Cómo funciona la energía solar: guía completa para profesionales

La energía solar representa una de las fuentes energéticas con mayor proyección en la transición energética actual. Su aprovechamiento directo, la reducción de costes y el avance tecnológico la han convertido en un pilar para el desarrollo de un modelo energético más sostenible y competitivo. España, gracias a su privilegiada situación geográfica, cuenta con uno de los mayores potenciales de Europa para el aprovechamiento de esta fuente de energía.

En este artículo analizaremos los fundamentos técnicos que explican cómo funciona la energía solar, los diferentes sistemas de captación y transformación, así como sus aplicaciones industriales. Conocer esto es esencial tanto para profesionales del sector como para quienes evalúan implementar soluciones de autoconsumo o eficiencia energética en sus instalaciones.

Principios básicos de la energía solar: la radiación como fuente de energía

Si buscamos la respuesta a cómo funciona la energía solar, debemos saber que esta tiene su origen en las reacciones de fusión nuclear que se producen en el núcleo del Sol, donde el hidrógeno se transforma en helio liberando enormes cantidades de energía. Esta energía se propaga por el espacio en forma de ondas electromagnéticas que tardan aproximadamente 8 minutos en recorrer los 150 millones de kilómetros que separan el Sol de la Tierra. La radiación solar que alcanza la atmósfera terrestre tiene una potencia media de 1.367 W/m², valor conocido como constante solar.

Durante su paso por la atmósfera, la radiación solar experimenta diversos fenómenos como la absorción, reflexión y dispersión, lo que origina tres tipos de radiación: directa, difusa y reflejada.

• La radiación directa llega a la superficie terrestre sin experimentar cambios en su dirección.
• La radiación difusa sufre cambios de dirección debido a la reflexión y dispersión en la atmósfera.
• La radiación reflejada (o albedo) es aquella que refleja la superficie terrestre, dependiendo de la naturaleza del terreno.

La cantidad de radiación solar que recibe una ubicación específica depende de múltiples factores. La latitud geográfica determina el ángulo de incidencia de los rayos solares y las horas de sol disponibles. Las condiciones climatológicas locales, especialmente la nubosidad, afectan significativamente la intensidad de la radiación. La orientación e inclinación de las superficies captadoras resultan determinantes para maximizar la captación energética.

Tecnología para la captación de energía solar

La innovación tecnológica ha revolucionado la forma en que aprovechamos la energía del sol. A continuación, exploramos las principales tecnologías utilizadas para la captación de energía solar y su impacto en la sostenibilidad energética.

Energía solar fotovoltaica: transformación directa en electricidad

La tecnología fotovoltaica permite convertir directamente la radiación solar en electricidad mediante el efecto fotoeléctrico, descubierto por Heinrich Hertz y explicado teóricamente por Albert Einstein. Este fenómeno físico se produce cuando los fotones de la luz solar inciden sobre materiales semiconductores, generalmente silicio dopado, provocando la liberación de electrones y generando una diferencia de potencial que puede aprovecharse como corriente eléctrica.

Un sistema fotovoltaico completo está compuesto por diversos elementos interconectados. Los paneles solares constituyen el elemento captador, formados por células fotovoltaicas conectadas en serie y paralelo. El inversor transforma la corriente continua generada en los paneles en corriente alterna compatible con la red eléctrica o las aplicaciones finales. En instalaciones aisladas, se requieren además reguladores de carga y sistemas de almacenamiento (baterías) para gestionar la energía producida.

Existen diferentes tecnologías de células fotovoltaicas con características y eficiencias variables:

• Las células de silicio monocristalino ofrecen la mayor eficiencia comercial (18-22%) pero con un coste superior.
• Las de silicio policristalino presentan eficiencias algo menores (15-18%) a un coste más reducido.
• Las tecnologías de capa fina tienen menor eficiencia pero ofrecen ventajas como flexibilidad o mejor rendimiento con luz difusa.

Energía solar térmica: aprovechamiento del calor

La energía solar térmica se basa en la captación del calor contenido en la radiación solar para su aprovechamiento en diversas aplicaciones. A diferencia de la fotovoltaica, esta tecnología no produce electricidad directamente, sino que transforma la radiación en energía térmica mediante el calentamiento de un fluido caloportador.

• Los captadores solares térmicos son el elemento fundamental de estos sistemas y existen diversos tipos según la temperatura de trabajo requerida.
• Los captadores planos vidriados, con temperaturas de trabajo entre 40-80°C, son los más extendidos para aplicaciones residenciales.
• Los captadores de tubos de vacío, que minimizan las pérdidas térmicas, alcanzan temperaturas de 80-150°C.

El almacenamiento térmico constituye un componente esencial en estos sistemas para gestionar el desfase entre producción y demanda. Habitualmente se realiza mediante depósitos acumuladores de agua. Las aplicaciones principales de la energía solar térmica incluyen la producción de agua caliente sanitaria (ACS), sistemas de calefacción por suelo radiante o radiadores, y procesos industriales que requieren calor a baja o media temperatura.

Energía solar termoeléctrica o de concentración

La energía solar termoeléctrica o de concentración (CSP) representa la evolución de la solar térmica para la generación de electricidad a gran escala. Su principio de funcionamiento consiste en concentrar la radiación solar mediante sistemas ópticos para alcanzar temperaturas muy elevadas (400-1000°C) que permitan generar vapor y accionar turbinas conectadas a generadores eléctricos.

Existen cuatro tecnologías principales de concentración solar:

• Los sistemas de colectores cilindro-parabólicos utilizan espejos con forma parabólica que concentran la radiación en un tubo receptor.
• Las centrales de torre emplean cientos de espejos planos (heliostatos) que reflejan la radiación hacia un receptor situado en lo alto de una torre central.
• La tecnología Fresnel utiliza reflectores planos o ligeramente curvados.
• Los discos parabólicos con motor Stirling son sistemas modulares que concentran la radiación en el foco de un paraboloide.

España ha sido pionera en el desarrollo de esta tecnología, con proyectos emblemáticos como las centrales PS10 y PS20 en Sevilla, o los complejos de Andasol en Granada, que incluyen sistemas de almacenamiento térmico con sales fundidas que permiten la generación eléctrica incluso en ausencia de radiación solar.

Sistemas solares según su conexión

Dependiendo de si están conectados o aislados de la red, será necesario tener en cuenta ciertos aspectos, que veremos a continuación.

Instalaciones aisladas de la red

Los sistemas solares aislados están diseñados para funcionar de manera autónoma, sin conexión a la red eléctrica convencional. Estos sistemas resultan idóneos para ubicaciones remotas donde la conexión a la red es técnicamente inviable o económicamente prohibitiva, así como para aplicaciones específicas que requieren independencia energética.

Además de los componentes básicos de un sistema fotovoltaico, las instalaciones aisladas requieren elementos específicos. Las baterías son imprescindibles para almacenar la energía generada durante las horas de sol. Los reguladores de carga protegen las baterías frente a sobrecargas y descargas profundas, maximizando su vida útil. En muchos casos, se incluyen también sistemas de generación auxiliar (grupos electrógenos, pequeños aerogeneradores) que garantizan el suministro en periodos prolongados de baja radiación.

El dimensionamiento de estos sistemas exige un análisis detallado de los consumos previstos y las condiciones de radiación del emplazamiento. Las aplicaciones habituales incluyen electrificación de viviendas rurales, sistemas de bombeo de agua, telecomunicaciones, señalización o monitorización remota.

Instalaciones conectadas a la red

Los sistemas solares conectados a la red eléctrica representan actualmente la mayor parte de las instalaciones fotovoltaicas, tanto en el ámbito residencial como en el industrial. Estos sistemas inyectan la energía generada directamente a la red eléctrica o la utilizan para el autoconsumo, reduciendo la dependencia energética externa.

El funcionamiento de estas instalaciones está regulado por un marco normativo que ha evolucionado significativamente en los últimos años. En España, el Real Decreto 244/2019 estableció un nuevo marco para el autoconsumo fotovoltaico, eliminando el conocido “impuesto al sol” y simplificando los trámites administrativos. Esta normativa contempla diferentes modalidades de autoconsumo: sin excedentes (toda la producción se consume en la instalación), o con excedentes (se permite verter energía a la red).

El sistema de compensación de excedentes permite a los autoconsumidores obtener una contraprestación económica por la energía vertida a la red, que se descuenta de su factura eléctrica. La integración de sistemas de almacenamiento en instalaciones conectadas a red está ganando popularidad como forma de aumentar el autoconsumo y la independencia energética.

Rendimiento y eficiencia en sistemas solares

La producción energética de un sistema solar está determinada por múltiples factores técnicos y ambientales que deben considerarse tanto en la fase de diseño como durante la operación. La irradiación disponible en el emplazamiento constituye el recurso básico y varía significativamente según la ubicación geográfica. La orientación e inclinación de los módulos debe optimizarse para maximizar la captación energética según los patrones de producción deseados.

El cálculo del rendimiento de una instalación solar se realiza mediante diversas métricas técnicas:

• La productividad específica o yield (kWh/kWp) indica la producción anual por kilovatio pico instalado.
• El performance ratio (PR) evalúa la calidad técnica de la instalación, comparando su producción real con la teóricamente alcanzable.
• Adicionalmente, se emplean indicadores económicos como el coste nivelado de la energía (LCOE) para evaluar la competitividad frente a otras fuentes energéticas.

Los avances tecnológicos continúan mejorando la eficiencia de los sistemas solares. Los sistemas de seguimiento solar incrementan la captación alrededor de un 10% respecto a instalaciones fijas. La optimización mediante electrónica de potencia avanzada, como los optimizadores o los microinversores, permite mitigar el impacto de las sombras parciales. Los sistemas de monitorización y mantenimiento predictivo contribuyen a mantener las instalaciones operando en condiciones óptimas.

Aplicaciones industriales de la energía solar

El sector industrial presenta un enorme potencial para la implementación de sistemas solares, dada su elevada demanda energética y sus patrones de consumo generalmente diurnos. Los sistemas de autoconsumo industrial permiten a las empresas reducir su dependencia energética externa y estabilizar sus costes operativos frente a la volatilidad de los mercados energéticos. Las amplias superficies disponibles en naves y centros de producción resultan idóneas para la instalación de grandes plantas fotovoltaicas.

Adentrándonos en cómo funciona la energía solar térmica, es necesario saber que encuentra aplicaciones específicas en numerosos procesos industriales. Los sectores alimentario, textil, químico y papelero, entre otros, requieren importantes cantidades de calor a temperaturas medias (80-250°C) para procesos como pasteurización, secado, destilación o tratamientos térmicos. Los sistemas solares térmicos de media temperatura pueden cubrir parcialmente estas demandas térmicas con un elevado rendimiento y reducidas emisiones.

Existen numerosos casos de éxito en el sector industrial español que demuestran la viabilidad técnica y económica de estas soluciones. El desarrollo de modelos como el PPA (Power Purchase Agreement), donde un tercero asume la inversión y mantenimiento de la instalación a cambio de vender la energía a un precio competitivo y estable, está facilitando la penetración solar en el tejido industrial.

El futuro de la energía solar: innovaciones y tendencias

Tras explicar cómo funciona la energía solar, aseguramos que afronta una etapa decisiva en su evolución, en la que no solo debe consolidar su competitividad, sino también superar desafíos clave para su integración masiva. La gestión eficiente del almacenamiento energético, tanto a corto como a largo plazo, será esencial para garantizar la estabilidad de la red en un sistema basado en fuentes renovables intermitentes.Tecnologías como las baterías avanzadas y el hidrógeno verde jugarán un papel protagonista en este proceso.

Además, la digitalización del sector y la integración de soluciones inteligentes permitirán optimizar la producción, el consumo y la gestión descentralizada de la energía, facilitando el desarrollo de comunidades energéticas locales. En paralelo, la innovación en diseño y materiales abre nuevas posibilidades para la integración arquitectónica y agrícola de los sistemas solares, haciendo viable su adopción en entornos urbanos y rurales con alta densidad o limitaciones de espacio.

El verdadero reto será articular un marco normativo y financiero que incentive estas transformaciones, asegurando el acceso equitativo a las soluciones solares y fomentando la participación activa de todos los actores del sistema energético.

¿Tienes alguna duda sobre cómo funciona la energía solar o estás considerando implementar soluciones solares en tu empresa? No dudes en ponerte en contacto con nosotros; estaremos encantados de ayudarte.