ETO - La historia fotovoltaica by Javier Trespalacios

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Javier TRESPALACIOS

La historia fotovoltaica La energía solar fotovoltaica es la que se obtiene por medio de la transformación de la energía del sol en energía eléctrica, este fenómeno de transformación se conoce como efecto fotovoltaico o fotoeléctrico.

1. Historia del fenómeno fotovoltaico El fenómeno fotoeléctrico fue descubierto por el físico francés Alexandre Edmond Becquerel en 1839, cuando vio que la conductividad de algunas soluciones liquidas aumentaba cuando estaban expuestas a la luz de sol. En 1873 el ingeniero británico Willoughby Smith, describe en la revista Nature el Effect of Light on Selenium during the passage of an Electric Current (Efecto de la luz sobre el selenio durante el paso de una corriente eléctrica); describiendo el efecto de la luz sobre el selenio1, generando un flujo de electricidad. En 1883 Charles Fritts2, es quien construye la primera célula solar (basado en los trabajos de Willoughby Smith, sobre la sensibilidad del selenio a la luz) con láminas de selenio recubierta con una capa delgada de oro; el propósito era utilizarlas como sensores de luz para cámaras fotográficas; se menciona que tuvo 1% de eficiencia; Fritts envió sus células a Werner Von Siemens3, quien la presento delante la Real Academia de Prusia4, donde demostró con evidencias la conversión directa de la energía de la luz en energía eléctrica (Puig & Jofra). En 1887, Heinrich Hertz5 observa el arco que se forma entre dos electrodos conectados a alta tensión, alcanzando altos valores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad (EcuRed, s.d.).

Selenio: su símbolo Se; y es un elemento semimetálico sólido de color gris brillante, de características parecidas a las del azufre, que se emplea en instalaciones eléctricas por ser buen conductor de la electricidad y en la fabricación de vidrio. 2 Charles Fritts: inventor americano, a quien se le atribuye la primera célula fotovoltaica de selenio. 3 Werner Von Siemens: inventor, ingeniero eléctrico alemán y fundador de la Compañía Siemens AG. Está considerado el fundador de la ingeniería eléctrica en Alemania. Desempeñó un papel relevante en el desarrollo de la industria del telégrafo. 4 Real academia de Prusia: La Academia Prusiana de las Ciencias, conocida también como Academia de Berlín, fue una academia fundada en Berlín en 1700. Actualmente se denomina Academia de las Ciencias de Berlín-Brandeburgo; es una asociación de investigadores de diferentes áreas y activa en diversos países, de la que forman parte alrededor de 300 miembros escogidos, todos representantes destacados de sus respectivas disciplinas. Los miembros de la asociación se reúnen con colegas externos e investigadores jóvenes en grupos de trabajo e iniciativas interdisciplinarias para abordar interrogantes del futuro de nuestra sociedad. 5 Heinrich Hertz: Físico alemán que descubrió la propagación de las ondas electromagnéticas en el espacio y estudió la naturaleza y propiedades de las mismas, sentando las bases que llevarían a Marconi a una invención destinada a revolucionar las comunicaciones: la radio.

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Capitulo: La historia fotovoltaica

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En 1891, el físico ruso Aleksandr Stoletov6 construyó la primera célula fotoeléctrica basada en el efecto fotoeléctrico descubierto por Hertz. En 1905 Albert Einstein propone una nueva teoría cuántica de la luz y explica el efecto fotoeléctrico, descubriendo que al iluminar con luz violeta (de alta frecuencia7) los fotones podían arrancar los electrones de un metal y producir corriente eléctrica; por esta investigación recibió el premio nobel de física en 1921. En 1946 el ingeniero estadounidense Russel Ohl patenta la primera célula solar de silicio moderna. En 1953, en los laboratorios Bell, Gerald Pearson, Daryl Chaplin y Calvin Fuller, crean las primeras células solares para usos prácticos con una eficiencia del 6%; su experiencia fue mostrada en la reunión de la Academia Nacional de Ciencias Americanas en Washington, donde hicieron funcionar un radio; la prensa registro la noticia llamándolo las células solares de Bell suministran energía. Con esos avances, las células fotovoltaicas comenzaron a industrializarse; los primeros fueron Western Electric quienes la utilizaron en líneas telefónicas en zonas rurales en Georgia (USA); en 1955 esta patente es comprada por National Fabricated Product para la fabricación de células más eficientes; en 1956 Hoffman Electronics crea la primera empresa de fabricación y comercialización de paneles fotovoltaicos, introduciéndolas en diferentes aplicaciones principalmente en lugares sin red eléctrica (Puig & Jofra).

Imagen 1: imagen del primer satélite que utilizo paneles solares fotovoltaicos, el Vanguard 1 (https://heavens-above.com/SatInfo.aspx?satid=5) Aleksandr Stoletov: físico ruso nacido en 1839, siendo uno de los fundadores de la física en Rusia y de la electrotécnica moderna. 7 Luz violeta de alta frecuencia: al iluminar una superficie metálica con luz azul o ultravioleta se produce una fuga de electrones, debido a la alta cantidad de energía de sus fotones. Esto se conoce como “efecto fotoeléctrico”. 8 Satélite Vanguard I: El satélite estadounidense Vanguard I cumple 50 años en órbita desde su lanzamiento el 17 de marzo de 1958 desde Cabo Cañaveral en respuesta al ruso Sputnik; fue el cuarto satélite puesto en órbita en la historia; fue el primer dispositivo en el espacios que hiciera uso de la energía solar para su funcionamiento; Construido de aluminio casi en su totalidad, un peso de 1,47 kg, un diámetro de 16,5 cm es de forma esférica. Las células utilizadas fueron creadas por Peter Iles, en colaboración con Hoffman Electronics. 6

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Capitulo: 1. Historia del fenómeno fotovoltaico

Las células solares comenzaron a ser utilizadas en satélites espaciales, siendo el primero en el Vanguard I8 en 1958, quien llevo 100cm2 de paneles solares; el éxito de los paneles fotovoltaicos en los proyectos espaciales llegaron ser una costumbre.

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En 1966, se realiza la primera instalación de un sistema fotovoltaico en un faro, en la isla de Ogami en Japón, remplazando el sistema de antorchas de gas por una fuente eléctrica autosuficiente; esta instalación demostró la viabilidad y el potencial de esta tecnología. En los 70’s se hace el primer uso general al público, colocando celdas solares en las calculadoras de marca Sharp. También en los 70’s la ingeniera francesa Dominique Campana9 apasionada por los problemas ambientales propone en su tesis doctoral el uso de sistemas fotovoltaicos para las bombas de agua en los lugares con sequias y de difícil acceso a la energía eléctrica (Puig & Jofra), este proyecto tuvo la colaboración de las bombas Guinard y la suministradora de paneles solares fotovoltaicos Philips; Dominique escucho de esta tecnología durante el congreso internacional “El sol al servicio de la humanidad” en París en 1973 organizada por la UNESCO, donde Wolfgang Palz10 conocido como Mr. Solar expone los beneficios que podría aportar esta tecnología; la primera bomba solar alimentada eléctricamente por paneles fotovoltaicos en Africa fue construida en Nabasso, Mali (Poza, 2007); para muchos este evento organizado por la UNESCO se considera como el big bang de las renovables a escala mundial (OAPN, Fundación Abertis, Red Española de Reservas de Biosfera, 2014). En 1973, producto de la crisis petrolera, la empresa Exxon (llamada antes Esso) comienza un análisis para buscar otras alternativas energéticas que no fueran agotables, ni contaminantes y una competencia a las alzas de los precios de los combustibles fósiles; ese análisis concluyo en anunciar la filiar Solar Power Corporation, la cual comercializaría paneles solares competitivos como propuestas a otras fuentes de energía convencionales, proponiendo prototipos que se fabricaban a bajo costos utilizando silicio cristalino no puro; el efecto en el precio lanzo múltiple aplicaciones aisladas como señalización marítima, ferroviaria y comunicación.

En 1981, el ingeniero aeronáutico Paul McCready logra con el Solar Challenger11 hacer el primer vuelo de un avión solar, el cual voló 262km entre París y Londres; este avión a energía solar, llevaban 16’128 celular solares que ofrecían 2500W, sin ningún almacenamiento, el vuelo duro 5 horas y 23 minutos (Noth, 2008).

Dominique Campana: ingeniera, directora de las acciones internacionales de ADEME (l’Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie en Francia), 30 años de carrera consagrada a la promoción de eficiencia energética y las energías renovables; jugo un rol importante en las negociaciones internacionales sobre el clima y el desarrollo sostenible en los acuerdos de Paris COP21 (https://cop22-balade.com/speakers/dominique-campana/). 10 Wolfgang Palz: alemán y físico de formación, es el presidente del World Renewable Energy Council (WREC). 11 Solar Challenger: avión solar diseñado por el ingeniero americano Paul McCready, el cual tenía una envergadura de 14.2m y un peso de 90kg. 9

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Capitulo: 1. Historia del fenómeno fotovoltaico

En 1978, la petrolera Shell, hace propuestas para instalar sistemas fotovoltaicos en centros comerciales, fabricas, viviendas familiares y edificios de viviendas, que fueran contribuidores al suministro de energía (Puig & Jofra).

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Imagen 2: Solar Challenger, primer avión solar (https://www.jppetit.org/nouv_f/avion_electrique/avion_electrique.htm)

En 1982, la sociedad Arco Solar 12 crea el primer parque solar en Lugo California; este parque generaba 1 Megavatio por hora a plena carga (esta planta está cerrada actualmente); en 1983, esta misma empresa construye un segundo parque solar en Carrizo Plains13 California, siendo la instalación más grande la cual generaba 5.2 Megavatios a plena carga, este proyecto durante mucho tiempo fue la más grande del mundo; estas 2 plantas fueron compradas por Carrizo Solar Corporation en 1990, quien confió en que los precios del petróleo subirían, pero los precios se conservaron estables, por esta causa estos proyectos no resultan interesantes económicamente, pero demostraron que esta producción de energía podía ser comercial (Baker, 2015) (CLUI, 2015). Podemos resumir que las grandes productoras de paneles solares entre los años 70’s y 80’s fueron las empresas petroleras como ARCO, Exxon, Shell, Amoco (BP) y Mobil. En 1984, la universidad de Georgetown en Washington instala un sistema fotovoltaico integrado al edificio del Centro Intercultural. En 1996 en Harare (Zimbabue), se realiza la Cumbre Solar Mundial, esta reunión fue todo un éxito y sin duda se considerará un golpe esencial en la evolución hacia un aprovechamiento en gran escala de las energías renovables. Nunca antes en una conferencia sobre las energías renovables habían participado personalidades tan relevantes: diez jefes de Estado y un total de 104 países oficialmente representados (UNESCO, 1997).

En 2002, se instala en Holanda el más grande tejado fotovoltaico en el mundo para la feria de Horticultura Floriade, con 25’100 m2 colocando 19’000 paneles solares, con una potencia de 2.3 MWp; también se construye la más grande instalación del mundo con 32’740 paneles que ocupan 7 hectáreas y una potencia de 4 MWp, el lugar del proyecto es la zona más soleada de Alemania en Hemau, Baviera, siendo un proyecto de muchos inversores con diferentes porcentajes de participación (Puig & Jofra). ARCO: es la compañía petrolera Atlantic Richfield Oil Company; con la crisis petrolera de los 70’s, esta compañía se convierte en pionera en la energía solar, fabricando sus propios paneles solares. 13 Carrizo Plains, California - USA: uno de los estados más soleados de California, el cual fue explotado con gran fuerza entre 1982 y 1994. 12

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Capitulo: 1. Historia del fenómeno fotovoltaico

En 1997, Siemens es la primera compañía en proponer 25 años de garantía por sus paneles solares fotovoltaicos.

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En 2008 el Vaticano instala su primera planta de energía solar fotovoltaica, 2’394 paneles.

2. Eficiencia de las células fotovoltaicas La historia nos muestra el progreso en la eficiencia de las células fotovoltaicas, esta gran mejora ayudo al aumento en el uso de la energía producida por el sol utilizando células fotovoltaicas.

La grafica de la imagen 3 muestra el continuo crecimiento de las células de silicio cristalino (las más utilizadas), pero también otros tipos de tecnología que crecen en eficiencia y que en el futuro podrían ser las más utilizadas; viendo las tendencias, la energía solar fotovoltaica nos muestra un gran avenir en el futuro.

3. Fabricación de células solares fotovoltaicas Podemos ver en la historia de los paneles solares fotovoltaicos que los Estados Unidos lideraron el desarrollo de esta tecnología hasta los años 90 teniendo como capacidad instalada 77MW; en los años siguientes fue superada por los japoneses, hasta que los alemanes en 2005 tomaron la primera posición donde al final del 2015 tenían instalado algo cercano a 40GW; pero hoy el liderato lo tiene China, perfilándose con la mejor perspectiva futura (wiki2.org, 2016).

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Capitulo: 2. Eficiencia de las células fotovoltaicas

Imagen 3: progreso de la eficiencia de las células fotovoltaicas (https://www.researchgate.net/figure/Overview-the-best-research-cell-PCE-of-various-solar-cellstechnologies-and-materials_fig1_256502787)

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Imagen 4: tendencias en la fabricación mundial de paneles fotovoltaicos (wiki2.org, 2015)

4. Instalación mundial de células fotovoltaicas

Imagen 5: tendencias en la instalación mundial de paneles fotovoltaicos (http://www.scielo.org.mx/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S2007-78582017000100105)

5. Evolución de los precios de las células fotovoltaicas El aumento mundial en la fabricación de sistemas fotovoltaicos, se debe también a la baja en los precios de esta tecnología, marcando en 1977 el precio de 76,67$/Watt, ya en 2013 el precio de 0,74$/Watt; en la imagen siguiente muestra la baja de los precios en la historia:

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Capitulo: 4. Instalación mundial de células fotovoltaicas

En el 2015, China con el 19.03 % pasa al primer lugar en potencia fotovoltaica instalada, el segundo lugar es para Alemania con el 18.6 %, seguida de Japón 15.1 %, USA 11.27 %, Italia el quinto con 8.37 %; Reino Unido ocupó la sexta posición en 2015 con 3.9 %; seguida por Francia, España, Australia e India; también podemos ver la tendencia con el crecimiento en el uso de la energía fotovoltaica (Sawin, 2016).

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Imagen 6: evolución del precio de la tecnología fotovoltaica (The Economist, 2012)

La mejora en los precios es consecuencia también al avanzado progreso en las tecnologías para fabricar células fotovoltaicas.

6. Fabricantes de celdas fotovoltaicas de silicio

Imagen 7: fabricantes mundiales de paneles fotovoltaicos (Observ'ER, 2015)

La imagen 7 nos muestra que China es el principal productor de paneles solares fotovoltaicos; China también es el líder en producción de energía fotovoltaica; este país cuenta con más de 400

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Capitulo: 6. Fabricantes de celdas fotovoltaicas de silicio

En 2014 los principales fabricantes mundiales de paneles solares fotovoltaicos se concentran en China y Estados Unidos:

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empresas, las más destacadas Trina Solar14 (principal fabricante mundial) y Yingli 15, este progreso en el crecimiento comenzó en 2001, donde este país tenía el 1% del mercado, hoy en día China supera ampliamente a los demás países (wiki2.org, 2015); las empresas más conocidas son: Nombres de empresas de fabricantes de módulos solares fotovoltaicos: • China: Trina Solar; Yingli; Jinko Solar16; Suntech Power17. • Taiwán: Motech. • Canadá: Canadian Solar. • Alemania: SMA Solar technology AG18. • Japón: Kyocera; Sharp Solar; Solar Frontier. • USA: First Solar19; SolarCity20. • Corea del Sur: Hanwha Q CELLS.

Resumen La historia de la energía fotovoltaica nos muestra como una feble corriente fue aumentado con el tiempo y el progreso que ha generado las pasadas crisis petroleras, hoy en día la energía fotovoltaica hace parte de la revolución verde. ***

Referencias Bibliográficas Baker, A. (Julio de 2015). A History of Solar Cells: How Technology Has Evolved. Obtenido de Solar Power Authority: https://www.solarpowerauthority.com/a-history-of-solar-cells/ CLUI. (Julio de 2015). Abandoned solar power plant, California. Obtenido de The Center for Land Use Interpretation: http://clui.org/ludb/site/abandoned-solar-power-plant Noth, A. (2008). Histoire de l’Aviation Solaire . Laboratoire des Systèmes Autonomes, ETH Zürich.

Trina solar: esta fábrica fundada en 1997 tiene sede principal en Jiangsu y filiales en USA, Europa y Asia; producen lingotes, obleas, células solares y módulos solares; https://www.trinasolar.com/fr 15 Yingli: conocida como Yingli Green Energy Holding Company, su sede principal es en Baoding; http://www.yinglisolar.com/en/ 16 Jinko Solar: fundada en 2006 en Shanghai / China; https://www.jinkosolar.com/ 17 Suntech Power: fundada en 2001, en Wuxi, Jiangsu / China; su fundador Shi Zhengrong; http://www.suntechpower.com/ 18 SMA Solar technology AG: empresa creada en 1991; https://www.sma.de/en/company/pv-electricity-produced-ingermany.html 19 First Solar Holdings: fundada en 1999 por Harold MaMaster; http://www.firstsolar.com/enEMEA/https://www.tesla.com/solarpanels?energy_redirect=true 20 SolarCity Corporation: empresa subsidiaria de Tesla Inc, fundada en 2006 por Lyndon Rive; https://www.tesla.com/solarpanels?energy_redirect=true

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Capitulo: Resumen

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OAPN, Fundación Abertis, Red Española de Reservas de Biosfera. (2014). Energías renovables para las reservas de la biosfera. Cipriano Marín Cabrera. Observ'ER. (2015). Photovoltaic barometer 2015. Observ'ER. Poza, F. (14 de noviembre de 2007). Contribución al desarrollo de procedimientos de control de calidad para sistemas de bombeo fotovoltaico. Madrid: UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID. Puig, P., & Jofra, M. (s.f.). Solar fotovoltaica. Energías Renovables para todos. Haya Comunicación. Sawin, J. L. (2016). REPORTE DE LA SITUACIÓN MUNDIAL ENERGÍAS RENOVABLES 2016. Paris: Renewable Energy Policy Network for the 21st Century - REN21. The Economist. (28th de Dec de 2012). The rise of solar energy. Obtenido de Economist.com : https://www.economist.com/graphic-detail/2012/12/28/pricing-sunshine UNESCO. (1997). INFORME DE LA COMISION SOLAR MUNDIAL. Paris: UNESCO. wiki2.org. (Enero de 2015). Crecimiento de la energía solar fotovoltaica. Obtenido de Wiki 2: https://wiki2.org/es/Crecimiento_de_la_energ%C3%ADa_solar_fotovoltaica wiki2.org. (Enero de 2016). Energía solar fotovoltaica. Obtenido de Wiki 2: https://wiki2.org/es/Crecimiento_de_la_energ%C3%ADa_solar_fotovoltaica ***

¿Que es ETO? ETO es Energía para TOdos, es un proyecto que busca que cualquier persona sin formación técnica pueda conocer fácilmente la energía y hacer estimaciones energéticas; esto ayudara a la innovación, y a la generación de propuestas que sirvan para un desarrollo económico en una región. ETO es ingeniería para no ingenieros.

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Javier Trespalacios; Ingeniero Mecánico, Master en Energía Renovables; visitar https://j3palacios.wordpress.com/ ETO: Versión V02: 12.03.2015

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Capitulo: ¿Que es ETO?