tecnología y de otros factores. Pero con que una de las células deje de funcionar puede fastidiar una parte importante de la producción. 

Laura 

Jolín, pues más nos vale diseñar bien nuestra planta. Y te. 

Gabriel 

Hemos oído hablar de que existen distintas tecnologías, dependiendo de la tecnología. Entonces, entiendo que hay distintos tipos de módulos, de paneles o distintos tipos de tecnologías, mejor dicho. Entonces, no sé si puedes resumirnos un poco cuáles son estas distintas tecnologías y en qué situación es preferirías usar una u otra? 

Daniel 

Sí, por supuesto. Bueno, como te comentaba, las distintas tecnologías van muy de la mano de distintos materiales, distintos semiconductores que se utilizan para producir estas células. En concreto, hay tres tipos muy clásicos, típicos en la industria, que son, por un lado, los paneles mono cristalinos, que se generan a partir de un mono cristal de silicio muy puro, al cual se le introducen unos dopajes, como se llama, ahora explico un poco mejor qué significa esto. Y estos son bastante eficientes, superan el 22 %. Lo que pasa con esta tecnología es que es más cara. Y entonces, pues bueno, ahí entra ya la parte interesante del negocio, que es evaluar costes, return on investment y distintos tipos de tecnología en función de la aplicación que deseas. Por otro lado, están los poli cristalinos, que lo que van a hacer es mezclar distintos cristales de silicio. Por lo tanto, es una composición menos pura y tiene también menor eficiencia. Lo que pasa es que son mucho más baratos. De hecho, los poli cristalinos son, te diría, de las tecnologías más comunes en todo el mercado. Si finalmente, y por englobar también otro tipo de tecnología muy común, es el panel de capa fina, el Thin Film, que puede estar compuesto de distintos materiales. 

Daniel 

No sé si lo he dicho los otros dos, pues son de silicio. El Thin Film básicamente es una capa muy fina de un material que puede ser, por ejemplo, el telururo de cadmio y es dos órdenes de magnitud más fino que los otros. Está en torno a al... Por hablar un poco de espesores, es en torno a las micras. Este material es más barato, lo que pasa es que no es tan eficiente. Y bueno, en función de la tecnología que va avanzando rápidamente, pues se van alcanzando eficiencias más interesantes. Pero también una ventaja de este tipo de materiales es que son más flexibles, más ligeros, se suelen utilizar bastante en VIPV, en proyectos de build integrated photovoltaics, como puede ser en arquitectura, en edificios, etcétera. 

Laura 

Vale, gracias. Sí, sí, la verdad que yo había escuchado hablar de eso en otro material, pero me surge en base a esto otra pregunta, que no sé si te voy a poner control a las cuerdas. Pero bueno, hemos hablado de silicio, hemos hablado de cadmio, ¿no? Pero ¿hay algún otro que puede ser que todavía esté en fase de experimentación? No lo sé, pero al final estamos viendo que hay una falta de recursos mundial y que se está intentando invertir en la fabricación de módulos en Europa. Porque la mayoría de estos recursos, muchos están en China o en otros mercados donde no es Europa. Entonces, no sé si tú has escuchado, se ve, se estudia, que pueda haber otros grandes competidores aparte de estos dos materiales que puedan ser el futuro de la fabricación de paneles o por ahora no hay gran cosa? 

Daniel 

No, sin duda. Hay muchas tecnologías en desarrollo, por ejemplo, las multi-junction o el perv kit, no estoy seguro cómo se pronuncia, la verdad. Bastantes líneas de investigación en torno a materiales que tienen eficiencias mayores y tratan de optimizar propiedades estructurales de la materia y minimizar efectos de reflexión, tratar de aprovechar la máxima absorción posible de la luz, etcétera. Y bueno, hay muchas líneas. No sabría decir uno en concreto, porque esos tres grupos de los que hablábamos al principio son como los más comunes, pero sí que cada vez más hay distintos materiales y el mercado va evolucionando rápidamente. 

Gabriel 

Y un poco porque nuestros clientes también tengan una idea de los paneles que ven en las casas de sus vecinos o que pueden ver por la calle, no tanto de gran escala, sino de plantas más residenciales, que igual esa es la que la gente está más habituada a ver. Eso, ¿qué tipo de tecnología suele ser? ¿Suele ser la misma que en plantas igual de gran escala que podemos ver en la carretera, que son muy grandes? ¿Y qué diferencias existirían entre esos dos módulos y sistemas también en general a más grandes rasgos? 

Daniel 

Claro, depende bastante. Es decir, al final las aplicaciones son muy distintas. El residencial es un tamaño más pequeño, típicamente ubicado en los techos, y es un sistema aislado. Y la gran escala lo que trata de hacer es conectar a la red para suministrarlo, y están ubicados en áreas abiertas. Entonces, pues los monocristalinos son muy buenos, muy eficientes, ideales para espacios más limitados, lo que pasa es que son más caros. Y los policristalinos, pues al ser más baratos, puede ser que compense. Es que ahora ya ahí entramos en el tema de negocio. O sea, un desarrollador de una planta, en función de distintos factores, habrá que optar por un poli cristalino o un mono cristalino, en función de económicamente lo que le salga más rentable. En tu casa, ¿qué vas a poner? Pues a lo mejor poner menos, pero que sean más eficientes, aunque te gastes más dinero a la larga, puede que te compense. 

Laura 

Pues sí, desde luego. ¿Y cómo se mide la eficiencia de los módulos? ¿Cuáles son los más eficientes? ¿Qué porcentaje de eficiencia puede tener un módulo para empezar? 

Daniel 

Claro. Pues típicamente hablamos de una eficiencia en torno al 20 %. Y bueno, la eficiencia, a lo que nos referimos cuando hablamos de eficiencia es la capacidad de convertir, a partir de la luz solar incidente, pues convertir esa energía en electricidad. Depende de toda una serie de factores, como puede ser, pues coeficientes ópticos de absorción, de transmisión, la propia estructura de los cristales, de la materia, efectos cuánticos y también hay algunas cuestiones termodinámicas aquí. Así que hay un número del cual se habla, que es como un límite teórico, en torno al 43 %. A día de hoy, como decía, los mono cristalinos, te diría, tienen una eficiencia del 22. Los poli cristalinos, algo menos, 18. Thin film entre 10 y 15. Pero como te digo, dependiendo del material, pues cada vez hay nuevos materiales que van a tratar de superar y mejorar esa eficiencia. Pero claro, eso conlleva una inversión mayor.  

Gabriel 

Genial. Y luego. Un poco también, que ya me ha entrado un poco de curiosidad ahí por diferenciar lo que es un sistema más residencial que puedas tener en tu casa o en tu urbanización o en tu bloque, por así decirlo, contra uno de gran escala que pueda haber en campo abierto, en medio de la nada, ¿en qué se diferencian más estos sistemas? Creo que el módulo genera corriente DC, no? Es el mismo tipo de corriente que nosotros tenemos en nuestra casa, o luego habría que convertirlo a AC un poco porque nos expliques la generación que es diferencial. 

Daniel 

Pues en nuestras casas, nosotros, a pesar de que una persona ponga un módulo en el tejado que genera corriente DC, corriente continua, nosotros en nuestros hogares tenemos corriente alterna. Entonces, habría que transformar esa corriente continua en corriente alterna y para ello necesitaríamos un inversor. En plantas a gran escala pasa algo parecido, pero obviamente en otro orden de magnitud. Hablaríamos de inversores centrales, inversores de String, inversores con una potencia muchísimo mayor que los que operan en una casa. 

Gabriel 

O sea, el funcionamiento sería parecido al final, es un tema de tamaño. 

Daniel 

Sí, al final hablamos de escalas distintas. 

Laura 

Y los módulos se pueden usar igual en tienda para uno que. 

Daniel 

Para otro? Sí, los módulos al final, pues... Cualquier módulo se puede utilizar en cualquier contexto, en el sentido de que son semiconductores y van a convertir la luz de la misma manera. Lo que pasa es que claro, en función de cuáles son tus objetivos, eso es lo que determina verdaderamente la tecnología que utilizas, el dinero que te gastas, el equipo que compras. Entonces, ya veis que depende mucho de factores que no solo son técnicos o físicos, depende de factores de la vida real. 

Laura 

Pues sí, tienes razón. Pues nada, la verdad que yo, muchas gracias por toda la información. Un placer. Esperemos que siga avanzando el sector y sigamos teniendo más y más innovación. No sé si a ti se te quedan alguna pregunta, algo y comentarnos cualquier cosa que te resulte curiosa que se nos haya quedado por comentar. 

Daniel 

Sí, es que hay tantas cosas y al final, pues bueno, yo cuanto lo que más conozco es la parte verdaderamente más física del efecto foto eléctrico, la estructura de los cristales, etcétera. Y hay algo que no he comentado y que sí que me gustaría a lo mejor explicar un poco, que es, por ejemplo, el silicio es un semiconductor, pero el silicio como tal, a las temperaturas en las que conocemos, es un aislante. Entonces, lo que hay que hacer, y entramos en una cosa que se conoce como los semiconductores extrínsecos, el silicio puro como tal, solo silicio, es un conductor intrínseco. Y la idea aquí es, y hay unas ecuaciones mecánico- acuánticas muy bonitas, que es introducir impurezas, aprovechando pues átomos que tienen un un electrón de más, otro electrón de menos y mezclar los con el silicio. ¿Qué va a pasar? Que eso te impulsa muchísimo la conductividad. Entonces, obtienes materiales a partir del silicio, todas estas cosas que hablábamos, monocristalino, etcétera y demás, son un silicio, pero tienen un grado pequeño de impureza, esas que hace que sean mejores materiales, mejores semiconductores. Y es lo que se conoce como uniones PN. Los materiales que tienen, se llaman P, son positivos porque tienen un hueco de más les falta un electrón y a los otros tienen un electrón de más. 

Daniel 

Entonces, eso ayuda a motivar esa corriente que se genera, ese campo electromagnético, ese campo eléctrico, perdón, de par electrón hueco y lo que hace es aumentar la conductividad del material. 

Laura 

Nada, está claro que eres un apasionado, porque yo no llamaría Bonita una ecuación. Lo siento. 

Daniel 

Yo llevaba tiempo sin verlo y ayer me puse a repasar algunos libros y digo, me van a quitar el grado. 

Laura 

Lo dicho, apasionado. Madre mía. En fin, no sé si, Gaby, tú tienes alguna pregunta por ahí. 

Gabriel 

Que esté ya quedada. No, solo a agradecerte mucho tu tiempo, Dani. 

Daniel 

La verdad es que... 

Gabriel 

Un placer. Muy interesante y bueno, que igual los volvemos a ver por aquí. 

Daniel 

Sí, pronto. Muchas gracias por haberme invitado y nada, cuando tengáis otro tema candente, yo encantado estudiármelo y venir a portar algo. 

Laura 

Muchas gracias a todos por escucharnos y no os olvidéis que como siempre, podéis suscribiros a nuestro podcast desde vuestra plataforma favorita y valorarnos positivamente para poder llegar a más gente. Recordad además que podéis ver las notas del episodio en ratedpower.com/podcast. Síguenos en todas nuestras redes sociales para no perderos nada. 

Gabriel 

Pues muchas gracias y nos escuchamos pronto.