Energía solar Energía solar fotovoltaicafotovoltaica

Electricidad fotovoltaicaElectricidad fotovoltaica

Conversión EléctricaConversión Eléctrica

Energía solarEnergía solar• Conversión Conversión

termodinámicatermodinámica• Efecto fotovoltaicoEfecto fotovoltaico

Electricidad fotovoltaicaElectricidad fotovoltaica Efecto fotovoltaica se conoce desde 1954Efecto fotovoltaica se conoce desde 1954 La primera célula se fabrica en 1965 La primera célula se fabrica en 1965

monocristalina de arseniuro de galio.monocristalina de arseniuro de galio. Las comercialización se empezó con Las comercialización se empezó con

células de silicio monocristalino. Mas tarde células de silicio monocristalino. Mas tarde aparecieron las silicio policristalino.aparecieron las silicio policristalino.

Recientemente se comercializaron las de Recientemente se comercializaron las de silicio amorfo.silicio amorfo.

Actualmente se continua investigando Actualmente se continua investigando para conseguir productos más eficientes y para conseguir productos más eficientes y económicos económicos

El efecto fotovoltaicoEl efecto fotovoltaico

Extracción de electrones liberados Extracción de electrones liberados fuera del materialfuera del material• Alteración propiedades intrínseca del Alteración propiedades intrínseca del

semiconductor mediante el dopado.semiconductor mediante el dopado.• El boro crea exceso de huecos, creando El boro crea exceso de huecos, creando

semiconductor tipo P.semiconductor tipo P.• El fósforo crea exceso de electrones, El fósforo crea exceso de electrones,

creando semiconductor tipo Ncreando semiconductor tipo N

El efecto fotovoltaicoEl efecto fotovoltaico

Disponiendo la dos regiones de Disponiendo la dos regiones de forma adyacentes se crea una zona forma adyacentes se crea una zona frontera llamada unión P-N frontera llamada unión P-N

Para las células comerciales la eficiencia es 16 %

La célula fotovoltaicaLa célula fotovoltaica

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

Tipos de célulasTipos 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 CélulasTipos de Células

Silicio policristalino. • Las direcciones de alineación van

cambiando cada cierto tiempo durante el proceso de deposición.

• Eficiencia, 12%

Tipos de célulasTipos 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 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 fabricaciónProceso de fabricación

Las obleas dopadas con boro Las obleas dopadas con boro se introducen en hornos se introducen en hornos donde se difunden átomos de donde se difunden átomos de fósforo en una cara creando fósforo en una cara creando la unión P-N.la unión P-N.

Se completa el proceso Se completa el proceso mediante un tratamiento mediante un tratamiento antireflectante. Y provéelas antireflectante. Y provéelas de contactos eléctricosde contactos eléctricos

Proceso de fabricaciónProceso de fabricación

La célula producida La célula producida tiene un rendimiento tiene un rendimiento de la mitad del teórico.de la mitad del teórico.• Pérdidas por reflexión.Pérdidas por reflexión.• Fotones incidentes en la Fotones incidentes en la

rejilla metálicarejilla metálica• Circulación corriente a Circulación corriente a

través de la célula. través de la célula. Pérdidas por efecto JoulePérdidas por efecto Joule

EficienciaEficiencia

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 eficienciaAumento de eficiencia

Células de concentración • 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 solarEl panel solar

La tensión en una célula es de 0,5 V La tensión en una célula es de 0,5 V y entre 1-2 vatios.y entre 1-2 vatios.

Para obtener valores de tensión y Para obtener valores de tensión y potencia adecuados a las potencia adecuados a las aplicaciones se conectan las células aplicaciones se conectan las células en serie y paralelo dando lugar al en serie y paralelo dando lugar al panel o módulo fotovoltaicopanel o módulo fotovoltaico• Tensiones 6,12,24,48 VTensiones 6,12,24,48 V• Potencias 5, 10, 55, 65,100,150,165 WPotencias 5, 10, 55, 65,100,150,165 W

Panel solarPanel solar

Para producir un panel de 12 V es Para producir un panel de 12 V es necesario 30 a 40 células en series.necesario 30 a 40 células en series.

Las células se conectan mediante Las células se conectan mediante soldaduras la partes frontales con las del soldaduras la partes frontales con las del dorso de la siguientedorso de la siguiente

Una vez terminadas las interconexiones Una vez terminadas las interconexiones las células son encapsuladas en una las células son encapsuladas en una estructura tipo sandwichestructura tipo sandwich

Asociación de célulasAsociación de células

Estructura panelEstructura panel

Estructura panelEstructura panel

Cubierta vidrio templadoCubierta vidrio templado Capa material encapsulante Capa material encapsulante

generalmente (EVA) acetato de generalmente (EVA) acetato de etilen-viniloetilen-vinilo

Una o varias capas de cubierta Una o varias capas de cubierta protectora, frecuentemente TEDLAR, protectora, frecuentemente TEDLAR, opaca y color claro.opaca y color claro.

Marco acero o aluminio.Marco acero o aluminio.

Características eléctricasCaracterísticas 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-VCurva i-V

Característica eléctricasCaracterística 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 eléctricasCaracterísticas 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 eléctricasCaracterística 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 eléctricasCaracterística 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 modelosCurvas i-V para diferentes modelos

Efecto variación intensidad solarEfecto variación intensidad solar

Variación intensidad solarVariación intensidad solar

Efecto variación temperaturaEfecto variación temperatura

Variación temperaturaVariación temperatura

Efecto de la temperaturaEfecto de la temperatura

Para paneles de células de silicio Para paneles de células de silicio • El voltaje disminuye a razón de 2.3*10El voltaje disminuye a razón de 2.3*10-3 -3 V por Cº y V por Cº y

célula.célula.• La corriente aumenta a razón de 15 *10La corriente aumenta a razón de 15 *10-6 -6 por Cº y célula.por Cº y célula.

En la práctica la potencia del panel disminuye En la práctica la potencia del panel disminuye aproximadamente un 0,5 % por Cº por encima de aproximadamente un 0,5 % por Cº por encima de 25ºC25ºC

Efecto de la temperaturaEfecto de la temperatura

El incremento de temperatura de la celula con El incremento de temperatura de la celula con respecto al ambiente ∆t= 0.034*I-4respecto al ambiente ∆t= 0.034*I-4

En la mayoría de los caso se supone un En la mayoría de los caso se supone un incremento de la temperatura de 20 ºC superior a incremento de la temperatura de 20 ºC superior a la de ambientela de ambiente

El rendimiento del panel baja a un 90 % El rendimiento del panel baja a un 90 %

Efecto temperatura célulaEfecto temperatura célula

Potencia nominal picoPotencia nominal pico

Es la proporcionada al recibir el panel Es la proporcionada al recibir el panel 1000W/m1000W/m22 cuando la temperatura de cuando la temperatura de la célula es de 25ºCla célula es de 25ºC

El nombre de “pico” hace referencia El nombre de “pico” hace referencia a que en realidad una intensidad a que en realidad una intensidad radiante de 1000W/mradiante de 1000W/m22constituye un constituye un pico máximo en las medidas reales pico máximo en las medidas reales de intensidadde intensidad• Día claro con el sol cercano al cenitDía claro con el sol cercano al cenit

Módulo fotovoltaicoMódulo fotovoltaico

Los paneles estan diseñados en Los paneles estan diseñados en forma modular.forma modular.

Pueden conectarse en serie o en Pueden conectarse en serie o en paraleloparalelo

Unión de células en serieUnión de células en serie

Unión de células en paraleloUnión de células en paralelo

Corriente en móduloCorriente en módulo

Efecto de las sombrasEfecto de las sombras

La zona sombreada se comporta como un receptor

Efecto de la sombrasEfecto de la sombras

Diodos by-pasDiodos by-pas

Conexión serie módulosConexión serie módulos

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

Conexión paralelo de módulosConexión paralelo de módulos

Estructura de soporte y anclajeEstructura de soporte y anclaje

La estructura debe resistir vientos de La estructura debe resistir vientos de 150 km/h.150 km/h.

La estructura deben estar protegidas La estructura deben estar protegidas contra la corrosión.contra la corrosión.

La tornillería debe ser de acero La tornillería debe ser de acero inoxidable inoxidable

La estructura debe ser conectada a La estructura debe ser conectada a tierratierra