TECNOLOGÍAS FOTOVOLTAICAS Sandia National Laboratories UNAM CELDAS SOLARES Y TECNOLOGÍAS FOTOVOLTAICAS EXPOSITOR Aarón Sánchez Juárez Centro de Investigación en Energía, UNAM Apto. Postal 34 62580 Temixco, Morelos Tel: (73) 25 00 52; e-mail: asj@mazatl.cie.unam.mx Sandia National Laboratories

UNAM ¿QUE ES EL EFECTO FOTOVOLTAICO? El concepto de EFICIENCIA ES LA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD DEBIDO A LA ABSORCION DE LUZ SOLAR. LOS DISPOSITIVOS EN DONDE SE LLEVA A CABO LA TRANSFORMACIÓN DE LUZ EN ELECTRICIDAD SE LLAMAN GENERADORES FOTOVOLTAICOS. A LA UNIDAD MÍNIMA EN DONDE SE REALIZA DICHO EFECTO SE LE LLAMA CELDA SOLAR. UNAM El concepto de EFICIENCIA  = Ps / Pe POTENCIA ENTRADA CELDA SOLAR POTENCIA SALIDA

( - ) ( + ) UNAM FUNCIONAMIENTO DE UNA CELDA SOLAR LUZ SOLAR CELDA Voltaje medible LUZ SOLAR 0.6 ( - ) Acumulación de electrones Zona del campo eléctrico CELDA SOLAR electrón y hueco ( + ) Acumulación de huecos

CELDA SOLAR LUZ SOLAR Voltaje fotogenerado UNAM Corriente eléctrica fotogenerada

DE LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA UNAM RESEÑA HISTORICA DE LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA UNAM . PROGRESO DE LA TECNOLOGÍA FOTOVOLTAICA 1839 Descubrimiento del Efecto Fotovoltaico por E.Becquerel 1870s Estudios del Efecto Fotovoltaico en sólidos por H. Hertz Celdas solares basadas en selenio con el 1% al 2% de eficiencias de conversión. 1954 Primera celda solar de silicio cristalino desarrollada en los Laboratorios Bell, USA. 6% de eficiencia de conversión en celdas solares basadas en silicio cristalino [1]. Celdas solares basadas en CdS son reportadas por Reynolds y colaboradores. 1958 El programa espacial en USA inicia la primera mayor aplicación de celdas solares. El Vanguard I primer satélite espacial con tecnología fotovoltaica para la generación de electricidad. 1970s La crisis mundial petrolera y el aumento en los costos de la energía propiciaron el interés de reducir costos en la tecnología fotovoltaica para aplicaciones terrestres. REDUCCIÓN DE PRECIOS EN LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS DE SILICIO 1958 1975 1980 ACTUALMENTE año 2005 usd $ usd $ usd $ 10- usd $ 7- usd $ 1-2/Watt..? 2,000/Watt 100/Watt 12/Watt 9/Watt EFICIENCIAS DE CONVERSIÓN EN MÓDULOS FOTOVOLTAICOS COMERCIALES 5 AL 15% RÉCORD DE EFICIENCIA DE CONVERSIÓN EN CELDAS SOLARES EXPERIMENTALES 32% AL 35% EN CELDAS SOLARES DE UNIÓN MÚLTIPLE BASADAS EN GaAs

PROCESOS QUE SE LLEVAN A CABO EN UNA CELDA SOLAR ABSORCIÓN DE LUZ: Es el fenómeno mediante el cuál se generan los portadores de carga: electrones y huecos. SEPARACIÓN DE CARGAS: Para separar a los portadores de carga fotogenerados es necesario la formación de un CAMPO ELÉCTRICO INTERNO, que se logra al unir dos materiales con diferente conductividad eléctrica produciendo una unión rectificadora. Por ejemplo: una union P/N. COLECCIÓN DE CARGAS: Los portadores fotogenerados deben de tener un tiempo de vida grande para que puedan ser colectados en los contactos eléctricos exteriores. UNAM

PARA CELDAS SOLARES UNAM CONSIDERACIONES TECNOLOGIAS PARA CELDAS SOLARES Existen varios mataeriales con los que se fabrican las Celdas Soalres. Entre ellos, el que destaca es el SILICIO. El Campo Eléctrico Interno, responsable de la separación de losportadores fotogenerados, es el componente más importante de la celda solar. Este se puede lograr mediante diferentes uniones entre materiales. Destacan: HOMOUNIONES: La más popular Silicio tipo-n con silicio tipo-p HETEROUNIONES: Histórica CdS tipo-n / CuxS tipo-p BARRERA SCHOTTKY: Unión rectificadora metal/semiconductor UNION M/I/S: Unión rectificadora metal/aislante/semiconductor. UNION S/I/S: Unión rectificadora semicond/aislante/semicond. Celda típica: SILICIO AMORFO UNAM

UNAM ¿EN DONDE SE LLEVA A CABO DICHO EFECTO? EN UNIONES ENTRE MATERIALES SÓLIDOS, LÍQUIDOS Y GASES. UNAM MÁXIMAS EFICIENCIAS EN SÓLIDOS SEMICONDUCTORES, COMO EL SILICIO, ARSENURO DE GALIO TELURO DE CADMIO, SELENURO DECOBRE/INDIO. MONOCRISTAL, POLICRISTAL SILICIO GRUESOS SILICIO SEMICONDUCTORES AMORFO GaAS DELGADOS MONOCRISTAL, POLICRISTAL CdTe CuInSe2

LABORATORIO DE PRUEBAS EN ARIZONA Módulos de concentración Módulos de silicio amorfo Módulos de concentración

Origen de la Celda Solar de Silicio UNAM

Celdas Solares Sinónimos comúnmente usados: UNAM A la unidad mínima en donde se lleva a cabo el efecto Fotovoltaico se le llama celda solar. La potencia que generan es pequeña (1.44 watts ). Sinónimos comúnmente usados: CELDA SOLAR CÉLULA SOLAR GENERADOR FOTOVOLTAICO GENERADOR DE ELECTRICIDAD SOLAR

CELDAS SOLARES BASADAS EN SILICIO CRISTALINO POLICRISTAL MONOCRISTAL

EFICIENCIA EN CELDAS SOLARES COMERCIALES DE SILICIO PARA APLICACIÓN TERRESTRE UNAM Módulo con 15 % eficiencia Generación de 150 Watts 1,000 Watts Superficie de 1m x 1 m

PROCEDIMIENTO PARA MEDIR Vca e Icc DE UNA CELDA SOLAR UNAM

UNAM DIAGRAMA PARA MEDIR Iop y Vop DE UNA CARGA (-) (+) 2.5 0.54 I V POTENCIA LUMINOSA ( Pi ) APERÍMETRO (Impedancia=0) VOLTÍMETRO Vop = 0.54 volts 2.5 0.54 (-) Area 100 cm2 (+) I Iop = 2.5 A Carga Icc PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA Pm = Im Vm I1 Im Rectángulo de Area Máxima I2 Vca V v1 Vm v2

PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE UNA CELDA SOLAR UNAM ICC PM VOLTAJE A CIRCUITO ABIERTO VCA MÁXIMO VOLTAJE GENERADO POR LA CELDA. IM CORRIENTE A CORTO CIRCUITO I CC MÁXIMA CORRIENTE GENERADA POR LA CELDA. V VM VCA PUNTO DE MÁXIMA POTENCIA P M ES UN PUNTO SOBRE LA CURVA PARA EL CUAL EL PRODUCTO DE V CON I ES EL MÁXIMO. EFICIENCIA DE CONVERSIÓN ES LA RAZÓN ENTRE LA POTENCIA GENERADA POR LA CELDA CUANDO SOBRE ELLA INCIDE UNA POTENCIA LUMINOSA h = P M / P I X 100 Donde PI es la irradiancia por el área efectiva de la celda = P/A ES LA POTENCIA EFECTIVA DA DA COMO

Valores típicos a 1kW/m2 y 25°C CARACTERISTICAS Valores típicos a 1kW/m2 y 25°C DIMENSIONES [mm] ¼ Celda ½ 1.5 3 6 (g) Peso 0.65 1.3 2.6 (A) Im Corriente a Pot. máx. 0.47 (V) Vm Voltaje a Pot. máx. 0.3 0.60 1.35 (W) Pm (± 10%) 0.72 1.45 2.9 Isc Corriente de corto cto 0.6 Voc cto. abierto 1 Celda 101 x 101 ½ Celda 101 x 50.5 ¼ Celda 50.5 x 50. 5

Módulos Fotovoltaicos UNAM Celdas fotovoltaicas Rayos Incidentes Conexión de la celda Interconexión de celdas FV. Marco soporte A D Cubierta E W C B F G Taladro para fijación en estructura H K H Sección de un Módulo Fotovoltaico A Goma butilica B Aluminio anonizado C Toma de tierra D Cristal templado E Contactos eléctricos F Céldas G Polivinilo butiral H Lámina de tedlar K Lámina de acero

Sección de un Módulo Fotovoltaico UNAM Sección de un Módulo Fotovoltaico Sello de goma Vidrio Celda Solar Estructura

Construcción de un módulo Fotovoltaico Celda Solar P » 1 .5 W Ensamble del marco Módulo Fotovoltaico P > 40 W Laminado Conexión entre celdas

Información Técnica que deben tener los Módulos UNAM Información Técnica que deben tener los Módulos Caja de Conecciones STC @ 1000 Wm2 - AM 1.5 - T 25ºC CELL MODEL TYPE MSX64 P MAX 64.5 W SERIAL NO. FW936099338801 V OC 21.4 V MAX. SYS. OPER. VOLT. 600 V I SC 4.02 A MIN. BYPASS DIODE IF 5 A V PMAX 17.2 V SERIES FUSE 5 A I PMAX 3.75 A AT 800 W/m2 - AM 1.5 - T ; 49ºC CELL WILL PRODUCE: P PMAX= 46.7 W I PMAX= 3.06 A w 630 Solarex Court Frederick, MD,21701, USA Approved for NEC Class 1 Divición 2 Grupo C & D Listed for Electrical And Class “C” Clase C

Módulos Fotovoltaicos UNAM Los Módulos para cargar acumuladores de 12 Volts nominales, se diseñan con 30, 33 y hasta 36 Celdas FV conectadas en serie. La potencia eléctrica (watts) pico de un Módulo Fotovoltaico es igual al producto del Voltaje (Vm) con la corriente (Im) en el punto de máxima potencia. Pp = Vm x Im Vm Vca Icc Im Pmax Corriente Voltaje Isc Corriente de Corto circuito Im Corriente de Operación Vm Voltaje de Operación Vca Voltaje a circuito Abierto Pmax potencia maxima

Características Eléctricas Módulo Fotovoltaico UNAM Modulo de Silicio Monocristalino Marca: SIEMENS Modelo SP75 (PC-J4) Características Eléctricas STC 1000 W/m2; 25ºC Vca = 21.7 V Vm = 17 V Pmax= 75 W Icc = 4.8A Im = 4.4 A Características Físicas Nº de Celdas = 36 Largo 120.1 cm Ancho 52.8 cm Espesor 3.4 cm peso 5.8 Kg

Modulos Fotovoltaicos Voltaje, Corriente y Potencia Generados Sol (-) APERÍMETRO VOLTÍMETRO (Impedancia=0) (+) volts 3.0 15.8 I Iop =3.0 A Carga Modulo FV. SIMENS PCJ4

Curva de rendimiento (I VS V) Define todos los puntos de operación MÓDULO DE 55 W-p; AM1.5 1000 W/m2; 25ºC. Voltaje Corriente Potencia (V*) (I*) (P*) [Volts] [Amp.] [Watts] 0 3.6 0 10 3.5 35 17 3.2 55 19 2.0 38 21 0.0 0 (*) A condiciones estándares de prueba

EL MÓDULO FOTOVOLTAICO UNAM Características eléctricas bajo condiciones NTC

de un Módulo Fotovoltaico Parámetros de un Módulo Fotovoltaico UNAM Vm Vca Icc Im Pmax Corriente Voltaje Icc Corriente de Corto circuito (P = 0 watts): Es la corriente máxima que puede generar el Módulo bajo una intencidad luminosa de 1000 W / m2 Vm Voltaje de Operación Im Corriente de Operación Voltaje y corriente para los cuales el Módulo genera la maxima potencia Vca Voltaje a circuito Abierto (P = 0 watts): Voltaje maximo que puede generar el Módulo Pmax potencia maxima

 = Eficiencia del Módulo  = ---------------- UNAM Donde  = Eficiencia del Módulo Pm  = ---------------- Pi x Aa Pm = Potencia maxima Pi = potencia incidente 1000 W/m2 Aa = Superficie del Modulo, Largo x Ancho m2 Ejemplos : Módulo SIEMENS M55 Pi = 1000 W/m2 Pm = 53 W, Im = 3.05 A, Vm = 17.4 V , Area = 0.43m2  = 12.42 % Módulo KIOCERA K55 Pi = 1000 W/m2 Pm = 51 W, Im = 3.02 A, Vm = 16.9 V , Area = 0.44m2  = 11.60 %

CURVAS I-V (IRRADIANCIA) CURVAS I-V (TEMPERATURA)

(%) Valores normalizados Icc, Vca, Pm Temperatura del módulo UNAM Efecto de la temperatura de operación del módulo sobre las características eléctricas Relación empírica: Tm= 20.4 + 1.2 Ta Ta: temperatura ambiente en ºC. Si Ta=34ºC, Tm=62ºC

Valores típicos de funcionamiento a 1kW/m2 14.27 15.44 17 (V) Vm Voltaje a máxima Potencia 18.9 20 21.6 Voc Voltaje a circuito abierto 3.08 3.07 3.05 (A) Isc Corriente de corto circuito 2.82 2.81 2.8 Im Corriente a máxima Potencia 40.2 43.4 47.5 (W) Pm Potencia máxima (± 10%) 12 Voltaje nominal de la batería 60 45 25 (°C) Tj Temperatura de la unión

Efecto de sombreado sobre Módulos FV Módulo con una celda Sombreada I amp V 0 5 10 15 20 25 1. 0 2. 0 3. 0 Celda Fv sin Sombrear Celda Fv 25 % Sombreada Celda Fv 50 % Sombreada Celda Fv 75 % Sombreada Celda Fv 100 % Sombreada

Efecto de sombreado sobre Módulos FV Módulo con tres celdas Sombreadas I amp Celdas Fv sin Sombrear Celdas Fv 25 % Sombreadas 3. 0 Celdas Fv 50 % Sombreadas 2. 0 Celdas Fv 75 % Sombreadas Celdas Fv 100 % Sombreadas 1. 0 V 0 5 10 15 20 25

EFECTO DE LA TEMPERATURA UNAM En el voltaje: reducción de 2.2 mV/ºC/celda En la potencia: reducción del 0.35%/ºC

Módulos Fotovoltaicos Conexiones Serie - Paralelo UNAM Conexión Paralelo AUMENTO DE CORRIENTE Tres módulos Conectados en paralelo Conexión Serie AUMENTA EL VOLTAJE Tres módulos Conectados en serie 9 amp 12 V 36 V 12 V 12 V 12 V Diodo de bloqueo Diodo de paso Diodo de bloqueo 24 V 12 Volts 36 Volts 12 V 0 V

Inclinación del Arreglo FV . MÁXIMA GENERACION: RAYOS PERPENDICULARES AL ARREGLO. ES NECESARIO SEGUIDOR SOLAR CON 2 MOVIMIENTOS SE PUEDEN TENER: ARREGLOS FIJOS Y MÓVILES EN ARREGLOS FIJOS IMPLICA UTILIZAR UN CRITERIO DE SELECCIÓN PARA ÁNGULO DE INCLINACIÓN QUE GARANTICE MÁXIMA GENERACIÓN. SUR REGLA DE MANO: GENERACIÓN ANUAL MÁXIMA, INCLINCACIÓN IGUAL A LA LATITUD DEL LUGAR. PARA ABREVADEROS: LA INCLINACIÓN DEBE GARANTIZAR LA MÁXIMA GENERACIÓN DE ENERGÍA (MÁX. PROD. DE AGUA) EN EL MES CON MAYOR DEMANDA DE AGUA (EPOCA DE ESTIAJE) EN EL HEMISFERIO NORTE EL SOL SE DECLINA MAS TIEMPO HACIA EL SUR DURANTE EL AÑO; ASÍ LOS ARREGLOS SE INCLINAN, RESPECTO A LA HORIZONAL, VIENDO HACIA EL SUR.

Energía Eléctrica generada por Módulos Fotovoltaicos

Estimación de la energía generada por un arreglo Fotovoltaico Módulo Fotovoltaico Irradiancia : 1000 W/ m2; AM1.5 Tm = 25ºC Pp = 55 W Tm = 62ºC Pp = 44W Maxima Generación por día (por año) = Rayos perpendiculares a los Módulos

Términos empleados en Sistemas Fotovoltaicos Celda Solar P » 1 .5 W Módulo FV. Arreglo Fotovoltaico Panel FV

ALGUNAS APLICACIONES DE LOS SISTEMAS FV UNAM

REEPLAZANDO TECNOLOGÍA

Diagrama de conexión directa Sistemas Fotovoltaicos Diagrama de conexión directa UNAM Arreglo Fotovoltaico Sol Tableros de distribución o carga de Corriente Directa (CD) Sistema de Generación de Energía Eléctrica

Diagrama con controlador de carga Sistemas Fotovoltaicos Diagrama con controlador de carga UNAM Arreglo Fotovoltaico Sistema de Control de Energía Sistema de Generación de Energía Eléctrica Sol Seguidor de máxima potencia Tableros de distribución de carga en Corriente Directa (CD)

Tableros de distribución de carga en Corriente Directa (CD) Sistemas Fotovoltaicos Diagrama Con Sistema de Almacenamiento UNAM Arreglo Fotovoltaico Sistema de Control de Energía Sistema de Generación de Energía Eléctrica Sistema de Almacenamiento de Energía Tableros de distribución de carga en Corriente Directa (CD) Sol Banco de Baterías Controlador de Carga

Diagrama típico de un Sistema Sistemas Fotovoltaicos Diagrama típico de un Sistema UNAM Sistema de Almacenamiento de Energía Tableros de distribución de carga Arreglo Fotovoltaico Sistema de Generación de Energía Eléctrica Sol Banco de Baterías CD/ CA Sistema de Acondicionamiento Inversor Sistema de Control de Energía Controlador de Carga

Sistemas Fotovoltaicos Diagrama típico, alimentando cargas de CD y CA UNAM Tableros de distribución de carga en Corriente Directa (CD) Arreglo Fotovoltaico Sol Tableros de distribución de carga en Corriente Alterna (CA) Controlador de Carga Sistema de Control de Energía Sistema de Generación de Energía Eléctrica Banco de Baterías DC =AC Inversor Sistema de Almacenamiento de Energía Sistema de Acondicionamiento De Energía