Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ciencias Período 2011 -1Curso IF 442 : Ingeniería Solar

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 electrón-hueco.

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.