Clase 6 - Facultad de Ciencias

Universidad Nacional de Ingeniería
Curso IF 442 : Ingeniería Solar
Facultad de Ciencias
Período 2011 -1
Clase 6: Conversión fotovoltaica de la energía solar; paneles solares
El uso de módulos fotovoltaicos para producir electricidad ha crecido a nivel mundial
en los últimos años vertiginosamente, 30 – 40 % por año. Este crecimiento es causado
mayormente por su uso en países industrializados, motivados por razones ecológicos,
para reemplazar el uso de combustib o nucleares. Por otro lado, el uso de
módulos fotovoltaicos, llamados también “paneles solares”, es también particularmente
interesante en regiones rurales de países en desarrollo, porqué los paneles solares
permiten disponer de energía eléctrica prácticamente en cualquier lugar. En el caso del
Perú, todavía 7 – 8 millones de personas no disponen de electricidad en sus casas.
Estas personas viven mayormente en regiones rurales alejadas, sin red eléctrica y, por
razones económicas, seguramente por muchos años no existirá una red eléctrica en estos
lugares. En muchos de estos sitios la única forma de proporcionarles electricidad a corto
o mediano plazo y en forma confiable y económicamente viable, es con el uso de
módulos fotovoltaicos.
Los paneles solares convierten la radiación solar directamente en electricidad. Los
conceptos físicos que permiten esta conversión de la energía de la radiación en energía
eléctrica, así como la fabricación de los paneles solares, está descrito en muchos libros
y artículos, varios de ellos indicados en la bibliografía del presente curso. A
continuación se reproduce uno de estos artículos, elaborado por un grupo de la
universidad de Jaén, España y publicado en http://solar.ujaen.es. (El artículo en esta
pagina web es mas amplio, incluye, en particular, también un capítulo sobre radiación
solar). En un archivo separado se reproduce también el libro que el CER-UNI ha
publicado sobre electrificación fotovoltaica rural.
Alguna información adicional:
- Los paneles solares tienen hoy un alto grado de confiabilidad y la mayoría de
fabricantes da una garantía de 20 -25 años para la producción de electricidad (el
fabricante garantiza que el panel solar produce después de 20 años todavía por lo menos
85% de su potencia nominal).
- La eficiencia de transformación de energía solar en energía eléctrica es en los paneles
solares hoy alrededor de 12 – 18 %, es decir si incide una radiación solar de 1000 W/m2
sobre un panel solar, se puede extraer electricidad de una potencia eléctrica de 120 –
180 W por cada metro cuadrado de panel solar. Esta eficiencia se logra con los paneles
de silicio mono o policristalino, prácticamente los únicos que se usa actualmente en
electrificación rural.
- Las “celdas fotovoltaicas”, que representan los dispositivos activos de los paneles
solares donde se transforma, en base al “efecto fotovoltaico”, la radiación solar en
electricidad, son constituidos de silicio, un elemento muy abundante (arena). Sin
embargo, la fabricación de los paneles solares, particularmente de las celdas
fotovoltaicas, requiere inversiones muy grandes y muy alta tecnología. Prácticamente
no existe fabricación de paneles solares en América Latina y son pocos fabricantes en
el mundo, mayormente en Japón. Las marcas más vendidas en el Perú son Isofoton (de
España), Kyocera, Solar World (antes Shell Solar y Siemens Solar) y BP Solar. Estos
paneles, de silicio, son mono- o policristalinos. Existen también paneles de “películas
delgadas” de silicio amorfo, de un potencial futuro, pero todavía poco usado en
proyectos de electrificación rural (tienen menos eficiencia, unos 10 %, y todavía no hay
experiencia de su vida útil). Los precios de los paneles solares son hoy alrededor de
US$ 200 – 300 para un panel solar de una potencia de 50 – 60 Wp (el panel produce 50
– 60 W de electricidad si incide sobre el una radiación solar de 1000 W/m2). Este panel
(de 50 – 60 Wp) puede producir al mes 5 – 7 kWh de electricidad. Esto significa que la
electricidad producido por un panel solar tiene un costo 0,50 – 1, 30 US$/kWh, lo que
es todavía 5 – 10 veces más caro que la electricidad de la red eléctrica y, por lo tanto, el
uso de paneles solares se justifica hoy solamente en lugares donde no existe una red
eléctrica ( o si se recibe, como en varios países desarrollados, una subvención del
gobierno).
PRESENTACIÓN
WEB
CURSOLAR,
es
un
conjunto de páginas web donde
se encuentra información relativa
a la energía solar fotovoltaica.
Pretende ser una primera
aproximación a un curso, a
través de internet, sobre esta
energía renovable.
Este proyecto se enmarca dentro de la línea de trabajo del Grupo Jaén de Técnica Aplicada en el
estudio de las posibilidades que ofrece Internet a la Energía Solar Fotovoltaica.
Se han incluido un conjunto de programas realizados en Java y JavaScript en los que es
posible el cálculo de algunos parámetros, dibújo de algunas curvas, etc. También incluye
animaciones Flash con el objeto de aclarar conceptos y facilitar la navegación por la web.
© GRUPO JAÉN DE TÉCNICA APLICADA Web desarrollada como proyecto fin de carrera por:
Lorenzo Rodríguez de Luis.
INTRODUCCIÓN
Desde los inicios de la existencia del hombre su desarrollo ha
estado determinado en gran medida por la utilización de las
diferentes formas de energía según las necesidades y
disponibilidades de cada momento y lugar. Ya en los inicios las
energías renovables eran utilizadas en forma de biomasa,
viento, agua y sol, por lo que deben ser consideradas coma la
base energética del desarrollo humano. Sin embargo, con la
aparición de los recursos energéticos fósiles el uso de la
energía se convirtió en algo muy fácil, más eficiente y barato. Esto ha
ocasionado un consumo indiscriminado de este tipo de energía hasta límites
insostenibles que han ocasionado que todos los países más o menos
desarrollados, realicen continuos esfuerzos en un intento de mejorar la
eficiencia de la utilización de la energía y, en definitiva, reducir el consumo de
recursos fósiles.
En la actualidad las energías renovables se sitúan en una posición adecuada al
lado de las energías fósiles, para hacer frente a la demanda creciente y sin
perjuicio desde el punto de vista económico. Además, las energías renovables
pueden poco a poco jugar un papel de sustitución dado que no solo el
agotamiento de los recursos fosiles sino también problemas medio ambientales
actúan en contra de este tipo de energías y a favor de las renovables. Dentro
de las renovables, la energía solar fotovoltaica es, hoy en día y sin lugar a
dudas, una forma limpia y fiable de producción de energía eléctrica a pequeña
escala. Así la mayoría de los sistemas fotovoltaicos existentes hasta la fecha
han sido diseñados y construidos para su uso en aplicaciones remotas de muy
poca potencia. La razón fundamental, hasta la actualidad, que ha impedido una
mayor diseminación de esta tecnología ha sido básicamente económica: el
mayor coste del Kwh producido, en comparación con el obtenido a partir de
otras tecnologías más convencionales: petróleo, carbón, nuclear, etc.
No obstante, la creciente madurez tecnológica y
abaratamiento de producción de módulos, desarrollo de
sistemas de acondicionamiento de potencia más
potentes, una mayor eficiencia y fiabilidad, etc. en
conjunción con la realización de proyectos piloto,
sostenidos por programas nacionales e internacionales
de financiación y/o subvención parcial, permiten la
instalación de sistemas cada vez más eficaces y competitivos con las fuentes
convencionales de generación de energía eléctrica. Esto posibilitará una
penetración cada vez mayor de esta tecnología en la producción de energía
eléctrica en el mundo como complemento de las fuentes de generación
convencionales.
CÉLULA SOLAR
1.- FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA CELULA SOLAR
Para entender mejor como trabaja la célula solar es conveniente explicar antes los siguientes
conceptos:
EL ÁTOMO: En esencia la constitución del átomo, refiriéndonos a
su aspecto eléctrico, consta de un determinado numero de protones
con carga positiva en el núcleo y una cantidad igual de electrones,
con carga negativa, girando en diferentes orbitas del espacio, que
reciben el nombre de envoluta.
El número máximo de electrones que se pueden alojar en cada
orbita es de 2n2, siendo "n" el número de orbitas.
Los electrones giran en orbitas casi elípticas, en cada una de las
cuales y según su proximidad al núcleo, solo pueden existir un numero máximo de electrones.
Atendiendo a la carga eléctrica como inicialmente mencionábamos, los átomos, se pueden
clasificar en positivos, negativos y neutros.
Los átomos de los elementos simples, cuando están completos son neutros, hay igual cantidad
de electrones que de protones; pero dado que los electrones de la última orbita son los más
alejados del núcleo y, por tanto, perciben menos su fuerza de atracción, pueden salirse de
dicha orbita denominada de valencia, dejando al átomo cargado positivamente por contener
más protones que electrones, si por el contrario en el ultimo orbital del átomo hubiese alojado
un electrón libre exterior al átomo habría adquirido carga negativa, a estas dos situaciones se
les denomina iones.
ÁTOMOS ESTABLES E INESTABLES: Se llama átomo estable al que tiene completa de electrones
su última orbita o al menos dispone en ella de ocho electrones. Los átomos inestables, que son los que no
tienen llena su orbita de valencia ni tampoco ocho electrones en ella, tienen una gran propensión a
convertirse en estables, bien desprendiéndose de los electrones de valencia o bien absorbiendo del
exterior electrones libres hasta completar la última orbita; en cada caso realizaran lo que menos energía
suponga.
CUERPOS CONDUCTORES Y AISLANTES: Los cuerpos conductores son aquellos cuyos
átomos permiten fácilmente el paso de electrones a su través. Un buen ejemplo de conductor
es el Cobre (Cu) que dispone de un electrón inestable en su cuarta orbita con una gran
tendencia a desprenderse.
CUERPOS SEMICONDUCTORES INTRINSECOS: Mientras que los cuerpos buenos conductores
ofrecen escasa resistencia al paso de los electrones y los aislantes la ofrecen elevadísima, los
semiconductores presentan una resistencia intermedia entre ambos extremos.
Un elemento semiconductor es el Silicio (Si), la característica fundamental de los cuerpos
semiconductores es la de poseer cuatro electrones en su orbita de valencia. Con esta
estructura el átomo es inestable, pero para hacerse estable se le presenta un dilema: y es que
le cuesta lo mismo desprenderse de cuatro electrones y quedarse sin una orbita, que absorber
otros cuatro electrones para hacerse estable al tener ocho electrones. En estas especiales
circunstancias, ciertos elementos como el Silicio y el Germanio (Ge) agrupan sus átomos de
manera muy particular, formando una estructura reticular en la que cada átomo queda rodeado
por otros cuatro iguales, propiciando la formación de los llamados enlaces covalentes. En estas
circunstancias, la estructura de los cuerpos semiconductores, al estabilizarse, debería trabajar
como buen aislante, pero no es así a causa de la temperatura. Canto mayor es la temperatura
aumenta la agitación de los electrones y por consiguiente enlaces covalentes rotos, dando
lugar a electrones libres y huecos (falta de electrón).
SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS: Comoquiera que las corrientes que se producen en
el seno de un semiconductor intrínseco a la temperara ambiente son insignificantes, dado el
bajo valor de portadores libres, para aumentarlos se le añade otro cuerpos, que se denominan
impurezas. De esta forma es como se obtienen los semiconductores extrínsecos.
SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS TIPO N: en la figura se presenta la estructura cristalina del
Silicio en la cual se ha introducido un átomo de impurezas de Sb, hecho por el que recibe el nombre de
semiconductor extrínseco.
Como se aprecia el átomo de Sb no solo cumple con los cuatro
enlaces covalentes, sino que aún le sobra un electrón, que tiende
a salirse de su orbita para que quede estable el átomo de Sb. Por
cada átomo de impurezas añadido aparece un electrón libre en la
estructura. Aunque se añadan impurezas en relación de uno a un
millón, en la estructura del silicio además de los 1010 electrones y
1010 huecos libres que existen por cm3 a la temperatura
ambiente, hay ahora que sumar una cantidad de electrones libres
equivalente a la de átomos de impurezas. En estas condiciones el
Si con impurezas de Sb alcanza 1016 electrones libres y 1010
huecos libres por cm3, siendo en consecuencia el numero de
portadores eléctricos negativos mucho mayor que el de los
positivos, por lo que los primeros reciben la denominación de
portadores mayoritarios y los segundos de portadores minoritarios
y por el mismo motivo se le asigna a este tipo de semiconductores
extrínsecos la clasificación de TIPO N.
SEMICONDUTORES EXTRINSECOS TIPO P: Por cada átomo de impurezas trivalente que
se añade al semiconductor intrínseco aparece en la estructura un hueco, o lo que es lo mismo,
la falta de un electrón.
Añadiendo un átomo de impurezas trivalente por cada millón de
átomos de semiconductor existen 1016 huecos libres y 1010 electrones
libres por cm3 a la temperatura ambiente. Como en este semiconductor
hay mayor numero de cargas positivas o huecos, se les denomina a
estos portadores mayoritarios mientras que los electrones libres,
únicamente propiciados por los efectos de la agitación térmica son los
portadores minoritarios. Por esta misma razón el semiconductor
extrínseco así formado recibe el nombre de semiconductor de TIPO P,
siendo neutro el conjunto de la estructura, al igual que sucedía con el
TIPO N.
UNION DEL SEMICONDUCTOR P CON EL N: Al colocar
parte del semiconductor TIPO P junto a otra parte del
semiconductor TIPO N, debido a la ley de difusión los
electrones de la zona N, con alta concentración de
electrones, tienden a dirigirse a la zona P, que a penas los
tiene, sucediendo lo contrario con los huecos, que tratan de
dirigirse de la zona P a la zona N, proporcionando su
encuentro y neutralización en la zona de unión. Al encontrarse un electrón con un hueco
desaparece el electrón libre, que pasa ocupar el lugar del hueco, y por lo tanto también
desaparece este último, formándose en dicha zona de la unión una estructura estable y neutra.
Como quiera que la zona N era en principio neutra y al colocarla junto a la zona P pierde
electrones libres, cada vez va siendo más positiva, mientras que la zona P, al perder huecos,
se hace cada vez más negativa. Así aparece una diferencia de potencial entre las zonas N y P,
separadas por la zona de unión que es neutra. La tensión que aparece entre las zonas,
llamada barrera de potencial, se opone a la ley de difusión, puesto que el potencial positivo
que se va creando en la zona N repele a los huecos que se acercan de P, y el potencial
negativo de la zona P repele a los electrones de la zona N. Cuando ambas zonas han perdido
cierta cantidad de portadores mayoritarios que se han recombinado, la barrera de potencial
creada impide la continuación de la difusión y por tanto la igualación de las concentraciones de
ambas zonas. La barrera de potencial es del orden de 0.2V cuando el semiconductor es de Ge
y de unos 0.5V cuando es de Si.
EL EFECTO FOTOVOLTAICO: Las aplicaciones de la
energía solar fotovoltaica están basadas el aprovechamiento
del efecto fotovoltaico. De forma muy resumida y desde el
punto de vista eléctrico, el “efecto fotovoltaico” se produce al
incidir la radiación solar sobre los materiales que definimos
al principio, denominados semiconductores. La energía
recibida provoca un movimiento caótico de electrones en el
interior del material. Si se unen dos regiones de un
semiconductor a las que artificialmente se ha dotado de
concentraciones diferentes de electrones, (mediante la
adición de las sustancias que denominamos dopantes, como
pueden ser el fósforo y el boro), se provoca un campo
electrostático constante que reconducirá el movimiento de
electrones en la dirección y sentido que se desee.
Recordemos que al material formado por la unión de dos
zonas de concentraciones diferentes de electrones la denominamos unión PN. La cara
iluminada será el tipo N y la no iluminada será el tipo P.
De esta forma, cuando sobre la célula solar fotovoltaica incide la radiación solar, aparece en ella una
tensión análoga a la que se produce entre las bornes de una pila. Mediante la colocación de contactos
metálicos en cada una de las caras puede “extraerse” la energía eléctrica, que es utilizada en distintas
aplicaciones.
Dando una explicación desde un punto de vista quántico, su funcionamiento se basa en la
capacidad de transmitir la energía de los fotones de la radiación solar a los electrones de
valencia de los materiales semiconductores, de manera que estos electrones rompen su enlace
que anteriormente los tenía ligado a un átomo. Por cada enlace que se rompe queda un
electrón y un hueco (falta de electrón en un enlace roto) para circular dentro del semiconductor.
El movimiento de los electrones y huecos en sentidos opuestos (conseguido con la aplicación
de un campo eléctrico como veremos posteriormente) genera una corriente eléctrica en el
semiconductor la cual puede circular por un circuito externo y liberar la energía cedida por los
fotones para crear los pares electrón-hueco.
El campo eléctrico necesario al que hacíamos referencia anteriormente, se consigue con
la unión de dos semiconductores de diferente dopado, como vimos al principio de esta
sección: Un semiconductor tipo P (exceso de huecos) y otro tipo N (exceso de
electrones). Que al unirlos crea el campo eléctrico.
2.- LA CÉLULA SOLAR
Una célula solar es un dispositivo capaz de convertir
la energía proveniente de la radiación solar en
energía eléctrica. La gran mayoría de las células
solares
que
actualmente
están
disponibles
comercialmente son de silicio mono o policristalino. El
primer tipo se encuentra más generalizado y aunque
su proceso de elaboración es mas complicado, suele
presentar mejores resultados en cuanto a su
eficiencia.
Por otra parte, la experimentación con materiales tales como el telurio de cadmio o el diseleniuro de
indio-cobre está llevando a las células fabricadas con estas sustancias a situaciones próximas ya a
aplicaciones comerciales, contándose con las ventajas de poderse trabajar con tecnologías de láminas
delgadas.
La tecnología del silicio como material de base para la fabricación de células fotovoltaicas,
está sujeta a constantes variaciones, experimentando diferencias importantes según los
distintos fabricantes.
PROCESO DE FABRICACIÓN: De forma muy resumida, el proceso de fabricación de una célula
mono o policristalina se puede dividir en las siguientes fases:
PRIMERA FASE: OBTENCIÓN DEL SILICIO
A partir de las rocas ricas en cuarzo (rocas formadas principalmente por SiO2, muy
abundantes en la naturaleza) y mediante el proceso de reducción con carbono, se obtiene
silicio con una pureza aproximada del 99%, que no resulta suficiente para usos electrónicos y
que se suele denominar silicio de grado metalúrgico.
La industria de semiconductores purifica este silicio por procedimientos químicos,
normalmente destilaciones de compuestos colorados de silicio, hasta que la concentración de
impurezas es inferior al 0.2 partes por millón. El material así obtenido suele ser llamado silicio
grado semiconductor y aunque tiene un grado de pureza superior al requerido en muchos
casos por las células solares, ha constituido la base del abastecimiento de materia prima para
aplicaciones solares, representando en la actualidad casi las tres cuartas partes del
abastecimiento de las industrias de fabricación de células.
Sin embargo, para usos específicamente solares, son suficientes (dependiendo del tipo de impureza y de
la técnica de cristalización), concentraciones de impurezas del orden de una parte por millón. Al material
de esta concentración se le suele denominar silicio grado solar. Existen actualmente tres posibles
procedimientos en distintas fases de experimentación para la obtención del silicio grado solar, que
proporcionan un producto casi tan eficaz como el del grado semiconductor a un coste sensiblemente
menor.
SEGUNDA FASE: CRISTALIZACIÓN
Una vez fundido el silicio, se inicia la cristalización a partir de
una semilla. Según dicha semilla es extraída del silicio fundido,
este se va solidificando de forma cristalina, resultando, si el
tiempo es suficiente, un monocristal. El procedimiento más
utilizado en la actualidad es el convencional por el método
Czochralsky, pudiéndose emplear también técnicas de colado.
El silicio cristalino así obtenido tiene forma de lingotes.
También se plantean otros métodos capaces de producir
directamente el silicio en láminas a partir de técnicas basadas en la epitaxia, en crecimiento
sobre soporte o cristalización a partir de Si mediante matrices.
La diferencia principal en la obtención de estructuras monocristalinas (con un único frente de
cristalización) y policristalinas (con varios frentes de cristalización, aunque con unas
direcciones predominantes) radica en el grado de pureza del silicio durante el
crecimiento/recristalización.
TERCERA FASE: OBTENCIÓN DE OBLEAS
El proceso de corte tiene gran importancia en la producción de las láminas obleas a partir del lingote, ya
que supone una importante perdida de material (que puede alcanzar el 50%). El espesor de las obleas
suele ser del orden de 2-4mm.
CUARTA FASE: FABRICACIÓN DEL MODULO
Una vez obtenida la oblea, es necesario mejorar su superficie, que presenta irregularidades y
defectos debidos al corte, además de retirar de la misma los restos que puedan llevar (polvo,
virutas), mediante el proceso denominado decapado.
Con la oblea limpia, se procede al texturizado de la misma (siempre para células
monocristalinas, ya que las células policristalinas no admiten este tipo de procesos),
aprovechando las propiedades cristalinas del silicio para obtener una superficie que absorba
con más eficiencia la radiación solar incidente.
Posteriormente se procede a la formación de un unión PN mediante deposición de distintos
materiales (compuestos de fósforo para las partes N y compuestos de boro para las partes P,
aunque normalmente, las obleas ya están dopadas con boro), y su integración en la estructura
del silicio cristalino.
El siguiente paso es la formación de los contactos metálicos de la célula , en forma de rejilla
en la cara iluminada por el sol, y continuo en la cara posterior. La formación de los contactos en
la cara iluminada se realiza mediante técnicas serigráficas, empleando más reciente mente la
tecnología láser para obtener contactos de mejor calidad y rendimiento.
El contacto metálico de la cara sobre la cual incide la radiación solar suele tener forma de
rejilla, de modo que permita el paso de la luz y la extracción de corriente simultáneamente. La
otra cara está totalmente recubierta de metal.
Una célula individual normal, con un área de unos 75 cm2 y suficientemente iluminada es
capaz de producir una diferencia de potencial de 0.4V y una potencia de 1W.
Finalmente, puede procederse a añadir una capa antirreflexiva sobre la célula, con el fin de
mejorar las posibilidades de absorción de la radiación solar. Una vez concluidos los procesos
sobre la célula, se procede a su comprobación, previamente a su encapsulado, interconexión y
montaje en los módulos.
En cuanto a la eficiencia de las diferentes tecnologías fotovoltaicas se pueden indicar ciertos
valores aproximados. Para el caso del silicio monocristalino ésta se sitúa en, aproximadamente
entre un 16 y un 25% mientras que en el policristalino actualmente es del 12-13% siendo
posible que se eleve a corto plazo en un nivel similar al alcanzado ya para el monocristalino.
Como resumen, en relación a la tecnología solar del silicio mono o policristalino, se puede
indicar que su situación es madura, pero no obstante existe un amplio aspecto de posibles
mejoras, muchas de ellas analizadas y verificadas en profundidad a nivel de laboratorio.
Otros posibles materiales para la fabricación de células solares es el silicio amorfo. Esta tecnología
permite disponer de células de muy delgado espesor, lo cual presenta grandes ventajas. Adicionalmente
su proceso de fabricación es, al menos teóricamente, más simple y sustancialmente más barato. La
eficiencia es comparativamente algo menor que en los casos anteriores (6-8%) y todavía no se dispone de
datos suficientes en cuanto a su estabilidad. Su principal campo de aplicación en la actualidad son los
relojes, juguetes, calculadoras y otras aplicaciones de consumo. Dentro de aplicaciones energéticas
equivalentes a las de la tecnología del silicio cristalino, su versatilidad es muy adecuada para la
confección de módulos semitransparentes empleados en algunas instalaciones integradas en edificios.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA CELULA SOLAR:
Cuando conectamos una célula solar a una carga y la célula está iluminada se produce una
diferencia de potencial en extremos de la carga y circula una corriente por la carga (efecto
fotovoltaico).
La corriente entregada a una carga por una célula solar es el resultado neto de dos componentes internas
de corriente que se oponen, estas son:
Corriente de iluminación: debida a la generación de portadores que produce la iluminación.
Corriente de oscuridad: debida a la recombinación de portadores que produce el voltaje externo
necesario para poder entregar energía a la carga.
Los fotones serán los que formaran, al romper el enlace, los pares electrón-hueco y debido al
campo eléctrico producido por la unión de materiales en la célula de tipo P y N se separan
antes de poder recombinarse formándose así la corriente eléctrica que circula por la célula y su
carga.
Algunos fotones pueden no ser aprovechados para la creación de energía eléctrica por
diferentes razones: Los fotones que tienen energía inferior al ancho de banda prohibida del
semiconductor atraviesan el semiconductor sin ceder su energía para crear pares electrónhueco.
Aunque un fotón tenga una energía mayor o igual al ancho de banda prohibida puede no ser
aprovechado ya que una célula no tiene la capacidad de absorberlos a todos.
Además, los fotones pueden ser reflejados en la superficie de la célula.
CURVA CARACTERÍSTICA I-V (con iluminación):
La curva I-V de una célula fotovoltaica representa pares de valores de tensión e intensidad en
los que puede encontrarse funcionando la célula. Dos valores característicos son los
siguientes:
Voc o Tensión de circuito abierto que es el máximo valor de tensión en extremos de la célula y
se da cuando esta no está conectada a ninguna carga.
Isc o Intensidad de cortocircuito, definido como el máximo valor de corriente que circula por
una célula fotovoltaica y se da cuando la célula está en cortocircuito.
La siguiente ecuación representa todos los pares de valores
(I/V) en que puede trabajar una célula fotovoltaica.
donde:
Isc: es la corriente de cortocircuito.
Voc: es la tensión de circuito abierto.
e: es la carga del electrón e igual a 1.6021x10-19 C.
m: es un parámetro constructivo de la célula, normalmente igual a 1.
K: es la constante de Boltzman. T: Temperatura en K.
CONCEPTOS IMPORTANTES DE LA CÉLULA SOLAR
PUNTO DE MAXIMA POTENCIA (PM): Es el producto del valor de tensión (VM) e intensidad (IM)
para los que la potencia entregada a una carga es máxima.
FACTOR DE FORMA (FF): Se define como el cociente de potencia máxima que
se puede entregar a una carga entre el producto de la tensión de circuito abierto
y la intensidad de cortocircuito, es decir: El factor de forma suele tomar
valores entre 0.7-0.8 para las células mas habituales (silicio y arseniuro de
galio).
EFICIENCIA DE CONVERSIÓN ENERGÉTICA: se define como el
cociente entre la máxima potencia eléctrica que se puede entregar a la
carga y irradiancia incidente (PL) sobre la célula:
INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LOS PARÁMETROS BÁSICOS DE UNA CÉLULA
FOTOVOLTAICA.
Al aumentar la temperatura:
Aumenta ligeramente la Intensidad de cortocircuito.
Disminuye la tensión de circuito abierto, aprox: -2.3 mV/ºC
El Factor de Forma disminuye.
El rendimiento decrece.
• COMPONENTES BÁSICOS DE UNA INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA
1. SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN ENERGÉTICA
Un panel solar esta constituido por varias células iguales
conectadas eléctricamente entre si en serie o en paralelo de
forma que la tensión y la corriente suministrada por el panel
se incrementa hasta ajustarse al valor deseado. La mayor
parte de los paneles solares se construyen asociando
primero células en serie hasta conseguir el nivel de tensión
deseado y luego asociando en paralelo varias asociaciones serie para alcanzar el nivel de corriente
deseado. Además el panel cuenta con otros elementos, a parte de las células solares que hacen
posible la adecuada protección del conjunto frene a los exteriores, asegurando una rigidez
suficiente, posibilitando la sujeción a las estructuras que lo soportan y permitiendo la conexión
eléctrica.
Estos elementos son:
- Cubierta exterior de vidrio que debe facilitar al máximo la transmisión de la radiación solar. Se caracteriza
por su resistencia, alta transmisividad y bajo contenido en hierro.
- Encapsulante, de silicona o más frecuentemente EVA (etilen-vinil-acetato). Es especialmente importante
que no quede afectado en su transparencia por la continua exposición al sol, buscándose además un índice de
refracción similar al del vidrio protector para no alterar las condiciones de la radiación incidente.
- Protección posterior que igualmente debe dar una gran protección frente a los agentes atmosféricos.
Usualmente e emplean láminas formadas por distintas capas e materiales, de diferentes características.
- Marco metálico de aluminio, que asegura una suficiente rigidez y estanqueidad al conjunto, incorporando los
elementos de sujeción a la estructura exterior del panel. La unión entre el marco metálico y los elementos que
forman el modulo está realizada mediante distintos tipos de sistemas resistentes a las condiciones de trabajo
del panel.
- Cableado y bornas de conexión habituales en las instalaciones eléctricas, protegidos de la intemperie por
medio de cajas estancas.
- Diodo de protección contra obre cargas u otras alteraciones de las condiciones de funcionamiento de panel.
Normalmente, los paneles utilizados, están diseñados para trabajar en combinación con baterias
de tensiones múltiplo de 12V, como veremos más adelante. Tienen entre 28 y 40 células, aunque
lo más típico es que cuenten con 36. La superficie del módulo puede variar entre 0.1 y 0.5m2 y
presenta dos bornas de salida, positiva y negativa y, a veces, alguna intermedia para colocar
diodos de protección.
CARACTERISTICA (I-V) DE UN PANEL FOTOVOLTAICO:
El comportamiento y las características eléctricas del módulo fotovoltaico vienen
determinadas por la curva tensión-intensidad (V-I) del panel que se obtiene a partir de la
siguiente ecuación:
Donde:
NP es el numero de ramas en paralelo del panel
fotovoltaico.
NS es el número de células en serie por rama en el panel fotovoltaico.
También son importantes otros parámetros de dicha curva, estos son:
- la potencia máxima o potencia pico del módulo (PmaxG).
- la corriente de cortocircuito (IscG), que se obtiene al cortocircuitar los terminales del panel (V=0) que al
recibir la radiación solar, la intensidad que circularía por el panel es de corriente máxima.
- la tensión de circuito abierto (VocG), que se obtiene de dejar los terminales del panel en circuito abierto
(I=0), entre ellos aparece al recibir la radiación una tensión que será máxima.
Si se conecta una cierta carga al panel, el punto de trabajo vendrá determinado por la
corriente I y la tensión V existentes en el circuito. Estos habrán de ser menores que los ISC y
VOC definidos anteriormente. La potencia P que el panel entrega a la carga está determinada
por:
A su valor mas alto se le llama potencia máxima o potencia pico. Los valores de la corriente y
de la tensión correspondiente a este punto se conocen respectivamente como: - Intensidad cuando la
potencia es máxima o corriente en el punto e máxima potencia (IPmax)
- la tensión cuando la potencia también es máxima o tensión en el punto de máxima potencia
(VPmax)
Dichos parámetros se obtienen en unas condiciones estándares de medida de uso universal
las cuales son las siguientes:
Irradiancia: 100 mW/cm2 (1 kW/m2)
Distribución espectral de la radiación incidente: AM1.5
Incidencia normal
Temperatura de la célula: 25ºC
Otro parámetro que debe ser suministrado es la TONC o Temperatura de Operación Nominal de la
Célula, y dicho parámetro se define como la temperatura que alcanzan las células solares cuando se
somete al módulo a las siguientes condiciones de operación:
Irradiancia: 80mW/cm2 (800W/m2)
Distribución espectral de la radiación incidente: AM1.5
Incidencia normal
Temperatura ambiente: 20ºC
Velocidad del viento: 1m/s
Una vez conocidos estos parametros, podemos determinar como afectan diferentes factores a
los paneles fotovoltaicos.
- Intensidad de la radiación: La intensidad aumenta con la radiación, permaneciendo mas o
menos constante el voltaje. Es importante conocer este efecto , ya que los valores de la
radiación cambian a lo largo de todo el día, en función del ángulo del sol con el horizonte, por lo
que es importante la adecuada colocación de los paneles, existiendo la posibilidad de cambiar
su posición a lo largo del tiempo, bien según la ora del día o la estación del año.
Un mediodía a pleno sol equivale a una radiación de 1000 W/m2. Cuando el cielo está cubierto,
la radiación a penas alcanza los 100 W/m2.
- Temperatura de las células solares: La exposición al sol de las células provoca su
calentamiento, lo que lleva aparejados cambios en la producción de electricidad. Una radiación de 1000
W/m2 es capaz de calentar una célula unos 30ºC por encima de la temperatura del aire circundante, a
medida que aumenta la temperatura, la tensión generada es menor, por lo que es recomendable montar los
paneles de tal manera que estén bien aireados, y en el caso de que sea usual alcanzar altas temperaturas,
plantearse la posibilidad de instalar paneles con un mayor número de células.
Este factor condiciona enormemente el diseño de los sistemas de concentración, ya que las
temperaturas que se alcanzan son muy elevadas, por lo que las células deben estar diseñadas para trabajar
en ese rango de temperatura o bien contar con sistemas adecuados para la disipación de calor.
- Numero de células por módulo: El número de células por modulo afecta principalmente al voltaje puesto
que cada una de ellas produce 0.4V. La Voc del módulo aumenta en esa proporción. Un panel solar
fotovoltaico se diseña para trabajar a una tensión nominal Vnp, procurando que los valores de VPmax en
las condiciones de iluminación y temperatura más frecuentes coincidan con Vpn.
Los parámetros bajo los que operan los paneles fotovoltaicos para una determinada
localización hacen que la característica de voltaje DC de salida varíe dentro de un margen
considerable a lo largo de todo el año. La radiación y la temperatura ambiente experimentan
además otro tipo de variación debidos a factores diurnos y estacionarios
ELEMENTOS DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO AUTÓNOMO
Aquí se presentan los dos tipos de esquemas de sistemas fotovoltaicos autónomos según
sea el carácter de las cargas:
Este esquema es utilizado cuando las cargas
necesitan corriente continua: Iluminación,
equipos de corriente continua, frigoríficos
especiales etc.
Este otro esquema se utiliza
cuando las cargas necesitan
corriente alterna tales como
motores
en
bombeo,
electrodomésticos en general,
etc.