Energía solar fotovoltaica Electricidad fotovoltaica

Conversión Eléctrica Energía solar Conversión termodinámica Efecto fotovoltaico

Electricidad fotovoltaica Efecto fotovoltaica se conoce desde 1954 La primera célula se fabrica en 1965 monocristalina de arseniuro de galio. Las comercialización se empezó con células de silicio monocristalino. Mas tarde aparecieron las silicio policristalino. Recientemente se comercializaron las de silicio amorfo. Actualmente se continua investigando para conseguir productos más eficientes y económicos

El efecto fotovoltaico Extracción de electrones liberados fuera del material Alteración propiedades intrínseca del semiconductor mediante el dopado. El boro crea exceso de huecos, creando semiconductor tipo P. El fósforo crea exceso de electrones, creando semiconductor tipo N

El efecto fotovoltaico Disponiendo la dos regiones de forma adyacentes se crea una zona frontera llamada unión P-N Para las células comerciales la eficiencia es 16 %

La célula fotovoltaica Una unidad formada por materiales semiconductores capaces de producir, mediante una unión P-N, una barrera potencial.

Tipos de células Silicio monocristalino. Todos los átomos están perfectamente ordenados. En el proceso de cristalización los átomos se disponen en el mismo orden. Presentan un color azulado oscuro y con un cierto brillo metálico. Eficiencia, 15%

Tipos de Células Silicio policristalino. Las direcciones de alineación van cambiando cada cierto tiempo durante el proceso de deposición. Eficiencia, 12%

Tipos de células Silicio amorfo. No existe estructura cristalina ordenada, y el silicio se ha depositado sobre un soporte transparente en forma de una capa fina. Presentan un color marrón y gris oscuro. Eficiencia 6%

Proceso de fabricación A partir de las rocas ricas en cuarzo, por ejemplo cuarcita se obtiene silicio de alta pureza (de alrededor del 99%) y se funde. Una vez fundido se inicia la cristalización, resultando, si el tiempo es suficiente, lingotes de silicio cristalino El proceso de corte es muy importante ya que puede suponer pérdidas de hasta el 50% de material. Tras el proceso de corte se procede al decapado, que consiste en eliminar las irregularidades y defectos debidos al corte, así como los restos de polvo o virutas que pudiera haber.

Proceso de fabricación Las obleas dopadas con boro se introducen en hornos donde se difunden átomos de fósforo en una cara creando la unión P-N. Se completa el proceso mediante un tratamiento antireflectante. Y provéelas de contactos eléctricos

Proceso de fabricación La célula producida tiene un rendimiento de la mitad del teórico. Pérdidas por reflexión. Fotones incidentes en la rejilla metálica Circulación corriente a través de la célula. Pérdidas por efecto Joule

Eficiencia Rendimiento de la célula solar = energía eléctrica/energía solar La eficiencia de la célula de silicio cristalino se ha calculado teóricamente y en laboratorio, obteniendo valores del 23%, pero para las células comerciales: el 17% para las de silicio monocristalino, alrededor del 12% para las de policristalino, y en torno al 6% para el silicio amorfo.

Aumento de eficiencia Células de concentración Células bifaciales La concentración óptica tiene como problema básico la disminución del rendimiento de las células cuando aumenta su temperatura, por lo que es necesario hallar modos de reducir el calentamiento de las mismas, bien rechazando el flujo solar inutilizable, o eliminando rápidamente el calor de las células. Células bifaciales La célula bifaciales capaz de recibir radiación por ambas caras, y su funcionamiento es algo diferente del de las células convencionales.

El panel solar La tensión en una célula es de 0,5 V y entre 1-2 vatios. Para obtener valores de tensión y potencia adecuados a las aplicaciones se conectan las células en serie y paralelo dando lugar al panel o módulo fotovoltaico Tensiones 6,12,24,48 V Potencias 5, 10, 55, 65,100,150,165 W

Panel solar Para producir un panel de 12 V es necesario 30 a 40 células en series. Las células se conectan mediante soldaduras la partes frontales con las del dorso de la siguiente Una vez terminadas las interconexiones las células son encapsuladas en una estructura tipo sandwich

Asociación de células

Estructura panel

Estructura panel Cubierta vidrio templado Capa material encapsulante generalmente (EVA) acetato de etilen-vinilo Una o varias capas de cubierta protectora, frecuentemente TEDLAR, opaca y color claro. Marco acero o aluminio.

Características eléctricas CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UN PANEL. RENDIMIENTO INSTANTÁNEO: Curvas características de un panel (ensayos) Se hace operar al panel bajo condiciones preparadas y constantes Medida de radiación incidente, intensidad y temperatura producidas y temperatura ambiente

Curva i-V

Característica eléctricas CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UN PANEL. La respuesta del panel la determinan los parámetros: Corriente de cortocircuito (isc) Tensión en circuito abierto (Voc) Corriente (i) Potencia máxima (Pm) Eficiencia total del panel Factor de forma (FF)

Características eléctricas Corriente de cortocircuito (isc) Intensidad máxima de la corriente que se puede producir en un panel en condiciones de cortocircuito Tensión en circuito abierto (Voc) Tensión máxima que se puede producir en un panel en condiciones de circuito abierto Corriente (i) Intensidad producida a una determinada tensión

Característica eléctricas Potencia máxima (Pm) Máxima potencia que se puede obtener del panel Pm= Vm*im Eficiencia total del panel Cociente entre la potencia eléctrica producida por el panel y la potencia de la radiación incidente Factor de forma (FF) Mide la forma de la curva i-v FF = Pm/(Isc* Voc) = im*Vm/(Isc* Voc)

Característica eléctricas Las curvas características estandardse obtienen con radiaciones incidentes de 1000 W/m2y temperatura ambiente de 25º C. Condiciones distintas Curvas características distintas Hay que trabajar lo más cerca posible del punto de máxima potencia (Pm)

Curvas i-V para diferentes modelos

Efecto variación intensidad solar

Variación intensidad solar

Efecto variación temperatura

Variación temperatura

Efecto de la temperatura Para paneles de células de silicio El voltaje disminuye a razón de 2.3*10-3 V por Cº y célula. La corriente aumenta a razón de 15 *10-6 por Cº y célula. En la práctica la potencia del panel disminuye aproximadamente un 0,5 % por Cº por encima de 25ºC

Efecto de la temperatura El incremento de temperatura de la celula con respecto al ambiente ∆t= 0.034*I-4 En la mayoría de los caso se supone un incremento de la temperatura de 20 ºC superior a la de ambiente El rendimiento del panel baja a un 90 %

Efecto temperatura célula

Potencia nominal pico Es la proporcionada al recibir el panel 1000W/m2 cuando la temperatura de la célula es de 25ºC El nombre de “pico” hace referencia a que en realidad una intensidad radiante de 1000W/m2constituye un pico máximo en las medidas reales de intensidad Día claro con el sol cercano al cenit

Módulo fotovoltaico Los paneles estan diseñados en forma modular. Pueden conectarse en serie o en paralelo

Unión de células en serie

Unión de células en paralelo

Corriente en módulo

Efecto de las sombras La zona sombreada se comporta como un receptor

Efecto de la sombras

Diodos by-pas

Conexión serie módulos Los paneles que se interconectan deben tener la misma curva i-V

Conexión paralelo de módulos

Estructura de soporte y anclaje La estructura debe resistir vientos de 150 km/h. La estructura deben estar protegidas contra la corrosión. La tornillería debe ser de acero inoxidable La estructura debe ser conectada a tierra