unidad 2: células y módulos fotovoltaicos.

UNIDAD 2: CÉLULAS Y MÓDULOS FOTOVOLTAICOS.
Como se ha visto en la primera unidad la fotovoltaica es una aplicación prometedora que ha
experimentado un gran crecimiento a lo largo de las últimas décadas. Hecho que ha provocado que
a medida que su implantación crece, su coste disminuye provocando un aumento de su
competitividad. Así es que se nos plantea, como fundamental el conocimiento de:
•
funcionamiento de un panel fotovoltaico;
•
tipos de paneles existentes en el mercado;
•
componentes;
•
interpretación de la hoja de características.
Cuestiones que trataremos en esta unidad.
1 LA CÉLULA FOTOVOLTAICA.
El tipo de célula fotovoltaica -también denominada célula fotoeléctrica o célula solar- más
común es la célula de silicio cristalino. El silicio es un material semiconductor. Sus
propiedades de conductividad eléctrica están situadas a medio camino entre los materiales
conductores y los aislantes.
Los átomos están formados, como sabemos, por un núcleo -constituido por protones y
neutrones- y una serie de electrones situados en órbitas u orbitales a su alrededor. Los
átomos de los diferentes elementos que existen en el universo se diferencian únicamente en
el número de sus partículas constitutivas. El número de electrones y la forma como estos se
estructuran determina ciertas propiedades básicas del átomo; en particular , la configuración
del último orbital -llamado orbital de valencia- explica cómo se comportan los átomos y
cómo estos se combinan con otros par formar estructuras más o menos complejas.
La configuración más estable del átomo es aquella en la que la capa u orbital de valencia
posee ocho electrones. Es esta la configuración que caracteriza a los gases nobles (el neón,
argón, xenón, entre otros), así llamados porque no se combinan con otros átomos. El resto
de los átomos se combinan entre sí, compartiendo o cediéndose electrones, para aproximarse
a dicha configuración.
1.1
Configuración de los materiales semiconductores.
Los átomos de silicio tienen cuatro electrones en su orbital de valencia,electrones que
forman una red cristalina con otros átomos de silicio, tal como muestra la figura. Los átomos
comparten cada uno de sus cuatro electrones con los demás átomos que los rodean,
formando poderosos enlaces que mantienen unida la estructura. Al compartir dichos
electrones con sus cuatro átomos vecinos, el átomo de silicio adquiere su configuración de
gas noble.
La aportación de energía externa a dicha red en cantidad suficiente provoca que algunos
electrones se liberen del enlace; el electrón puede entonces moverse libremente por la red
cristalina. Macroscópicamente, esa libertad de movimiento de algunos electrones se
representa en una variable del semiconductor conocida como conductividad intrínseca. El
electrón, al liberarse del enlace, deja un hueco en ella, que se comporta como si se tratase de
una carga positiva.
La conductividad intrínseca no sirve para generar electricidad. Para hacerlo deben
introducirse impurezas en la red cristalina. Los átomos de dichas impurezas pueden tener o
bien un electrón más (en el caso del fósforo, el antimonio, y el arsénico) o bien un electrón
menos (el caso del boro, el galio y el indio) que el átomo de silicio. La introducción de
átomos de impurezas se denomina dopado.
Si se introduce fósforo como impureza, nos encontramos con un dopado de tipo N; si se
introduce boro, tenemos un dopado tipo P. En un semiconductor de tipo N existe exceso de
electrones; en uno de tipo P, exceso de huecos.
¿Qué ocurre si en un material semiconductor se introducen impurezas de tipo N por un lado
e impurezas de tipo P, por otro? En la red cristalina se forma, entonces, una unión PN con
dos regiones separadas. En esta unión, los electrones extra que hay en la región N se
difunden en la región P, dejando en esta, a su vez, un exceso de huecos o cargas positivas. Al
formar parte de una red cristalina, los electrones no se pueden mover libremente para
recombinarse y se establece un campo eléctrico, una diferencia de potencial entre ambas
regiones. Este campo se opone al movimiento de las cargas, de modo que el proceso de
difusión se detiene hasta llegar a un momento de equilibrio electrónico. Tal como se muestra
en la figura anterior, la carga positiva de la región N impedirá que fluyan a ella más
electrones. En ese momento se dice que la unión está bloqueada.
1.2
El efecto fotoeléctrico.
Al exponer la unión PN está expuesta a la luz del Sol. En este caso, los electrones de la red
absorben los fotones. La energía que aportan estos fotones rompe enlaces y forma nuevos
pares electrón-hueco; el campo eléctrico de la unión hace que los electrones migren hacia la
región N y los huecos, hacia la región P. A este proceso se le denomina efecto fotoeléctrico1.
Si en el borde exterior de la región N y de la P situamos sendas conexiones eléctricas y las
conectamos a través de una resistencia, por dicho circuito fluye una corriente eléctrica. Pero
hay una parte de los portadores de carga que no llega a esos terminales, sino que se
recombina con su portador opuesto: la recombinación de electrones y huecos no produce
energía, sino que se cuenta entre las pérdidas que limitan el rendimiento de la célula
fotoeléctrica.
1 El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones en la emisión de electrones cuando se ilumina un
material . El efecto fotovoltaico es una aplicación práctica de esta propiedad que permite producir energía eléctrica a
partir de luz
1.3
Fabricación de la célula fotovoltaica.
La célula fotovoltaica suele estar formada por dos capas de semiconductores con dopados
diferentes. La capa sobre la que incide la luz solar es de tipo N, dopada generalmente con
fósforo; la capa inferior es de tipo P, dopada con boro. Para poder extraer la energía
generada por la luz solar en la célula es preciso conectarla eléctricamente. En la capa
inferior se introduce generalmente una capa conductora de plata o de aluminio. La conexión
de la capa superior debe dejar pasar la luz del Sol, con lo que se sitúa una conexión en forma
de peine o de rejilla, tal como se aprecia en la figura.
La célula más común es la cristalina de silicio. El silicio es el segundo material más común
de la Tierra después del oxígeno, por lo que la materia prima para la fabricación de las
células fotovoltaicas está presente en cantidades virtualmente ilimitadas; sin embargo, el
silicio no aparece en estado puro sino bajo la forma de óxido de silicio (el material de la
arena y el cuarzo).
La célula convencional se fabrica mediante una capa de P (habitualmente de silicio dopado
con boro) con un espesor de entre 100 y 500 micras, sobre la que se difunde una capa fina de
fósforo (con un espesor de entre 0.2 y 0.5 micras) para obtener una unión PN.
Habitualmente se trata de reducir la reflexión de la luz solar en la célula creando en su
superficie pequeñas pirámides, en un proceso denominado texturización.
La creación de una textura superficial en forma de pequeñas pirámides en la cara frontal del
panel permite aprovechar mejor la luz reflejada.
1.4
Breve historia de la célula solar.
La primera célula solar data del año 1883; fue desarrollada por Charles Fritts, que recubrió
una muestra de selenio semiconductor con oro. En 1946 se produce la primera patente de
célula fotovoltaica, y en 1954 se descubre en los laboratorios Bell la sensibilidad a la luz de
los semiconductores dopados con impurezas.
Desde finales de la década de 1950, la carrera espacial influyó considerablemente en el
desarrollo de células solares para alimentar eléctricamente a los satélites artificiales. En
1970 se fabrica la primera célula de arseniuro de galio (GaAs), material que dominó la
fabricación de células fotovoltaicas hasta la década de 1980. Posteriormente el uso de
células de silicio ha reemplazado casi completamente a las de GaAs.
1.5
Tipos de células fotovoltaicas.
En el mercado y en los laboratorios de investigación coexisten células y módulos solares de
muy diversos tipos. Con mucho, las más comunes son las de silicio monocristalino, las de
silicio policristalino y los módulos de capa fina. Junot con estos tres tipo, existen otros de
carácter más o menos experimental, en ocasiones con rendimientos superiores pero de
presencia en el mercado todavía muy reducida.
1.5.1
Células de silicio monocristalino.
1.5.2
Células de silicio policristalino.
1.5.3
Células de capa fina.
1.5.4
Otras tecnologías.
◦ El uso de arseniuro de galio (GaAs) como material semiconductor.
◦ La tecnología de esferas de silicio – desarrollada por Texas Instruments.
◦ Desarrolladas por el fabricante Sunways, existen celulas solares traslucidas
Nanosolar, empresa fundada con capital procedente de Google, ha apostado por
fabricar los módulos fotovoltaicos más baratos del mundo, a razón de un dólar por
vatio. Emplean la tecnología de cobre-indio-diselenio, que supuestamente alcanza
una eficiencia del 19,9% en el laboratorio, y dicen haber desarrollado una suerte de
<<tinta semiconductora>> que permitiría fafricar céelulas mediante un proceso de
impresión.
1.6
Pérdidas y rendimiento.
En la célula fotovoltaica tienen lugar una serie de pérdidas que limitan su rendimiento,
de modo que solo es posible extraer una parte de la energía solar que incide sobre ella.
◦ Sombra causada por la conexión eléctrica y reflexión de parte de la radiación
solar, 3%.
◦ Energía de los fotones demasiado baja como para romper el enlace del silicio
y generar un par electrón-hueco, 22%.
◦ Energía de los fotones demasiado elevada para romper el enlace del silicio,
30%.
◦ Pérdidas de energía debido a la recombinación de electrones-huecos, 8.5%.
◦ Pérdida de tensión en la celula, 20%.
◦ Pérdidas en la resistencia, 0.5%.
Todo ello limita el rendimiento global de la celula fotoeléctrica a aproximadamente el
16%.
2 MÓDULOS FOTOVOLTAICOS.
Una célula solar típica posee en la actualidad una superficie de 243 centímetros cuadrados y
produce aproximadamente una potencia cercana a los 4 vatios y una intensidad de entre 7 y
8 amperios. El escaso valor de la tensión y la potencia hace necesaria la conexión de varias
células en serie. Para ello, se suelda el conector superior (negativo) de una célula con el
conector inferior (positivo) de la siguiente. Entre las células individuales se introduce un
pequeño espacio de unos 2mm, tal como muestra la figura.
Las células de película fina se conectan eléctricamente como parte del proceso de
fabricación.
La mayor parte de los módulos o paneles fotovoltaicos posee entre 36 y 96 células
conectadas en serie. En la primera época de las instalaciones fotovoltaicas, su aplicación
principal era las instalaciones aisladas, en las que se empleaban baterías de 12 voltios para el
almacenamiento de la energía.
Para asegurar un proceso de carga óptimo se empleaba una asociación en serie de entre 36 y
40 células, que proporcionaba una tensión de salida de 17 voltios. En la actualidad, los
módulos estándar llegan a entregar una potencia de hasta 300 vatios, con unos valores de
tensión que rondan habitualmente los 30 voltios en el punto de máxima potencia.
Además de las células propiamente dichas, el panel debe contar con una serie de elemetos
adicionales:
1. Un aislamiento adecuado, para proteger las células frente a los agentes
atmosféricos y evitar que se dañen o se degraden.
2. Una consistencia mecánica que permita manipular el conjunto y proporcionarle la
adecuada solidez.
2.1
Pares de un módulo fotovoltaico.
El módulo fotovoltaico está compuesto por las siguientes partes:
•
Cubierta frontal. Fabricada con vidrio templado y con un grosor de tres o cuatro
milímetros, debe ser buen trasnmisor de la radiación solar y proteger contra los
agentes atmosféricos. La superficie exterior de esta cubierta es antirreflexiva y
antiadherente.
•
Encapsulado. Para proporcionar solidez a las células, estas se insertan en un
material transparente que las aísla eléctricamente. Se emplean cuatro métodos de
encapsulado: el de etileno vinil acetato (EVA), el de butial de polivinilo (PVB), el de
teflón y el de resina. El encapsulado debe permitir – al igual que la cubierta frontal –
la trasnmisión de la radiación solar y no degradarse con la luz ultravioleta.
•
Cubierta posterior. Suele estar fabricada con poliflururo de vinilo (PVF) o poliéster.
Al igual que la cubierta frontal, sirve para proteger al módulo frente a los agentes
atmosféricos y para aislarlo eléctricamente.
•
Marco. Fabricado en aluminio anodizado por la mayor parte de fabricantes, sirve
para proporcionar rigidez y resistencia al módulo, proporcinando además un sistema
de fijación. En la actualidad hay muchos modelos de paneles que no poseen marco,
principalmente los de capa fina.
•
Conexiones. Se sitúan en la parte posterior del módulo, en una caja que los protege
del polvo. Estas cajas deben tener como mínimo una protección IP 54. En el
momento del montaje, se debe evitar totalmente que entre agua en la caja, lo que se
logra mediante el uso de prensaestopas. En la actualidad, lo más común es que los
módulos , como los que muestra la fotografía de la derecha, vengan provistos con
cables y conectores, diferentes para cada polo, para hacer la instalación más fácil y
rápida. De este modo, la conexión entre los módulos se puede efectuar de forma
directa.
Los módulos solares como elementos arquitectónicos.
En muchas ocasiones, los paneles solares se emplean en edificios y se convierten así no solo
en un dispositivo funcional para producir electricidad, sino tambíen en elementos
arquitectónicos que deben integrarse estéticamente en el inmueble del que forman parte.
2.2
Fabricación de un módulo fotovoltaico.
La materia proma para la fabricación de células solares es, como ya hemos mencionado,
arena común u óxido de silicio (SiO 2). Este compuesto debe reducirse en primer lugar a
silicio y se somete a continuación a un proceso de purificación a través de una
destilación fraccionada. Esta es la fase más cara del proceso y consume mucha energía.
Para fabricar un módulo de silicio mono o policristalino deberá seguirse posteriormente
un proceso de cristalización para formar un lingote cilíndrico de silicio cristalizado;
estos lingotes se cortan posteriormente en láminas, también denominadas obleas o
wafers. Sobre estas láminas se efectuarán posteriormente las operaciones de dopado para
la formación de la unión PN y la ubicación de los electrodos metálicos; en la última fase
se produce el soldado de las células y su montaje y encapsulación en el módulo.
3 MAGNITUDES Y CARACTERÍSTICAS.
Para representar las principales magnitudes eléctricas de una célula solar, imaginaremos una
célula con una superficie de 243 centímetros cuadrados que proporciona en sus conductores
una tensión de aproximadamente 0.5 voltios y una intensidad proporcional a la luz del sol,
hasta un máximo de 7 u 8 amperios. A la célula se le puede acoplar una resistencia variable,
un amperímetro para medir la intensidad generada y un voltímetro para cuantificar la
diferencia de potencial que existe entre los terminales de la célula.
Para representar una célula fotoeléctrica o un módulo en un circuito se emplea el símbolo de
la figura.
Cuando la resistencia es infinita – o, en otras palabras, cuando
abrimos el circuito- en los extremos de la célula mediremos la
tensión de circuito abierto (Voc o Vca). A la inversa, si la resistencia
es nula, por el circuito circulará una corriente eléctrica denominada
intensidad de cortocircuito (Isc o Icc). Esos valores de tensión e
intensidad corresponden a los máixmos teóricos que puede proporcionar la célula.
Curvas características IV y PV por una célula de silicio cristalino. En ella se observa la
posición del punto de máxima potencia (MPP).
Si variamos la resitencia entre cero e infinito, intensidad y tensión varían siguiendo una
curva que denominamos cruva característica tensión-intensidad o curva I-V. Para una
temperatura y nivel de irradiancia determinados, el punto de trabajo (combinación de
intensidad proporcionada y tensión de la célula) está siempre situado en dicha curva. La
resistencia del circuito al que está conectado la célula determinará la ubicación del punto de
trabajo en la curva característica.
La forma de dichas curvas es diferente para cada tipo de célula, tal como podemos observar
en la figura.
Comparación de las curvas características IV de células de silicio cristalino y silicio amorfo.
En realidad, la curva característica no es única, sino que varía con la temperatura y con la
iluminación o radiación incidente, con lo que, en realidad, para cada célula fotovoltaica
disponemos de una familia de curvas características.
Curvas características IV para diversos vectores de irradiación, a temperatura constante.
3.1
Cálculo de la potencia.
El punto de trabajo ede una célula solar se sitúa siempre sobre una de sus curvas
características. En dicho punto, la potencia es igual al producto de la tensión por la
intensidad:
P L=V L⋅I L
donde PL es la potencia entregada por la célula, V L la tensión en el receptor conectado a
la célula e IL la intensidad entregada por la misma.
Junto con la curva característica I-V podemos representar también – habitualmente en la
misma gráfica – la curva P-V, en la que observamos un punto de potencia máxima, que
corresponde a unos valores de tensión e intensidad que denotaremos como Vmpp e Impp,
respectivamente, siendo:
P máx =V mpp⋅I mpp
La potencia máxima (Pmáx o Pmpp) o potencia de pico de la célula es la potencia que esta
es capaz de proporcionar en condiciones estándar de medida (STC: Standard Test
Condictions): temperatura de la célula de 25ºC e irradiancia de 1000W/m 2 con espectro
AM1,5. En la realidad, es poco frecuente que la célula llegue a proporcionar la potencia
de pico, entre otras razones debido a que con la radiación del Sol su temperatura
aumenta y, con ello, su eficiencia desciende.
Se denomina factor de forma al coeficiente entre dicha potencia máxima y el producto
de la tensión de circuito abierto por la intensidad de cortocircuito.
FF =
V mpp⋅I mpp
V oc⋅I sc
El factor de forma es siempre inferior a la unidad y es un parámetro de la calidad de la
célula. En el caso de las células cristalinas, el factor de forma está situado entre 0.7 y
0.85; para células solares amorfas, entre 0.5 y 0.7. En la ilustración de la figura podemos
observar una definición gráfica del concepto de factor de forma.
Figura 3.13. definición del factor de forma en una célula fotovoltaica.
Se denomina rendimiento o eficiencia al porcentaje de la energía solar recibida que se
convierte en energía eléctrica. Es igual al cociente entre la potencia máxima y el
producto del área superficial de la célula por la irradiancia que incide sobre ella en
condiciones estándar de medida:
=
P máx FF⋅V oc⋅I sc
=
G⋅Ac
G⋅Ac
Caso Práctico: Un módulo fotovoltaico posee una potencia máxima de 162 vatios y está
formado por 48 células de 155 mm. ¿Cuál es la eficiencia de la célula?
Tal como hemos visto, el módulo fotovoltaico está formado por células conectadas entre
sí. Supongamos que todas las células operan bajo las mismas condiciones de irradiancia
y temperatura. En ese caso, la tensión que proporciona el módulo es igual al producto de
la tensión de cada célula por el número de células conectadas en serie,
V M =V C⋅N s
La intensidad del módulo es igual al producto de las células o ramas conectadas en
paralelo por la intensidad de cada rama:
I M =I C⋅N p
Finalmente, la potencia proporcionada por el módulo es igual al producto de la potencia
de cada célula por el número de céloas conectadas en serie. Si concectamos en paralelo,
la potencia total de la instalación será igual a la potencia de los módulos por el número
de ramas en paralelo. De ese modo, podemos calcular la potencia de toda la instalación
como:
P T =N s⋅N p⋅P c
Caso práctico: En una pequeña instalación fotovoltaica disponemos de dos módulos
conectados en paralelo, cada uno de los cuales posee 60 células conectadas en serie . En
un momento dado, las células están proporcionando una corriente de 4.3A a una tensión
de 0.5V. ¿Cúal es la potencia que proporciona la instalación?
3.2
Hojas de características.
Los principales parámetros eléctricos que proporcionan los fabricantes de módulos
fotovoltaicos son la corriente de cortocircuito, la tensión a circuito abierto y la potencia
máxima (o potencia de pico) que es capaz de entregar el módulo, habitualmente con una
tolerancia de entre el ±3 y ±5 .
Cuando el Sol incide sobre la célula con la intensidad especificada, la temperatura de
esta sube por encima de los 25ºC. Por esa razón, la hoja de características suele
especificar también la temperatura de operación nominal de la célula (TONC o NOTC
en inglés). Se trata de la temperatura que adquirirá el módulo en condiciones estándar de
trabajo; por tanto, es un indicador de su capacidad para disipar el calor.
La TONC se determina para un nivel de irradiancia de 800W/m 2, una temperatura
ambiente de 20ºC y una velocidad del viento de 1m/s. A partir del dato de la TONC, la
irradiancia y la temperatura ambiente calcularemos la temperatura de trabajo de la célula
según la siguiente ecuación:
TONC −20
T c =T aG⋅
800
donde Tc es la temperatura de trabajo de la célula, Ta es la temperatura ambiente (ambas
expresadas en grados centígrados) y G es la irradiancia. Dicha fórmula es aproximada y
en muchas ocasiones la temperatura de trabajo de la célula se estima o bien se observa
empíricamente con ayuda de un termómetro infrarrojo o una cámara termográfica.
El valor de la temperatura nominal de operación de la célula (TONC) es un parámetro
que se obtiene de la hoja de características de un módulo fotovoltaico; si no disponemos
de
dicho
dato,
podemos
tomar
45
o
46
grados
como
valor
aceptable.
Caso Práctico: El módulo BP Solar, tiene una NOTC de 47ºC. ¿Qué temperatura de
trabajo alcanzarán sus células con una irradiancia de 1000W/m 2 y una temperatura
ambiente de 18ºC?
Además de los datos eléctricos, la hoja de características proporciona información sobre
las dimensiones, peso, valores límite de temperatura y tensión mecánica, junto con los
coeficientes según los cuales la potencia máxima, la tensión de circuito abierto y la
corriente de cortocircuito varían con respecto a la temperatura.
En la página siguiente vemos un ejemplo de una hoja de característica (data sheet), del
módulo NDQ2E3E/ND162E1 de la empresa Sharp. Como podemos observar, dicha hoja
contiene diversa información agrupada en varias tablas:
•
En primer lugar, en la esquina superior tenemos una información general sobre las
características del módulo: tipo de células, superficie, tensión máxima, potencia
nominal, dimensiones, peso y tipo de conectores.
•
A su derecha, observamos las condiciones ambientales en las que el módulo debe
trabajar: así, en nuestro ejemplo, la temperatura de operación no debe nunca superar
los 90ºC ni caer por debajo de los -40ºC.
•
Inmediatamente debajo de la anterior reseñan los coeficientes de temperatura para el
módulo; con ellos podemos calcular, para una determinada temperatura de trabajo de
la célula, los valores de Isc, de Voc y de Pmáx del módulo. El parámetro que más varía
con la temperatura es la tensión de circuito abierto. Es importante, como veremos
más adelante, estimar adecuadamente para el rango de temperaturas al que se prevé
que trabaje el módulo, de cara al dimensionamiento del inversor; si la temperatura
asciende por encima de lo previsto, es posible que la tensión supere el valor
admisible del inversor y lo dañe irreparablemente.
•
La parte central de la hoja está formada por los datos eléctricos del módulo: Voc,
VMPP, Isc, IMPP, Pmáx y .
•
Las gráficas inferiores nos informan de las características del módulo: gráficas I-V y
P-V para diversos valores de irradiancia, variación de la tensión de circuito abierto y
la corriente de cortocircuito con respecto a la irradiancia y variación de Voc, Isc y Pmáx
con respecto a la temperatura.
•
Finalmente, disponemos de información detallada con respecto a las dimensiones y
las posibles aplicaciones del módulo.
4 COSTES DE FABRICACIÓN.
Como toda tecnología innovadora, en sus inicios la generación de electricidad mediante
paneles fotovoltaicos ha tenido un coste elevado. La inversión de investigación y desarrollo
y la producción en masa de células y módulos solares, junto con las innovaciones en los
demás elementos que componen una instalación solar (inversores, estructuras, cableado,
etcétera) ha hecho descender considerablemente los costes. Para medirlos se emplea
comúnmente el precio (generalmente en euros o en dólares) por vatio pico (es decir, por
vatio de potencia máxima). El gráfico siguiente muestra a evolución del precio de los
módulos fotovoltaicos; en ellos se observa claramente una tendencia descendente a medida
que aumenta la potencia fotovoltaica instalada en el mundo. Las variaciones en los precios
de las tarifas eléctricamente sujetas en algunos países a primas especiales, explican también
en parte las oscilaciones de los precios.