Cómo funcionan los paneles solares: del fotón al enchufe

Un panel solar es una lámina de vidrio, silicio y aluminio sin piezas móviles que convierte en electricidad más o menos una quinta parte de la luz que recibe. Parece poco, pero una instalación de 6 kWp orientada al sur en Europa central produce unos 5.500–7.000 kWh al año, cerca de lo que consume un hogar europeo típico. A continuación seguimos la energía paso a paso: cómo un fotón libera un electrón, cómo las células se convierten en módulos, por qué hace falta un inversor, dónde se pierde energía y cómo estimar la producción de una instalación real.

Paso 1: el efecto fotovoltaico

La luz del sol llega en forma de fotones, pequeños paquetes de energía. El silicio, el material de más del 95 % de los paneles que se venden en el mundo según el Photovoltaics Report de Fraunhofer ISE, tiene una banda prohibida (band gap) de unos 1,12 electronvoltios. Un fotón con más energía que esa puede arrancar un electrón de su enlace en el cristal y dejar detrás un «hueco» con carga positiva. En la práctica, eso significa que se aprovecha la luz con una longitud de onda inferior a unos 1.100 nm: toda la luz visible y parte del infrarrojo cercano.

Si nadie interviene, el electrón liberado se recombina con un hueco en microsegundos y devuelve su energía en forma de calor. Lo que hace funcionar una célula solar es la unión p-n. La oblea de silicio se dopa con una pizca de boro en una zona (tipo p, con huecos de sobra) y con una pizca de fósforo en la otra (tipo n, con electrones de sobra). Donde se encuentran ambas zonas se forma un campo eléctrico permanente. Los electrones liberados cerca de la unión son arrastrados hacia el lado n y los huecos, hacia el lado p. Si conectas los dos lados con un cable externo, los electrones circulan por él y trabajan por el camino. Esa es la corriente que carga tu móvil.

De ahí se derivan dos límites físicos:

• Los fotones con menos energía que la banda prohibida atraviesan la célula o la calientan. No producen nada.
• Los fotones con más energía siguen liberando un solo electrón cada uno, y lo que sobra se convierte en calor («termalización»).

Juntos, estos dos efectos sitúan el techo teórico de una célula de silicio de una sola unión en torno al 29–30 % (el análisis de Shockley–Queisser, afinado para el silicio). Nuestra guía sobre la eficiencia de los paneles solares explica estos límites y las tecnologías que intentan superarlos.

Paso 2: de la célula al módulo

Una célula de silicio da solo unos 0,6–0,7 voltios en circuito abierto y unos 0,5–0,6 V en su punto de máxima potencia, sea cual sea su tamaño. La corriente, en cambio, crece con la superficie y con la luz: una célula moderna de 182 mm o 210 mm da unos 10–18 A a pleno sol. Para llegar a una tensión útil, las células de un módulo se conectan en serie.

Las medias células son justo eso: cada célula cortada en dos. Así la corriente de cada cadena de células se reduce a la mitad, lo que recorta las pérdidas resistivas (que crecen con el cuadrado de la corriente) y hace que el módulo tolere mejor la sombra parcial. Los diodos de derivación permiten que la corriente se salte un tercio del módulo que está a la sombra, en lugar de arrastrar todo el módulo hasta la producción de su célula más débil.

Qué significa «Wp»

Cada módulo se somete a un ensayo con flash en condiciones estándar de ensayo (STC): 1.000 W/m² de irradiancia, 25 °C de temperatura de célula y un espectro solar normalizado (AM1.5). La potencia medida pasa a ser la potencia nominal en vatios pico (Wp). Tómala como una referencia de laboratorio, no como la producción de cada día. A mediodía de un día despejado de verano en Europa, un panel bien inclinado puede recibir 1.000–1.100 W/m², pero para entonces sus células están 30–40 °C por encima de los 25 °C. Por eso la producción real suele quedarse en el 80–90 % de la nominal, incluso en el mejor momento del año.

Paso 3: el inversor convierte la continua en alterna

Los paneles producen corriente continua con una tensión que cambia con la luz y la temperatura. Las casas y la red funcionan con corriente alterna a 230 V/50 Hz (Europa) o 120/240 V/60 Hz (Norteamérica). El inversor tiene dos tareas:

1. Seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT). La curva corriente-tensión de un módulo fotovoltaico tiene un único «codo» donde la potencia (V × I) es máxima. Ese punto se mueve cada segundo, a medida que pasan las nubes y se calientan las células, y el inversor ajusta sin parar la tensión de trabajo para no salirse de él.
2. Conversión. La electrónica de potencia trocea la corriente continua para formar una onda senoidal alterna sincronizada. Los inversores de cadena actuales alcanzan rendimientos europeos ponderados del 96–98 %.

Te encontrarás con tres configuraciones habituales:

• Inversor de cadena (string). Los módulos, conectados en cadenas en serie (normalmente 8–20 módulos, 300–1.000 V CC), alimentan una sola caja central. Es lo más barato por vatio, pero un módulo a la sombra puede hundir toda su cadena.
• Microinversores. Hay un pequeño inversor detrás de cada módulo o de cada pareja, así que cada módulo trabaja en su propio punto de máxima potencia. Mejor para tejados complicados y con sombras; más caro.
• Inversor de cadena con optimizadores de CC. MPPT módulo a módulo con un inversor central, una solución intermedia.

Un inversor híbrido añade una entrada para batería, de modo que el excedente de mediodía puede almacenarse. Usa la calculadora de batería solar para dimensionarla.

Paso 4: del inversor al enchufe

La salida de alterna se conecta a tu cuadro eléctrico. La electricidad sigue el camino de menor impedancia, así que lo que esté funcionando en la casa la consume primero: el frigorífico, la bomba de calor, la lavadora. Solo el excedente sale a la red a través del contador. De noche, o cuando el consumo supera la producción solar, la red cubre la diferencia. No hay que conmutar nada; ocurre de forma física e instantánea.

Por eso el autoconsumo marca la rentabilidad. Un kWh que consumes directamente sustituye a un kWh comprado al precio minorista (a menudo 0,20–0,40 € en Europa), mientras que un kWh vertido a la red quizá solo cobre una tarifa de inyección o un crédito de balance neto. La calculadora de balance neto muestra cómo cambian las reglas de vertido lo que vale una instalación.

Los inversores conectados a red también deben desconectarse en fracciones de segundo si la red cae (protección anti-isla), para no poner en peligro a los operarios de la línea. Por eso una instalación solar normal se queda sin corriente durante un apagón, salvo que tenga una batería con función de respaldo.

Adónde va la energía: pérdidas del sol al enchufe

Imagina 1.000 W de luz solar que inciden sobre un metro cuadrado de panel con la irradiancia de las STC. Una instalación típica en tejado entrega en el enchufe menos de una quinta parte de ese kilovatio:

Las pérdidas posteriores al módulo se agrupan en el rendimiento global (performance ratio, PR), la parte de la energía nominal del módulo que llega realmente al contador de alterna. Una instalación moderna bien diseñada alcanza un PR del 75–88 %. Por debajo del 70 %, lo normal es que haya sombras, averías o un mal diseño.

Cómo estimar la producción anual

La estimación fiable más rápida necesita dos datos: la irradiación anual sobre el plano de los paneles en tu emplazamiento y el rendimiento global.

Ejemplo práctico: 6 kWp en tres ciudades

Supón un campo de 6 kWp con una inclinación cercana a la ideal y un PR de 0,80. Los valores de irradiación con la inclinación ideal son aproximados y proceden de PVGIS (JRC) y de PVWatts de NREL:

Para Bucarest: 6 kWp × 1.550 kWh/m² × 0,80 ≈ 7.440 kWh al año. Los mismos paneles producen en Sevilla alrededor de un 75 % más que en Hamburgo. La ubicación pesa más que cualquier otra decisión de diseño. Para una simulación hora a hora con datos meteorológicos reales por satélite para tu dirección, usa nuestra calculadora de paneles solares. Si quieres pasar de tu factura anual a un número de módulos, prueba cuántos paneles solares necesito. También puedes hacer clic en cualquier punto del Energy Explorer para ver su recurso solar.

Orientación, inclinación y sombras

La producción sigue a la irradiancia sobre el plano de los paneles, así que la geometría importa:

• Azimut. Mirar hacia el ecuador (al sur en el hemisferio norte) da más energía a lo largo del año. Las orientaciones este u oeste suelen perder un 10–20 % en latitudes medias, pero desplazan la producción a las mañanas o a las tardes.
• Inclinación. En latitudes medias, la inclinación anual ideal suele estar en 30–40°, algo menos que la latitud. Desviarse ±10–15° cuesta solo unos pocos puntos porcentuales. Nuestra guía sobre el mejor ángulo para los paneles solares y la calculadora de inclinación de paneles solares lo explican en detalle.
• Sombras. Es la pérdida que más se subestima. Como las células van en serie, basta sombrear una sola fila para recortar un tercio o más de la producción de un módulo antes de que actúe el diodo de derivación. La sombra de una chimenea sobre dos módulos en invierno puede costar más que un error de 10° en la inclinación.

Qué ocurre en 25 años o más

Los módulos de silicio se degradan despacio. Las causas: la degradación inducida por la luz en las primeras horas de sol (1–3 % en algunas células tipo p antiguas, mucho menos en las tipo n actuales), el amarilleo de los encapsulantes por los rayos UV, las microgrietas por los ciclos térmicos y, en climas cálidos y húmedos, la degradación inducida por potencial. Jordan y Kurtz (NREL, 2013) analizaron casi 2.000 tasas de degradación publicadas y obtuvieron una mediana de alrededor del 0,5 % anual. Los módulos tipo n de gama alta ya se garantizan con un 0,3–0,4 % anual.

El inversor es la pieza con más papeletas para tener que cambiarse. Cuenta con una sustitución a lo largo de la vida de la instalación: los inversores de cadena suelen durar 10–15 años, mientras que los microinversores llevan a menudo garantías de 20–25 años.

Más allá del silicio: otros tipos de célula

• Capa fina (CdTe, CIGS). Unos pocos micrómetros de material absorbente sobre vidrio. El CdTe es habitual en las grandes plantas de EE. UU., con eficiencias de módulo de un 19–20 %.
• Tándem de perovskita sobre silicio. Una célula superior de perovskita absorbe bien la luz azul y el silicio se ocupa de la roja. En el Best Research-Cell Efficiency Chart de NREL, las células de laboratorio ya superan el 33 %, pero su durabilidad comercial está por demostrar.
• Módulos bifaciales. Módulos vidrio-vidrio que captan también la luz reflejada sobre su cara posterior. Añaden en torno a un 5–15 % sobre suelos claros (cubiertas blancas, arena, nieve) y mucho menos sobre tejados oscuros.

Ideas principales

• La unión p-n de una célula separa los electrones liberados por la luz y produce corriente continua. Las células en serie forman un módulo, y un inversor convierte la continua en alterna con calidad de red.
• La potencia nominal (Wp) es una cifra de laboratorio. La energía real depende de la irradiación en tu emplazamiento y de un rendimiento global de entre 0,75 y 0,88, más o menos.
• La ubicación marca el techo, desde menos de 1.000 kWh/kWp en el norte de Europa hasta más de 1.700 en los desiertos. Compara países en el mapa mundial de la energía o en nuestras fichas por país.
• El calor, las sombras y las pérdidas del inversor son lo que puedes controlar. Un buen diseño gana más que cualquier salto a paneles de gama alta.

Las cifras de esta guía son rangos típicos tomados de las fuentes citadas; las tuyas dependerán de la ubicación, los precios y los equipos. Usa las calculadoras enlazadas para obtener estimaciones adaptadas a tu caso.