Centro de Investigación en EnergíaUNAM

Energía Renovable y Sociedad

Energía SolarFotovoltaica.

DR. ROBERTO BEST Y BROWN

OCTUBRE 2011

Línea del Tiempo.

1838, Descubrimiento del efecto fotovoltaico

por Alexandre Edmond Bequerel.

1873, Willoughby Smith descubre de

la fotoconductividad

del selenio.

1877, William Grylls Adams con

Richard Evans Day, crearon la primera celda fotovoltaica

de selenio.

1953, Gerald Pearson de Bell Laboratories,

fabricó una célula de silicio.

Daryl Chaplin y Calvin Fuller

perfeccionaron este invento y

produjeron células solares de silicio.

1904, Albert Einstein publica su trabajo acerca del efecto fotovoltaico.

1954 , Murray Hill, Chapin, Fuller, y

Pearson publican los resultados de su descubrimiento

celdas solares de silicio( 4,5%).

1955, Se comercializa el

primer producto fotovoltaico (2%) , $25 cada celda de

14 mW.

1958, 17 de marzo se lanza el Vanguard I,el

primer satélite artificial alimentado

parcialmente con energía fotovoltaica

0,1 W.

1963, En Japón se instala un sistema fotovoltaico de 242

W en un faro.

1973, La universidad de Delaware

construye "Solar One", una de las

primeras viviendas con energía solar

fotovoltaica.

1974-1977, Se fundan las primeras compañías de energía solar. El Lewis

Research Center (LeRC) de la NASA coloca los

primeras aplicaciones en lugares aislados. La

potencia instalada de ESF supera los 500 kW.

1978, El NASA LeRC instala un sistema FV

de 3.5-kWp en la reserva india Papago (Arizona). Es utilizado para bombear agua y abastecer 15 casas

hasta 1983.1980, La empresa ARCO Solar es la

primera en producir más de 1 MW en módulos

Fotovoltaicos en un año.

1981, Se instala en Jeddah, Arabia

Saudita, una planta desalinizadora por

ósmosis-inversa abastecida por de 8-

kW.

1982, La producción mundial de ESF

supera los 9.3 MW. Entra en

funcionamiento la planta ARCO Solar

Hisperia en California de 1-MW.

1983, La producción mundial de ESF

supera los 21.3 MW, y las ventas superan los 250 millones de

dólares.

1959, Hofman Electronics,

construye una celda solar (10%), e introduce el uso de contacto metálico.

1967, Soyus 1 es el primer satélite que

utiliza celdas solares.

1991, Estados Unidos establecen la

NREL.

1999, 1000 MW, instalados alrededor

del mundo.

2004, El gobierno de California, propone una iniciativa, para que en el 2017, se

tengan instalados un millón de SF.

2010, Se instala un SF. En la Casa

Blanca.

La Física.

ESTRUCTURA DE UNA CELDA FOTOVOLTAICA

¿COMO SE FABRICA EL SILICIO MONOCRISTALINO?

Arena SiO2 Obleas de Silicio monocristalino

Método Czochralski

Se retira el oxigeno y se purifíca el silicio.

CONDICIONES ESTÁNDAR DE PRUEBA

Temperatura de la celda o módulo: 25°CDensidad de potencia de radiación: 1000 W/m2 Distribución espectral: AM 1.5

Air Mass = 1/cosθ Watt-pico: potencia máxima entregada por una celda irradiada con las condiciones estándar.

En la práctica, la eficiencia de celdas fotovoltaicas comerciales es de 17% (silicio monocristalino). Esta eficiencia es normalmente menor a las alcanzadas en laboratorio ya que:

1)Las celdas de laboratorio normalmente no tienen recubrimientos de protección.2)Hay áreas inactivas en el arreglo de celdas fotovoltaicas (entre módulos adyacentes y el marco exterior).3)Hay pérdidas en el alambrado entre celdas y en las conexiones de los diodos que las protegen de cortocircuitos.4)Es difícil reproducir las condiciones óptimas de un laboratorio en la producción en masa de celdas.5)Hay pérdidas debido a diferencias eléctricas entre celdas conectadas en serie.

RETO: REDUCIR COSTOS Y AUMENTAR EFICIENCIA

Aunque se pueden alcanzar eficiencias relativamente buenas, el costo de producción es muy alto debido a que:

1)Los procesos de manufactura son lentos2)Se requiere operadores con mucho conocimiento y experiencia3)Emplea mucha mano de obra y energía4)Se utiliza Silicio de “grado metalúrgico”

Algunas soluciones:

●Utilizar Silicio de “grado solar”: menor costo, reducción de eficiencia muy pequeña. (Silicio policristalino)●Utilizar otros materiales fotovoltaicos (GaAs).

El Silicio policristalino no es más que una aglomeración de pequeños granos de silicio monocristalino. Es más fácil y más barato producir lingotes de este material, sin embargo su eficiencia se reduce debido a recombinaciones de pares electron-hueco en las fronteras entre los granos.Se pueden alcanzar eficiencias de hasta 14% o más si se controla el tamaño y orientación de los granos.

Películas Delgadas.

• Son aquellas porciones de material solido que no rebasan los 101 Å (10 Å es 1 nm).

• Existen diferentes métodos que permiten obtener este tipo de materiales, ya sean químicos o físicos, en cualquiera de los casos, el material se forma sobre un sustrato apropiado que puede ser cristalino o amorfo.

Técnicas de Deposito.

Químicas

Electrolítico.

De Anodizació

n.Rocío

Pirolitico.Baño

Químico.

Físicas.

Sputtering.

Evaporación.

Otras Tecnologías.

Celdas Multiunión

Se apilan uniones PV de diferente banda prohibida. Cada capa absorberá una porción de la radiación incidente.

La banda prohibida de Silicón amorfo, por ejemplo, puede incrementarse con Carbón y reducirse con Germanio.

SISTEMAS PV CON CONCENTRACIÓN

Se usan espejos o lentes para concentrar la radiación solar incidente, por lo que se requieren sustancialmente menos celdas.Las celdas deben enfriarse para prevenir sobrecalentamiento.Los sistemas de alta concentración contienen sensores, controles y motores para seguir la dirección del sol y absober la mayor cantidad de radiación.

Campos de Aplicación.

La utilidad de los sistemas fotovoltaicos se está demostrando principalmente en sitios remotos, donde

resulta difícil y costoso extender la red eléctrica.

• Electrificación de pueblos en áreas remotas (Electrificación rural).• Instalaciones médicas en áreas rurales.• Instalaciones de casa de campo.• Sistemas de comunicaciones de emergencia.• Sistemas de vigilancia.•Sistemas para cargar acumuladores de barcos.•Fuentes de energía para naves espaciales.

Estaciones de detección sísmicaEn Italia tienen 30 estaciones de detección sísmica equipadas cada una con dos módulos solares, dos reguladores de carga y dos baterías de gel. 

El sistema energiza  dos sensores de detección sísmica, un radio para la transmisión remota de datos y un módem para la transmisión de alarmas.

Ventajas.• En México, la actual Ley de Servicio

Eléctrico permite que los particulares generen electricidad para su propio consumo.

• No hay limitantes de almacenamiento, en el caso de CFE.

• Presentan algunas ventajas para la compañía eléctrica, como lo son: la nivelación de carga al reducir la demanda pico, el soporte de voltaje y la disminución de pérdidas por transmisión y distribución.

Desventajas.• Pueden producir distorsión

armónica en el voltaje de línea, incremento de la carga reactiva del alimentador, variaciones de voltaje e interferencia electromagnética.

• Para evitar estos efectos indeseables, la energía inyectada a la red debe cumplir con estándares de calidad bien definidos.

• Reglamentos de protección y seguridad

Sistemas fotovoltaicos interconectados a la red eléctrica

Se pueden agrupar en cuatro áreas: sistemas residenciales, estaciones centrales, estaciones de apoyo a la red y sistemas integrados en edificios.

Residencias alimentados con sistemas FV e interconectados con la red eléctrica

•El límite es 10 KW, para conexión con la red eléctrica.•CFE otorga un año para recuperar la energía suministrada a la red.

Sistemas islas • La diferencia de un

sistema isla con un interconectado a la red es el banco de baterías.

• Ventajas.- Sistemas 100% independientes.

• No hay consumos excedentes.

Estaciones centrales• Son plantas FV con capacidades entre 1 y 5 MW generalmente.

•  Un arreglo fotovoltaico de este tipo requiere de aproximadamente 7000 metros cuadrados de módulos por cada MWp instalado.

Ejemplo.- La planta fotovoltaica mas grande del mundo se encuentra ubicada en Amareleja Portugal• Tiene 46 MWp de potencia y producirá anualmente 93 millones de kWh –equivalentes al consumo eléctrico de más de 30000 hogares portugueses.•Ocupa una superficie de 250 hectáreas y consta de 2520 seguidores solares con 262080 módulos fotovoltaicos.

ACCIONA pone en marcha la mayor planta fotovoltaica del mundo en Portugal, con una inversión total de 261 millones de euros

 Evitará la emisión de 89383 toneladas anuales de CO2 en centrales de carbón.

Estaciones de apoyo a la red

Los sistemas FV tienen una función y localización específica dentro del sistema de distribución, características que les confieren ventajas estratégicas:

• Posibilidad de posponer inversiones por incremento de capacidad de los sistemas de transmisión y distribución.

• Aumento de la vida útil de las instalaciones existentes (líneas, transformadores, etcétera).

• Disminución de las caídas de tensión por conducción.

• Disminución de pérdidas por transmisión y distribución ya que parte de la energía se produce localmente.

• Aumento de confiabilidad del alimentador al disminuir la probabilidad de no satisfacer la demanda pico.

Beneficios de la Generación Distribuida

Integración en edificiosEstos sistemas se distinguen de los residenciales en que son

típicamente de mayor potencia y en que el arreglo fotovoltaico constituye una parte integral de la fachada del inmueble.

• Ofrece una gran oportunidad de reducción de costos, pues además de evitarse inversiones de terreno y estructuras, los módulos fotovoltaicos sustituyen a algunos materiales de construcción.

Por sus beneficios actualmente existen muchos sistemas de este tipo en operación e instalándose en varios países de Europa, lo mismo que en Japón y Estados Unidos.

HOTEL TRES REYES. EJEMPLO DE INTEGRACIÓN ARQUITECTÓNICA FOTOVOLTAICA EN EL SECTOR  HOTELERO ESPAÑOL

Evitarán la emisión de 1391 toneladas anuales de CO2. Promete no sólo aportar un valor añadido estético sino también, mejorar el aislamiento y el balance térmico, así como proteger al medio ambiente.

Sanyo Solar Ark. Arquitectura fotovoltaica en Japón

Edifício gigante forrado de 5.000 paneles fotovoltaicos, Produce 500.000 KWh al año y tiene una potencia instalada de 630 KW de paneles fotovoltaicos. En su interior hay un museo sobre la energía solar.

Programas de apoyoJapón.- En 1974 creó el proyecto Sunshine cuyo objetivo primordial era

financiar el desarrollo de tecnologías para la explotación de fuentes alternas de energía.

• La mayoría de sus programas están enfocados prácticamente desde su inicio hacia los sistemas residenciales conectados a la red.

Ha emprendido programas mediante dos mecanismos principales:

• El establecimiento de incentivos económicos como la reducción de impuestos a inversionistas.

• La aplicación de subsidios del 50 y 66% para particulares e instituciones que deseen instalar sistemas fotovoltaicos.

• El establecimiento en 1993 de una tarifa de compra de energía FV por las compañías suministradoras (al mismo precio de venta).

• La revisión de políticas regulatorias que en 1990 redujo de manera substancial los requisitos legales para la instalación de generadores fotovoltaicos.

Conclusión sobre las aplicaciones FV• El costo de un sistema FV depende en gran medida del precio de las

celdas fotovoltaicas, sin embargo ha venido disminuyendo en forma importante en los últimos años.

• Se espera que en un futuro muy próximo se consoliden en el mercado tecnologías FV de menor costo que faciliten su introducción comercial masiva.

• Apunta la necesidad de establecer un marco regulatorio y técnico normativo que facilite la introducción ordenada de tales tecnologías, garantizando la seguridad de los sistemas y de los individuos que interactúan con ellos, la calidad del servicio eléctrico proporcionado y la estabilidad de la red eléctrica.

• La Ley Mexicana de Servicio Eléctrico establece el marco jurídico para que los individuos y las personas morales puedan instalar sus propios generadores eléctricos y producir electricidad para su consumo particular. A la vez, establece el derecho de los autogeneradores de interconectarse con la red eléctrica nacional.

Impacto Ambiental.

La energía solar fotovoltaica es, al igual que el resto de energías renovables:

• Inagotable.- Debido a que el elemento base para la fabricación de las celdas fotovoltaicas (Silicio), es muy abundante, no siendo necesario explotar yacimientos de forma intensiva.

• limpia.- No emite sustancias contaminantes al medio ambiente.

• Impacto visual es reducido .- Al ser una energía fundamentalmente de ámbito local, evita cables, postes, no se requieren grandes tendidos eléctricos.

• Prácticamente se produce la energía con ausencia total de ruidos.

Impacto ambiental

Impacto Socio-Económico.

Aspectos económicosAunque el costo de los sistemas FV no ha llegado a la madurez suficiente para competir en el mercado, si consideramos los siguientes aspectos, esta tecnología estaría muy cerca de ser económicamente competitiva.

• El valor de la energía• El valor de la capacidad de transmisión• Ahorro en Pérdidas• Valor de la potencia reactiva• Confiabilidad• Valor Ecológico• Política Tarifaria

CARACTERISTICAS SOCIO-ECONÓMICAS

• Su instalación es simple.• Requiere poco mantenimiento.• Tienen una vida larga (los paneles solares duran

aproximadamente 30 años).• Resisten condiciones climáticas extremas: granizo,

viento, temperatura, humedad.• No existe una dependencia de los países productores de

combustibles.• Generalmente se utilizan en lugares de bajo consumo y en

casas ubicadas en parajes rurales donde no llega la red eléctrica general.

• Se puede vender los excedentes de electricidad a una compañía eléctrica.

• Tolera aumentar la potencia mediante la incorporación de nuevos módulos fotovoltaicos.

Inconvenientes de los sistemas FV• Impacto en el proceso de fabricación de las

placas.• Necesidad de grandes extensiones de terreno

(Impacto visual).

Barreras para su desarrollo• De carácter administrativo y legislativo: Falta

de normativa sobre la conexión a la red.• De carácter inversor: Inversiones iniciales

elevadas.• De carácter tecnológico: Necesidad de nuevos

desarrollos tecnológicos.• De carácter social: Falta de información

En el Mundo.

• En la década de los 90 y en los primeros años del Siglo XXI las céldas fotovoltaicas han experimentado un continuo descenso en su coste junto con una ligera mejora de su eficiencia.

• En Alemania y España las compañías de luz pagan el excedente de energía a un costo mayor al de venta.

Asociación de la Industria Fotovoltaica Europea

• En 2010 se duplico la producción de Celdas fotovoltaicas, aunque sigue dominando el mercado el silicio cristalino, la producción de celdas solares de películas delgadas se esta abriendo paso.

• Entre el 2004 y el 2009 la capacidad Fotovoltaica conectada a la red se ha incrementado en una tasa promedio anual del 60%.

Renewables 2011. Global Status Report.

Mercado

Eficiencia porcentual de diferentes tipos de celdas solares.

Pronósticos mundiales por segmento del mercado.

Pereda Soto, Isidro Elvis; CELDAS FOTOVOLTAICAS EN GENERACION DISTRIBUIDA ; Santiago de Chile, 2005. http://web.ing.puc.cl/~power/paperspdf/pereda.pdf

•Eficiencia en dependencia de la eficiencia y el precio de los materiales. De I, II y III, generación.

http://www.revista.unam.mx/vol.8/num12/art89/int89.htm

• Actualmente, la energía solar solo proporciona el 0.001% de la demanda energética global. En otros términos, toda la energía solar generada mundialmente apenas serviría para alimentar la ciudad de Washington durante seis días al año.

Según la International Energy Agency, para el año 2015 sólo el 3,3% de la demanda total de energía del mundo será provista por energía solar mediante celdas Fotovoltaicas.

Se podría igualar la totalidad de la producción de energía eléctrica de todo Estados Unidos únicamente con centrales que funcionen con celdas fotovoltaicas, y en un área de solo 34000 km2, es decir, menos del 5% del territorio de Chile; es suficiente para alimentar energéticamente a más de 250 millones de personas que consumen aproximadamente el 23% de toda la energía eléctrica producida en el mundo.

Si actualmente el kWh producido mediante energía solar cuesta entre 20 y 30 centavos de dólar, en el corto plazo debería bajar a un mínimo de 18 centavos de dólar, valor suficiente como para ser una alternativa concreta de uso. En el mediano plazo, este rango de valor debería bajar hasta fluctuar entre los 10 y los 20 centavos de dolar por kWh. Se espera que a largo plazo el valor de un kWh generado mediante celdas FV llegue a costar entre 8 y 15 centavos de dólar.

Energía solar que podría ser aprovechada.

http://www.cec.uchile.cl/~arnudman/files/rendimiento.html

Capacidad de producción de energía solar en cada país.

•Los primeros seis puestos están ocupados por: Alemania, Japón, Estados Unidos, India, China y España.

•http://eco.microsiervos.com/energia/energia-solar-mundo-mapping-worlds.html

• La huerta solar es la asociación de varios inversionistas en paneles solares que forman una central generadora de energía compartiendo un mismo terreno y los diversos gastos. Normalmente se llevan a cabo en países que subsidian las tarifas de venta de este tipo de energía. Este concepto ha animado a muchos inversionistas que han visto en ella una fuente de ingreso fija y fiable invirtiéndose importantes cantidades de dinero en la generación eléctrica solar.

• Tecnología: Solar fotovoltaica con seguimiento acimutal.

• Conexión a red: Completada en diciembre de 2008.• Potencia: 45.78 MW.• Producción estimada: 93 GWh.• Consumo equivalente en hogares: 30, 000.• Superficie: 250 hectáreas.• Seguidores solares : 2, 520 ACCIONA Buskil k18.• Superficie de un seguidor: 141 m2.• Módulos fotovoltaicos: 262, 080.• Emisiones evitadas: 89, 383 ton. de CO2.• Inversión: 261 millones de euros.

Amareleja, Portugal.

México.

•En México hay un crecimiento gradual del mercado pero no al ritmo que está creciendo en otros lugares del mundo. •Existen algunos programas gubernamentales que han permitido instalar sistemas fotovoltaicos en zonas rurales del país.

• Desafortunadamente, estos esfuerzos aislados, o programas fomentados por instituciones externas no han originado una política nacional que fomente el uso de los sistemas fotovoltaicos, en particular, y otras fuentes de energía en general.

• Por ello, se espera que las leyes apoyen el uso de energías renovables. Para difundir y aumentar el uso de ellas en nuestro país.

Mercado Potencial en México.

Más de 6 000 000 de personas sin energía eléctrica y sin posibilidades de tener este servicio. Si cada usuario pudiera instalar un sistema de sólo 200 Wp, el mercado sería de mas 1.2 GWp.

La industria fotovoltaica para ser competitiva debe establecerse en México en el corto plazo, pues de otra manera los niveles de inversión requeridos la harán menos factible. En sólo 10 años se requerirán inversiones de billones de dólares.

http://www.anes.org/anes/formularios/RedFotovoltaica/frmRedFotovoltaica.php#

De 1993 a 2003, la capacidad instalada de sistemas fotovoltaicos se incrementó de 7 a 15 MW, generando más de 8,000 MWh/año para electrificación rural, bombeo de agua y refrigeración.

Con una insolación media de 5 kWh/m2 el potencial en México es de los más altos del mundo. Se espera tener instalados 25 MW con tecnología fotovoltaica para 2013, y generar 14 GWh/año.

•Módulos Fotovoltaicos.

Capacidad total instalada en 2009:  5,712 MW

Aislada en 2009:  0.758 MW, 13.28 %Conectada a la Red en 2009: 4,954 MW,

86.72 %Acumulado hasta 2009:  25.12 MW

Horas promedio de insolación: 5.2 h/díaFactor de planta y horas sol promedio:

 25 % 

Disponibilidad de energía solar primaria = 1, 381 Petajoules .

Generación secundaria de electricidad = 0.0429 Petajoules.

Uso final.Electrificación rural, residencial, bombeo de agua, comercial, industrial. Sistemas

aislados y conectados a la red.