En las últimas semanas hemos oído hablar de una nueva startup que anuncia que va a construir un coche solar, el Lightyear One. También Toyota ha presentado el Prius PHV con paneles solares en el techo, capó y luna trasera, pero no son tan ambiciosos y no lo denominan coche solar. ¿Es cierto que puede haber un coche solar propulsado únicamente por la energía que nos proporciona el astro rey? Vamos a intentar arrojar algo de luz sobre este asunto.

El efecto fotoeléctrico

Como siempre, vamos a comenzar por explicar el trasfondo de esta tecnología. El efecto fotovoltaico fue descubierto originalmente por Alexandre Edmond Bequerel en 1838, cuando experimentando con una pila electrolítica con electrodos de platino se dio cuenta que la corriente subía al exponerse al sol. Muchos fueron los que posteriormente hicieron mejoras y descubrimientos sobre este nuevo efecto, aunque el más significativo fue el de Gerald Pearson en 1953, cuando fabricó la primera célula fotovoltaica de silicio, que fue perfeccionada por Daryl Chaplin y Calvin Fuller, los tres pertenecientes a los laboratorios Bell. Aquí comenzaba la historia de los paneles solares.

Las celdas que componen los paneles solares, de color azul los que son policristalinos y de color más oscuro, casi negro, los que son monocristalinos o de capa fina, se componen de material semiconductor basado en silicio, el mismo que compone los procesadores y CPU de nuestros ordenadores o teléfonos.

Los semiconductores se pueden comportar como un aislante o como un conductor, en función de la tensión/corriente que se aplique en sus extremos y capa central (puerta). Esto es útil en este caso para producir el efecto fotoeléctrico

La luz del sol, al incidir sobre la capa N, empuja a los electrones hacia la capa P, creando una corriente eléctrica y una diferencia de potencial, ambos en continua. Para entenderlo de manera sencilla, imaginemos que los fotones y electrones son pelotas de golf. Cuando un fotón choca con un electrón, le transmite su energía, empujándolo a la capa inferior. Una vez abajo, no se siente cómodo en esa capa, por lo que regresa a la capa superior, creando una corriente, y por tanto, una tensión continua. Así de sencillo y así de complicado.

Panel Solar de la Estación Espacial Internacional

El desarrollo de los paneles solares

La primera aplicación práctica se encontró en el espacio. Los satélites tenían una vida muy corta, pues se debían alimentar de baterías, lo que les hacía ciertamente poco viables, hasta que llegaron las células fotovoltaicas al rescate.

En el espacio la única fuente disponible de energía es la luz del sol, así que estas celdas solucionaban casi todos los problemas existentes hasta la fecha. Como en todo, los primeros desarrollos ofrecían una potencia muy baja, del orden de milivatios. El primer satélite en emplear este sistema de generación de energía fue el Vanguard I, lanzado el 17 de Marzo de 1958, con una capacidad de paneles solares de 0,1 W.

El progreso con nuevos materiales dopantes (GaAs) en las celdas llevó a un rápido ascenso en la potencia de a bordo, llegando ya a 640 W en el satélite Nimbus en 1964, o los 20 kW del Skylab de 1973. Como es natural en una tecnología que comienza, era extremadamente cara, del orden de 1.500 dólares por vatio.

En el diagrama podemos ver la evolución de la eficiencia de las celdas solares en el tiempo, con un 47,1 % de eficiencia máxima en la actualidad

En la foto de más arriba vemos los que son los paneles solares espaciales más grandes en la actualidad. Proporcionan energía a la Estación Espacial Internacional y están compuestos por 262.400 celdas solares con aproximadamente un 34 % de eficiencia, que cubren un área de 2.500 metros cuadrados. Hay cuatro paneles como este, entregando entre 84 y 120 kW de energía, suficiente para alimentar la estación y recargar al mismo tiempo sus baterías, necesarias cuando se encuentra en la zona de sombra.

Para que nos hagamos una idea, en la actualidad los precios de los paneles solares comerciales de entre 17 y 19 % de eficiencia están en los 0,4 €/W, mientras el panel comercial con mayor eficiencia actualmente es el SPR-X22-370 de Sunpower, con 22,7 % de eficiencia y un coste de 1,2 €/W. A mayor eficiencia, mayor luz solar se convierte en electricidad, pero también su coste aumenta exponencialmente. La mayor eficiencia conseguida hasta la fecha es del 47,1 %, pero a un precio extremadamente alto que lo hacen inviable comercialmente hablando.

Dependiendo del número de celdas solares con las que se forme el panel -normalmente 60 o 72-, podemos encontrar paneles comerciales que pueden ir de los 320 W a los 370 W. Esta es la potencia máxima que el panel es capaz de generar, con una superficie de aproximadamente de 1,5 m². Aquí ya tenemos una cifra interesante: comercialmente un panel solar puede generar como máximo unos 246 W por metro cuadrado.

Lightyear One

Hace un par de semanas se presentó una nueva empresa con un nuevo coche eléctrico, llamado Lightyear One. Se trata de una startup holandesa cuyo objetivo es comercializar un “coche solar de gran autonomía” en 2021. Para tal propósito ha presentado un prototipo con baterías y recarga convencional, pero equipado con paneles solares en el techo, capó y luneta trasera, que ocupan una superficie de 5 m².

El precio del Lightyear One parte de los 119.000 euros, con 100 reservas realizadas y otras 400 disponibles

Según la empresa, tendrá una autonomía de 725 km con una sola carga, gracias en parte a su cuidada aerodinámica con 0,20 de coeficiente de arrastre. Según sus cálculos, en una ciudad como Madrid, su vehículo podría conseguir 55 km extra de autonomía si un día completo de verano estuviese al sol recargando sus baterías, o su equivalente en energía, 4.909 Wh. ¿Son realistas estas cifras?

Suponiendo que montan las celdas comerciales más eficientes en la actualidad, con 22,7 % de eficiencia, el Lightyear One tendría una capacidad máxima de: 5 m² x 246 W = 1.230 W. Esta es la potencia máxima que podría alcanzar, con los rayos de sol cayendo en perpendicular a todas las celdas. Pero como ya vemos, el vehículo tiene curvaturas, por lo que solamente un grupo de celdas tendrá los rayos del sol en perpendicular en cada momento del día. Como consecuencia, su generación no será máxima en ningún momento.

En el esquema de radiación solar media vemos que el máximo de irradiación se da aproximadamente en los trópicos, siendo España un privilegiado respecto a Europa

Vamos a suponer que dejamos el Lightyear One aparcado en un descampado, donde le da el sol desde el amanecer hasta el anochecer. Debido a que el sol se mueve y su incidencia en las celdas no es perpendicular, salvo al mediodía, su curva de generación será una campana de Gauss: al mediodía la generación es máxima, pero al amanecer va creciendo, y al anochecer, va decreciendo. ¿Cuántas horas de sol efectivas tendremos en verano en Madrid?

Aquí es donde entra en juego la Hora Solar Pico o HSP. La HSP es una unidad que mide la irradiación solar y se define como el tiempo en horas de una hipotética irradiación solar constante de 1.000 W/m². Para Madrid en el mes de julio las HSP son de 7,3 horas. Entonces multiplicando la potencia máxima de los paneles del Lightyear One por la HSP obtenemos la energía generada en un día de julio: 1.230 W x 7,3 h = 8.979 Wh.

Como vemos, este cálculo es muy superior al que ofrece Lightyear, con 4.909 Wh. Esto es debido a las ineficiencias por la orientación de las celdas durante el trayecto del sol, por lo que parece una cifra razonable. Teniendo en cuenta que un eléctrico consume de media unos 15.000 Wh cada 100 km, esto nos podría proporcionar unos 33 km de autonomía extra. Pero esta cifra no es realista.

Este sería el caso en que el coche se encuentra parado al sol todo el día, y no hay ninguna sombra que lo obstaculice. Si nos ponemos a circular en la ciudad, entre los edificios, túneles, aparcamientos bajo superficie, cambios de orientación respecto al sol y demás, esta cifra baja considerablemente. ¿Cuánto baja? Pues no tenemos datos reales con lo que contrastarlo, pero desde luego, los 33 km de autonomía extra son el máximo en condiciones ideales y algo difícil de conseguir.

Por tanto, no se puede decir que el Lightyear One sea un coche solar, pues su autonomía no proviene en su mayor parte de la energía solar. En todo caso se trata de un vehículo eléctrico con paneles solares de apoyo, que extienden algunos kilómetros su autonomía.

Toyota Prius PHV

Los de Toyota llevan tiempo ofreciendo en el Prius el techo con celdas solares. Al estar aparcado al sol, estas celdas proporcionan la energía suficiente para que el sistema de ventilación funcione sin drenar la batería, manteniendo así el interior algo más fresco. A su vez, estas celdas serían capaces de aumentar la carga de la batería auxiliar de 12 V, ayudando a mantenerla en unos niveles aceptables.

Hace un par de días, la empresa japonesa ha presentado una iniciativa que no se anuncia como un coche solar, sino como un vehículo electrificado apoyado por paneles solares. En esta iniciativa participa Toyota junto a NEDO –New Energy and Industrial Technology Development Organization– y Sharp que proporciona las celdas solares.

El capó, techo y luneta trasera están cubiertos por celdas con un 34 % de eficiencia, que son capaces de producir como máximo 860 W y recargar las baterías del Prius para obtener mayor autonomía. Según la marca, esto podría prolongar la autonomía como máximo en 44,5 km, cuando el vehículo está aparcado. Como decíamos antes, estas son las condiciones ideales, que difícilmente se podrán conseguir en la realidad.

Al igual que el Lightyear One, el Toyota Prius PHV es un coche híbrido con paneles solares de apoyo, que ayudan a prolongar su autonomía unos pocos kilómetros

Para ello van a probar el prototipo en condiciones de circulación reales, en la ciudad Toyota, situada en la prefectura de Aichi en Tokio. Los datos que recaben de estas pruebas serán muy útiles para determinar la eficiencia de la recarga solar en diferentes condiciones reales de conducción.

En cuanto a su comercialización, las cifras cambian notablemente. Se emplearán celdas del 22,5 % de eficiencia, que son más económicas, produciendo como máximo 180 W de potencia. Con esto se conseguiría un aumento de la autonomía en condiciones ideales de hasta 6,1 km, que en condiciones de circulación reales serán bastante menos.

Sono Sion

Otra empresa que intenta vendernos el “coche solar” es Sono Motors, una startup alemana asociada con NEVS para la fabricación, y que comercializa el Sion, un modelo eléctrico con 35 kWh de baterías y 248 celdas solares, que según sus datos, ofrecen 34 km de autonomía extra. El precio del Sion es de 25.500 euros, algo nada descabellado para disponer de 250 km de autonomía con una sola carga.

Lo que no encaja de este diseño son sus celdas solares en los laterales del vehículo. Como hemos dicho, para que la producción de energía sea máxima, el sol debe incidir perpendicularmente sobre las celdas, así que las que se sitúan en las puertas y portón trasero van a producir poca energía. Únicamente podrán aprovechar algún rayo de sol que les llegue por reflexión, o algún otro al amanecer y anochecer, cuando el sol se encuentre en el horizonte.

Así que estas celdas situadas en sus laterales son mas bien una herramienta de imagen y de marketing, que algo realmente útil desde el punto de vista de la recarga solar. ¿Es un coche solar? Obviamente no, como los anteriores. Sus celdas ayudan a prolongar su autonomía algunos kilómetros, pero continúa siendo necesario disponer de una fuente de energía alternativa para la recarga de su batería principal.

El coche solar no existe

Como decíamos en el título, queda claro que la tecnología de celdas solares está lejos de producir las potencias por metro cuadrado que permitan una recarga masiva de las baterías de los coches eléctricos. La tecnología avanza, y qué duda cabe que en el futuro tal vez se encuentre una tecnología que sea capaz de hacerlo, pero en la actualidad es imposible.

Hemos visto que el Lightyear One, Sono Sion y el Toyota Prius PHV son tres prototipos que emplean celdas solares como apoyo, para complementar la autonomía en algunas decenas de kilómetros, con la ayuda de la energía solar, pero se trata más de una herramienta de marketing, que realmente de algo que marque la diferencia y se pueda anunciar como “coche solar”.

Por el bajo coste de los paneles, es evidente que no estaría de más equiparlos en el techo de todos los vehículos, al menos para refrigerar el habitáculo cuando el vehículo se encuentre aparcado al sol, algo que realmente aporta una utilidad. Al igual que la recarga de la batería auxiliar, que también sería posible con estas celdas solares, siempre y cuando vivamos en un lugar con mucho sol y no aparquemos el coche en un garaje.

Lo que sí es cierto, es que los únicos vehículos solares que existen son el que aparece en la foto de portada. Vehículos especialmente diseñados para alimentarse únicamente de la energía solar, pero que distan de ser un coche, y se parecen más a un potro de tortura para quien lo pilota. Estos vehículos pertenecen a la competición World Solar Challenge, que se celebra en Australia desde 1987, e intenta fomentar el uso de esta tecnología en el transporte. Así que cuando escuchéis que alguien habla de un “coche solar”, tendréis varias opciones: discutir, callar, reír o hacer un “Snoopy”.