Caracteristicas de los modulos fotovoltaicos

los conocen con el nombre de paneles, pero en realidad su nombre técnico correcto es

“módulo”; no estamos hablando de cualquier módulo, sino de uno que funciona a base de

energía solar.

Los módulos fotovoltaicos son aquellos destinados a producir energía eléctrica para abastecer las necesidades de un local, vivienda o recinto, sus características generales son compartidas pero es necesario señalar que no existe un solo tipo de módulo fotovoltaico.

En este artículo haremos referencia a todos sus componentes, sus tipos y los infinitos beneficios que este sistema solar nos brinda.

Primero, debemos decir que los módulos fotovoltaicos están compuestos principalmente por celdas o células solares, las mismas son las encargadas de transformar la energía sola en eléctrica. El aspecto de una célula fotovoltaica consiste en una lámina delgada la cual está construida por un material semiconductor (silicio) de cierto grado de pureza, cuando dicho material está expuesto a la luz solar, absorbe fotones de luz con suficiente energía para producir un “salto de electrones”.

Volviendo a los conceptos iniciales, debemos hacer una pequeña diferencia entre módulos fotovoltaicos y paneles fotovoltaicos, aunque ambos poseen la misma finalidad no son idénticos; un panel fotovoltaico es una estructura destinada a captar la radiación solar, mientras que un módulo fotovoltaico es un “conjunto de paneles” destinados a captar la misma radiación. Técnicamente, un módulo es la interconexión de varias fotocélulas y se emplean para proporcionar una potencia máxima a un voltaje determinado; es decir, la cantidad de energía que necesitamos para abastecer una vivienda no será la misma que la cantidad que necesitemos para cubrir las necesidades de un edificio entero, para esto será necesario el uso de un módulo fotovoltaico ya que un panel sería insuficiente.

Modelos y tipos de modulos

Hemos mencionado al principio del artículo que existen varios tipos de módulos fotovoltaicos, dentro de la gama que el mercado no ofrece podemos optar por: aislados de la red o conectados a la red. Los primeros son instalaciones en la que la electricidad producida será consumida por el productor, mientras que los módulos fotovoltaicos conectados a la red la electricidad obtenida se entrega a la red y luego es vendida a la compañía suministradora. Los módulos aislados a la red son los más sencillos y los que menor costo representan, si elegimos instalarlos debemos decir el tipo de aplicación que le daremos: autoabastecimiento o comercialización. Una vez que hayamos decidido su función es necesario elegir el tipo de panel que compondrá al módulo: monocristalino, policristalino o amorfo, y establecer la potencia que el mismo puede generar.

Cada panel produce una corriente continua cuya intensidad varía en función de la luz, esta corriente será trasladada a un regulador de carga que evitará que las baterías se descarguen en exceso y terminen estropeadas. Independientemente del tipo de módulo fotovoltaico, primero debemos establecer en dónde vamos a colocarlo y luego calcular si éste necesitará de algún panel más; saber la cantidad de paneles que se necesitarán vendrá detallado en los programas que se denominan “de dimensionado” y que la empresa constructora nos facilita.

La instalación de módulos fotovoltaicos dependerá del modelo de soporte que se ponga y se elegirá de entre la amplia gama existente en el mercado, cada modelo nos posibilita diferentes opciones: instalaciones de techo, suelo o en la fachada, lo importante aquí es que el dispositivo se oriente hacia el sur y con una inclinación de 45º.

Los módulos fotovoltaicos nos ofrecen un sinfín de beneficios pero la inversión inicial que debemos realizar para su instalación es bastante elevada actualmente, el precio de las células solares resulta todavía oneroso pero es muy probable que se inicie una fabricación a gran escala en los próximos años. La gran ventaja de los sistemas solares radica en la amortización del producto, es una energía barata pero sólo a largo plazo; si analizamos las ventajas la mayoría de ellas se relaciona con los bajos consumos energéticos. Aunque el precio de un panel solar pueda resultarnos irrisorio hoy, utilizándolo reducimos en más de un 60% los costos de climatización y electricidad, amortizando en pocos años su valor; además la vida útil de estos artefactos supera los 20 años sin requerir de trabajos de mantenimiento.

1.- Paneles o módulos fotovoltaicos

Al conjunto formado por células conectadas en serie y en paralelo, convenientemente ensamblado y protegido contra los agentes externos, se le denomina panel o módulo fotovoltaico. La forma más usual no es construir un generador solar de un sólo panel, sino dividirlo en varios paneles de igual voltaje y potencia. Para varias aplicaciones se pueden diseñar módulos estándar, cumpliendo condiciones específicas.

Corrientemente sólo se usan ciertos voltajes estándar, como 1,5 V, 6 V, 12 V, 24 V y 48 V, que son múltiplos unos de otros. Cualquier pedido específico de potencia se puede satisfacer conectando el número adecuado de módulos en serie y en paralelo. La asociación en serie de paneles permite alcanzar la tensión pedida mientras que la asociación en paralelo permite obtener la potencia deseada. Los paneles que se interconexionen deberán tener la misma curva i-v a fin de evitar descompensaciones.

Las células solares son elementos frágiles y se deben proteger por ambos lados. Esto se consigue colocándolas entre una capa de protección superior y otra inferior. El coeficiente de expansión térmica de los materiales protectores, tanto el superior como el inferior, debe ser similar y compatible además con el de las células. En la actualidad los plásticos y el vidrio son los materiales más empleados. El vidrio tiene la ventaja de mantener intactas sus propiedades ópticas y eléctricas durante largos periodos. Los polímeros no impiden la penetración de la humedad en las uniones y la metalización, por lo que son apropiados si el silicio subyacente y los otros materiales son resistentes a la corrosión. Los plásticos son más ligeros que el vidrio, pero se deben escoger cuidadosamente puesto que algunos tipos pueden perder su transparencia a la luz y su solidez después de una larga exposición a la luz solar y a la atmósfera.

Los paneles adoptan casi siempre una forma cuadrada o rectangular, con áreas que van desde unos 0,1 m² hasta 0,5 m². El grueso total, sin incluir el marco protector, no suele superar los 3 cm. Son relativamente ligeros y, aunque rígidos en apariencia, son capaces de sufrir ligeras deformaciones para adaptarse a los esfuerzos mecánicos a que pudiesen verse sometidos. Los contactos eléctricos exteriores deben asegurar una perfecta estanqueidad cuando se efectúe la unión con el conductor exterior o con los paneles. Algunos paneles llevan preparada una toma de tierra, que será precisa usar cuando, por acoplarse un cierto número de paneles, la potencia total vaya a ser considerable.

La respuesta del panel frente a la radiación solar viene determinada por las células que lo forman, por lo que se caracterizará por los mismos parámetros que describen a una célula:

Corriente de cortocircuito Tensión de circuito abierto Potencia máxima Factor de forma Eficiencia total del panele

La curva característica del panel o curva de intensidad-voltaje presenta la misma forma que en el caso de las células y varía poco de unos paneles a otros. El estándar internacionalmente aceptado para medir respuestas de los paneles fotovoltaicos es una intensidad radiante de 1000 W/m², que se conoce como una intensidad de un Sol y una temperatura de la célula de 25 grados Celsius. Así, la potencia nominal pico de un panel es la proporcionada por el mismo al recibir una irradiación de 1000 W/m² cuando la temperatura

es de 25 grados Celsius. No obstante, las condiciones de trabajo respecto a las de referencia vendrán dadas por las variaciones de las células componentes.

 

1.1.- Inclinación y orientación de los paneles fotovoltaicos

Frente a la opción de emplear un sistema de seguimiento, una solución estática puede resultar suficiente para determinadas aplicaciones. Naturalmente, en este caso la energía colectada no es la máxima posible pero puede resultar aceptable si se da al colector una determinada orientación, la cual se puede variar con ajustes estacionales para con-

Inclinación

La radiación solar que incide sobre una placa variará con el ángulo que forme la misma con la radiación. La captación de energía solar será máxima cuando la posición de la placa solar sea perpendicular a la radiación.

La inclinación de los rayos del sol respecto a la superficie horizontal es variable a lo largo del año (máxima en verano y mínima en invierno) y por tanto, en aquellas instalaciones cuyos paneles estén fijos, existirá un ángulo de inclinación que optimizará la colección de energía sobre una base anual. Es decir, conviene buscar el ángulo de inclinación de los paneles respecto al plano horizontal que hace máxima la potencia media anual recibida. En la mayoría de los casos este ángulo coincide con la latitud del lugar de la instalación. Normalmente se suele tomar un ángulo mayor, aproximadamente 15º, en beneficio de una mayor captación durante el invierno, cuando la luminosidad disminuye, a costa de una peor captación en verano, cuando hay una mayor cantidad de luz.

Puede ocurrir que la instalación no vaya a usarse todo el año sino sólo en ciertas épocas. Así, si la instalación se va a usar preferentemente en verano conviene que la inclinación del colector sea menor que la latitud del lugar, aproximadamente en 15º.

Evidentemente, las pérdidas de las superficies horizontales con respecto a las que están inclinadas aumentan progresivamente a medida que nos acercamos al norte (en el

hemisferio norte) o al sur (en el hemisferio sur). En los polos, los planos horizontales son inútiles. No obstante, es extremadamente difícil valorar las pérdidas en los climas templados ya que la proporción de luz difusa del sol es más grande debido a la presencia de polvo, vapor de agua y nubes. La orientación no ofrece ninguna ventaja en cuanto a la energía recibida desde la radiación indirecta. Por el contrario, debido a que los paneles inclinados reciben la luz de una parte del hemisferio, estos recogen menos luz difusa que los receptores horizontales.

1.2.- Emplazamiento de las placas solares

En cuanto a la situación de los paneles fotovoltaicos existen las siguientes posibilidades generales:

Suelo : Es la forma más usual de instalación de grupos de paneles y presenta grandes ventajas en cuanto al área opuesta al viento, accesibilidad y facilidad de montaje. Sin embargo, es más susceptible de poder quedar enterrada por la nieve, se inunde o ser objeto de rotura por animales o personas.

Poste : Es usual en instalaciones de pequeña dimensión, donde se disponga previamente de un mástil. Es el tipo de montaje típico en alimentación fotovoltaica de equipos de comunicación aisladas o farolas.

Pared : Presenta ventajas cuando se dispone de buenos puntos de anclaje sobre una edificación construida. Sin embargo, es obligado instalarlo en una fachada al sur y la accesibilidad puede presentar algunos problemas.

Tejado : Como forma de instalación es una de las más usuales, al disponer de suficiente espacio. Sin embargo, presenta problemas por cubrimiento de nieve, menor facilidad de orientación al sur, e impermeabilizado de las sujeciones del techo.

Es importante evitar la fijación del panel sobre (o cerca) de una superficie metálica negra expuesta de lleno a la luz solar. Se logra normalmente una temperatura de funcionamiento no superior a los 10 ºC por encima de la temperatura ambiental. La temperatura de funcionamiento es un factor a tener en cuenta al instalar un panel solar. El rechazo al calor se favorece con una aireación y convección natural.

 

 

1.4.- Estructura de soporte y anclaje

El bastidor que sujeta el panel, la estructura soporte del mismo, y el sistema de sujeción son tan importantes como el propio panel, pues un fallo de estos elementos conlleva la inmediata paralización de la instalación.

El principal factor a la hora de fijar la estructura no es el peso de los paneles al ser estos ligeros sino la fuerza del viento que, dependiendo de la zona, puede llegar a ser muy considerable. La estructura deberá resistir vientos de, corno mínimo, 150 Km/h.

En terrazas o suelos la estructura deberá permitir una altura mínima del panel de 30 cm, la cual, en zonas de montaña o donde se produzcan abundantes precipitaciones de nieve, deberá ser superior a fin de evitar que los paneles queden total o parcialmente cubiertos por las sucesivas capas de nieve depositadas en invierno.

     

Especial atención deberá presentarse a los puntos de apoyo de la estructura. En el supuesto de que esta sea de tipo mástil es conveniente arrostrarla. Si la base donde descansa es de hormigón, es conveniente reforzarlo en sus extremos mediante tirantes de acero.

En cuanto a los anclajes o empotramiento de la estructura, se utilizan bloques de hormigón y tornillos roscados. Tanto la estructura como los soportes habrán de ser preferiblemente de aluminio anodizado, acero inoxidable o hierro galvanizado y la tornillería de acero inoxidable. El aluminio anodizado es de poco peso y gran resistencia. El acero inoxidable es apropiado para ambientes muy corrosivos, siendo de mayor calidad y período de vida aunque presenta un elevado costo. Las estructuras de hierro galvanizado ofrecen una buena protección frente a los agentes corrosivos externos con la ventaja de que el zinc es compatible químicamente con el mortero de cal y de cemento, una vez que estos están secos. Las estructuras galvanizadas suelen montarse mediante tomillos.

Muchas veces los fabricantes de paneles suministran los elementos necesarios, sueltos o en kits. Otras veces es el propio proyectista o el instalador quien, haciendo uso de perfiles normalizados que se encuentran en el mercado, construye una estructura adecuada para el panel.

 

1.5.- Concentración

Consiste en emplear un sistema óptico que permita concentrar la energía solar correspondiente a una superficie S sobre una superficie más pequeña Sc de la célula.

El interés de la concentración reside en la obtención de una misma potencia eléctrica disminuyendo la superficie del conjunto de las células solares, Esta disminución es útil cuando los costes derivados del sistema de concentración son menores que el ahorro obtenido al disminuir la superficie de células necesaria.

En los sistemas fotovoltaicos de concentración una gran parte del costo del sistema corresponde a la estructura mecánica del panel, al subsistema óptico (lentes o espejos generalmente) y al subsistema de seguimiento del sol. El rendimiento de las células tiene un efecto más importante sobre el costo del sistema que el costo de las propias células. Esto significa que, para sistemas de concentración, pueden considerarse soluciones aceptables basadas en células caras, pero de alto rendimiento de conversión.

Las células solares diseñadas para trabajar en alta concentración presentan fuertes pérdidas de tipo resistivo debido a las fuertes corrientes generadas en su seno. Para obviarlas es preciso un diseño más cuidadoso de la malla de la metalización. Una vez minimizadas estas pérdidas, la eficiencia de la célula en concentración puede ser superior al rendimiento sin concentración, ya que con la intensidad luminosa aumenta la tadanlp1002jm corriente de modo proporcional y también la tensión aunque esta última sólo ligeramente y siempre que la célula se mantenga razonablemente refrigerada. Por este motivo es necesario un buen contacto térmico y eléctrico, una adaptación de los coeficientes de dilatación de los diversos materiales en juego y una protección apropiada de la célula frente al ambiente.

Los inconvenientes que presenta un sistema de concentración son:

Requiere un sistema de seguimiento del sol. La mayor intensidad de la luz provoca un aumento de la temperatura del módulo, lo que reduce su eficiencia. Las altas temperaturas del módulo y los altos niveles de intensidad pueden provocar un fallo prematuro del módulo.

Todos estos factores hacen que la concentración se emplee para aplicaciones de media y alta potencia, es decir, en sistemas en los cuales el grado de potencia demandada obligaría al uso de un gran número de paneles, con el fin de reducir los costes.

Los límites teóricos del rendimiento de conversión para células de Si son del orden del 25% a 1 sol y 32% a 1000 soles. Los límites prácticos reducen estos valores a un valor de 21-23% para el rendimiento y 10-100 soles para la concentración. Para las células de AsGaAl / AsGa los máximos teóricos son del orden de 28% a 1 sol y 34% a 1000 soles, mientras que los prácticos se encuentran en el margen comprendido entre 21 y 24% para el rendimiento y 500-1000 soles para la concentración.

 

1.6.- Sistemas de seguimiento

Para aprovechar la mayor cantidad posible de energía solar que llega hasta la superficie terrestre en un determinado lugar, la superficie colectora ha de ser perpendicular a los rayos solares y, por tanto, una colección óptima sólo puede conseguirse si dicha superficie está dotada de un movimiento de seguimiento del sol.

Utilizando el seguimiento, la energía total recibida en un día puede ser del orden de un 35% mayor que para el mismo colector estático. Aunque este rendimiento se ve reducido en los casos de frecuentes nublados y en todas aquellas condiciones climatológicas en las que la relación entre la energía recibida por radiación directa y la recibida por radiación difusa tienda a disminuir, el aumento de energía así conseguido compensa sobradamente en muchos casos prácticos el consumo de energía y el coste de los propios mecanismos de seguimiento.

Los dos tipos de seguimiento que pueden llevarse a cabo son:

1. Seguimiento Ecuatorial2. Seguimiento Acimutal

1. Seguimiento Ecuatorial

Este sistema de seguimiento consiste en disponer el sistema según dos ejes paralelos a los de tierra (N-S/E-0), de forma que el eje Norte-Sur proporcione el movimiento diurno y el eje Este-Oeste oriente el eje del concentrador de manera que el ángulo que forme con el eje polar sea el complementario de la declinación. Se suele emplear este sistema en estructuras pequeñas y ligeras ya que todo el peso de la estructura gravita sobre un eje inclinado.

El seguimiento se puede realizar con los dos ejes o bien empleando únicamente el eje polar dado que la inclinación se puede ajustar de un día a otro en cada período de tiempo de acuerdo a la declinación y dependiendo de la precisión del citado seguimiento.

2. Seguimiento Acimutal

Este sistema es el más empleado en seguimientos de precisión, sobre todo cuando se trata de estructuras pesadas. Uno de los ejes es vertical y proporciona el seguimiento en acimut y el otro eje es horizontal y proporciona el seguimiento de altura. El seguimiento se realiza en los dos ejes.

El seguimiento se puede realizar por distintos métodos, como son:

1. Seguimiento por sensores

2. Seguimiento por reloj solar

3. Seguimiento por coordenadas calculadas

1. Seguimiento por sensores

El sensor es el elemento que permite la detección y medida de la falta de puntería del panel de células solares, puntería que queda determinada por el ángulo que forma el vector Sol con la normal a la superficie colectora. El sensor suele estar constituido por pares de elementos fotosensibles montados sobre el panel y moviéndose solidariamente con él. Hay que poner especial cuidado en el posicionamiento del sensor respecto al colector y en la rigidez de la unión para evitar errores derivados de una alineación inadecuada durante el montaje o desplazamientos posteriores del sensor.

Los fotosensores se valen de la radiación solar directa para detectar la posición del sol. La imposibilidad del seguimiento cuando se producen ocultamientos del sol y la necesidad, en consecuencia, de emplear un tiempo en la recuperación de la puntería cuando el sol reaparece, son características inherentes a todos los sistemas de seguimiento basados en fotosensores.

El principio de funcionamiento es el siguiente: Para pequeños errores de puntería el sistema sensor genera una señal de error, e, proporcional al ángulo de desviación, d, diferencia entre la orientación del panel, P, y la orientación de los rayos del sol en cada instante, S. A partir de esta señal de error, convenientemente transformada, se elabora la señal de actuación, V0, que controla el funcionamiento de los motores para conseguir un movimiento del panel en el sentido de anulación del error.

Los sistemas que utilizan fotosensores se emplean para pequeños y medianos colectores individuales puesto que proporcionan un procedimiento sencillo de localización y seguimiento del sol. En el caso de que el número de colectores a controlar sea suficientemente grande, los sistemas de coordenadas calculadas que utilicen un micro o miniordenador resultan ventajosos.

Para el movimiento de los colectores se suelen emplear motores de velocidad constante que funcionen de manera intermitente de modo que el error de puntería se mantenga en una banda de tolerancia. En el instante t1, la posición angular del colector ha alcanzado el mayor valor tolerable del error de retraso y el motor-comienza a girar para reducir el error, produciéndose un avance hasta que se alcanza un cierto error de adelanto en el instante t2. Entonces el motor se para hasta el instante t3 en el que el panel alcanza de nuevo el error límite de retraso, momento a partir del cual se repite el proceso.

Entre la puesta del sol de un día y el amanecer del día siguiente el colector debe situarse en la posición de amanecer, pues, de lo contrario, una vez salido el sol se perdería mucho tiempo en el giro de 180º necesario para recuperar la puntería. Para ello se puede emplear un reloj que genere la orden apropiada.

Tanto al amanecer, como en el caso de nubes u otras circunstancias que oculten el sol, se produce una notable desorientación de los colectores guiados por sistemas de fotosensor. Entonces resulta esencial un subsistema auxiliar de búsqueda del sol, que ordene el giro de los motores hasta que se haya recuperado la puntería. En el supuesto que la luminosidad resulte insuficiente, por nublado, por ejemplo, puede ser aconsejable parar el sistema de seguimiento pues éstos dejan de actuar de manera adecuada. A partir de una

célula medidora de luminosidad se puede generar una señal para que los motores paren hasta que se alcanza el nivel luminoso necesario.

Seguidamente se estudian algunos sistemas basados en el empleo de fotosensores.

a) Sensor Ricerca

Este tipo de Sensor utiliza, para un seguimiento en dos ejes, cuatro fotorresistencias, formando un puente Wheatstone por cada uno de los ejes X e Y del plano de la apertura del concentrador. En el caso de que el seguimiento se realice en un eje, sólo será utilizado un grupo de estas fotorresistencias.

Cuando el vector sol, S, es coincidente con el eje Z, normal al plano a orientar, todas las fotorresistencias tienen igual valor, ya que éste depende de la iluminación según la expresión:

R = R0 x I-

donde I es la intensidad de iluminación y R0 y "" son los parámetros de la fotorresistencia.

En el supuesto de que el eje Y esté orientado según la dirección Norte-Sur, el sensor de fotorresistencias situadas en el eje X controlará el motor correspondiente al movimiento acimutal por la desviación del ángulo "dx", y el sensor de fotorresistencias situadas en el eje Y controlará el motor del movimiento cenital.

Si no hay desviación entre los vectores S y Z habrá igualdad de iluminación en las fotorresistencias y se cumplirá:

R1 x R3=R x R4

Una variación "dx" producirá una disminución de los valores de las resistencias R4 y R2 y, como consecuencia, una señal AV dada por:

AV= I x R4 – I2 x R1

Teniendo en cuenta que por estar cada dos resistencias igualmente iluminadas se cumple:

R4 + R3 = R1 + R

ha de cumplirse la igualdad de intensidades en las dos ramas I1 e I2, y, por tanto:

La señal de error, previa ampliación por un amplificador operacional diferenciador, nos determina la polaridad de la señal para el tratamiento en el mecanismo de accionamiento del motor en ambos sentidos.

b) Sensor Sandía

Este sistema utiliza células fotovoltaicas especialmente dispuestas de forma que:

Las células que están parcialmente ocultas producirán la señal de error en intensidad para un seguimiento del sol. Una desviación de la radiación con respecto a la normal, originará que unas células resulten más iluminadas que otras y, en consecuencia, las fotocorrientes serán proporcionalmente diferentes.

Por otra parte, las células colocadas en las caras laterales están cubiertas por un filtro que deja pasar solamente parte de la luz directa, excepto en los casos que exista una gran desviación respecto a la trayectoria solar. En este último caso las señales de error de estas células realizan la función de ajuste grueso en la colimación de los ejes.

Finalmente, una célula colocada en la parte superior del bastidor trapezoidal desconecta el sistema en el caso de una disminución de la luminosidad por aparición de nubosidad.

2. Seguimiento por reloj solar

Nuestra unidad de tiempo de 24 horas es el intervalo medio entre dos máximas elevaciones consecutivas del sol encima del horizonte. Esto ocurre al mediodía cuando el sol cruza el meridiano. Sin embargo, el tiempo actual entre los tránsitos del sol sobre el meridiano está sujeto a pequeñas variaciones llamadas "ecuación del tiempo". Esto es debido a:

el movimiento orbital de la tierra alrededor del sol la inclinación del eje rotativo de la tierra a la eclíptica

En un punto determinado sobre la Tierra, en el que el Sol está en la posición del mediodía en verano, seis meses más tarde está en la posición de medianoche, después de un número de rotaciones completas de la tierra. Pero este punto sobre la Tierra debe girar 180º adicionales, o 12 horas más para estar de nuevo al mediodía. Por esto, en todo un año, el punto tiene que girar 360º adicionales, o 24 horas más. De aquí que la duración de una rotación plena de la tierra sea más corta, 360º/365 o alrededor de 1º, unos 4 minutos, que el tiempo entre dos puntos culminantes de sol: una rotación plena de la tierra necesita 23 h 56 min 45 seg.

Las desviaciones de la diferencia media de tiempo de 24 h entre dos culminaciones del sol surgen del hecho de que la velocidad angular de la tierra alrededor del sol no es absolutamente regular.

Como resultado de la rotación de la tierra a velocidad constante, se recorren iguales distancias a lo largo del círculo ecuatorial por unidad de tiempo, pero las correspondientes distancias lo largo de la proyección de la eclíptica sobre el plano ecuatorial son desiguales; así, a un observador sobre el ecuador le parece que hay una modulación de la velocidad angular del sol. A menudo, cuando el reloj alcanza el mediodía, el sol puede no haber alcanzado su mediodía real o punto culminante por encima del horizonte de un día particular.

3. Seguimiento por coordenadas calculadas

En este sistema de seguimiento se sigue la posición del sol mediante el cálculo de sus

coordenadas astronómicas y no precisa, por tanto, de la presencia física de los rayos

solares. Esta circunstancia hace a los sistemas de coordenadas inmunes a los nublados y a

otras circunstancias que pueden producir errores de puntería en un fotosensor, como

sucede por ejemplo con los destellos. Panel fotovoltaico

Paneles solares.

Los paneles o módulos fotovoltaicos (llamados comúnmentepaneles solares, aunque esta

denominación abarca otros dispositivos) están formados por un conjunto de celdas (células

fotovoltaicas) que producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos (electricidad solar). El

parámetro estandarizado para clasificar su potencia se denomina potencia pico, y se corresponde con la

potencia máxima que el módulo puede entregar bajo unas condiciones estandarizadas, que son:

- radiación de 1000 W/m²

- temperatura de célula de 25 °C (no temperatura ambiente).

Los paneles foto voltaicos se dividen en:

Cristalinas

Mono cristalinas: se componen de secciones de un único cristal de silicio (Si) (reconocibles

por su forma circular u octogonal, donde los 4 lados cortos, si se puede apreciar en la imagen,

se aprecia que son curvos, debido a que es una célula circular recortada).

Poli cristalinas: cuando están formadas por pequeñas partículas cristalizadas.

Amorfas: cuando el silicio no se ha cristalizado.

Su efectividad es mayor cuanto mayores son los cristales, pero también su peso, grosor y coste. El

rendimiento de las primeras puede alcanzar el 20% mientras que el de las últimas puede no llegar al

10%, sin embargo su coste y peso es muy inferior.

Contenido

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1     Historia   

2     Las distintas generaciones de células fotovoltaicas   

o 2.1      Breve introducción sobre la física de los semiconductores   

o 2.2      Las cuatro generaciones de células fotovoltaicas   

3     Principio de funcionamiento   

o 3.1      Principios teóricos de funcionamiento. Explicación simplificada   

o 3.2      Fotogeneración de portadores de carga   

o 3.3      Separación de los portadores de carga   

o 3.4      Generación de corriente en un placa convencional   

o 3.5      La unión p-n   

4     Factores de eficiencia de una célula solar   

o 4.1      Punto de máxima potencia   

o 4.2      Eficiencia en la conversión de energía   

o 4.3      Factor de llenado   

o 4.4      TONC   

5     Potencia y costes   

o 5.1      Fabricación de paneles convencionales   

6     Usos de las celdas fotovoltaicas solares   

o 6.1      Lista de aplicaciones   

o 6.2      Panel de alta concentración   

7     Véase también   

8     Referencias   

9     Enlaces externos   

[editar]Historia

James Van Allen (en el centro) con una réplica del propulsor que lanzó el Explorer 1 en el año 1958.

El término fotovoltaico proviene del griego φώς:phos, que significa “luz” y voltaico, que proviene del

campo de la electricidad, en honor al físico italiano Alejandro Volta, (que también proporciona el

término voltio a la unidad de medida de la diferencia de potencial en el Sistema Internacional de

medidas). El término fotovoltaico se comenzó a usar en Inglaterra desde el año 1849.

El efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez en 1839 por el físico francés Becquerel, pero la

primera célula solar no se construyó hasta 1883. Su autor fue Charles Fritts, quien recubrió una muestra

de selenio semiconductor con un pan de oro para formar el empalme. Este primitivo dispositivo

presentaba una eficiencia de sólo un 1%. En 1905 Albert Einstein dió la explicación teórica del efecto

fotoeléctrico.Russell Ohl patentó la célula solar moderna en el año 1946, aunqueSven Ason

Berglund había patentado, con anterioridad, un método que trataba de incrementar la capacidad de las

células fotosensibles.

La era moderna de la tecnología de potencia solar no llegó hasta el año 1954 cuando los Laboratorios

Bell, descubrieron, de manera accidental, que los semiconductores de silicio dopado con ciertas

impurezas, eran muy sensibles a la luz.

Estos avances contribuyeron a la fabricación de la primera célula solar comercial con una conversión de

la energía solar de, aproximadamente, el 6%. La URSS lanzó su primer satélite espacial en el año 1957,

y los EEUU un año después. En el diseño de éste se usaron células solares creadas por Peter Iles en

un esfuerzo encabezado por la compañía Hoffman Electronics.

La primera nave espacial que usó paneles solares fue el satélite norteamericano Vanguard 1, lanzado

en marzo de 1958.1 Este hito generó un gran interés en la producción y lanzamiento de

satélites geoestacionarios para el desarrollo de las comunicaciones, en los que la energía provendría de

un dispositivo de captación de la luz solar. Fue un desarrollo crucial que estimuló la investigación por

parte de algunos gobiernos y que impulsó la mejora de los paneles solares.

En 1970 la primera célula solar con heteroestructura de arseniuro de galio (GaAs) y altamente eficiente

se desarrolló en la extinta URSS por Zhore Alferov y su equipo de investigación.

La producción de equipos de deposición química de metales por vapores orgánicos o MOCVD (Metal

Organic Chemical Vapor Deposition), no se desarrolló hasta los años 80 del siglo pasado, limitando la

capacidad de las compañías en la manufactura de células solares de arseniuro de galio. La primera

compañía que manufacturó paneles solares en cantidades industriales, a partir de uniones simples de

GaAs, con una eficiencia de AM0 (Air Mass Zero) del 17% fue la norteamericana ASEC (Applied Solar

Energy Corporation). La conexión dual de la celda se produjo en cantidades industriales por ASEC en

1989, de manera accidental, como consecuencia de un cambio del GaAs sobre los sustratos de GaAs a

GaAs sobre sustratos de germanio.

El dopaje accidental de germanio (Ge) con GaAs como capa amortiguadora creó circuitos de voltaje

abiertos, demostrando el potencial del uso de los sustratos de germanio como otros celdas. Una celda

de uniones simples de GaAs llegó al 19% de eficiencia AM0 en 1993. ASEC desarrolló la primera celda

de doble unión para las naves espaciales usadas en los EEUU, con una eficiencia de un 20%

aproximadamente.

Estas celdas no usan el germanio como segunda celda, pero usan una celda basada en GaAs con

diferentes tipos de dopaje. De manera excepcional, las células de doble unión de GaAs pueden llegar a

producir eficiencias AM0 del orden del 22%. Las uniones triples comienzan con eficiencias del orden del

24% en el 2000, 26% en el 2002, 28% en el 2005, y han llegado, de manera corriente al 30% en el

2007. En 2007, dos compañías norteamericanas Emcore Photovoltaics y Spectrolab, producen el 95%

de las células solares del 28% de eficiencia.

[editar]Las distintas generaciones de células fotovoltaicas

El esquema de la figura corresponde a las diferencias de energía que hay entre las bandas de valencia y las bandas

de conducción en tres tipos distintos de materiales. Dicha diferencia condiciona laconductividad eléctrica de los

mismos.

[editar]Breve introducción sobre la física de los semiconductores

En una muestra de metal, los electrones exteriores de sus átomos, denominados electrones

de valencia pueden moverse libremente. Se dice que están deslocalizados en regiones del espacio que

ocupan toda la red cristalina, como si de una malla se tratase. En términos energéticos esto quiere decir

que los electrones de la última capa del átomo ocupan niveles de energía altos que les permite

escaparse del enlace que les une a su átomo.

El conjunto de estos niveles, muy próximos unos de otros, forman parte de la llamada banda de

conducción (en adelante BC). Esta banda está formada, además, por niveles de energía vacíos y es,

precisamente, la existencia de estos niveles vacíos la que permite que los electrones puedan saltar a

ellos cuando se les pone en movimiento, al aplicar un campo eléctrico. Precisamente esta circunstancia

permite que los metales sean conductores de la electricidad.

Los demás electrones del átomo, con energías menores, forman la banda de valencia (BV). La distancia

entre ambas bandas, en términos de energía, es nula. Ambas bandas se solapan de manera que los

electrones de la BV con más energía se encuentran, también, en la BC.

En las sustancias aislantes, la BC está completamente vacía porque todos los electrones, incluidos los

de la última capa, están ligados al átomo, tienen una energía más baja, y por lo tanto se encuentran en

la banda de valencia, y además la distancia entre las bandas (se denomina a esta distancia energética

banda prohibida, o gap) es bastante grande, con lo que les es muy difícil saltar a la BC. Como la BV

está llena, los electrones no pueden moverse y no puede haber corriente eléctrica al aplicar un voltaje

entre los extremos del aislante.

En los semiconductores, las bandas de valencia y conducción presentan una situación intermedia entre

la que se da en un conductor y la que es normal en un aislante. La BC tiene muy pocos electrones. Esto

es debido a que la separación que hay entre la BV y la BC no es nula, pero sí pequeña. Así se explica

que los semiconductores aumentan su conductividad con la temperatura, pues la energía térmica

suministrada es suficiente para que los electrones puedan saltar a la banda de conducción, mientras

que los conductores la disminuyen, debido a que las vibraciones de los átomos aumentan y dificultan la

movilidad de los electrones.

Lo interesante de los semiconductores es que su pequeña conductividad eléctrica es debida tanto a la

presencia de electrones en la BC, como a que la BV no está totalmente llena.

[editar]Las cuatro generaciones de células fotovoltaicas

Barra de silicio policristalino.

La primera generación de células fotovoltaicas consistían en una gran superficie de cristal simple. Una

simple capa con unión diodo p-n, capaz de generar energía eléctrica a partir de fuentes

de luz conlongitudes de onda similares a las que llegan a la superficie de la Tierra provenientes del Sol.

Estas células están fabricadas, usualmente, usando un proceso de difusión con obleas de silicio. Esta

primera generación (conocida también como células solares basadas en oblea) son, actualmente,

(2007) la tecnología dominante en la producción comercial y constituyen, aproximadamente, el 86% del

mercado de células solares terrestres.

La segunda generación de materiales fotovoltaicos se basan en el uso de depósitos epitaxiales muy

delgados de semiconductores sobre obleas con concentradores. Hay dos clase de células fotovoltaicas

epitaxiales: las espaciales y las terrestres. Las células espaciales, usualmente, tienen eficiencias AM0

(Air Mass Zero) más altas (28-30%), pero tienen un costo por vatio más alto. En las terrestres la película

delgada se ha desarrollado usando procesos de bajo coste, pero tienen una eficiencia AM0 (7-9%), más

baja, y, por razones evidentes, se cuestionan para aplicaciones espaciales.

Las predicciones antes de la llegada de la tecnología de película delgada apuntaban a una considerable

reducción de costos para células solares de película delgada. Reducción que ya se ha producido.

Actualmente (2007) hay un gran número de tecnologías de materiales semiconductores bajo

investigación para la producción en masa. Se pueden mencionar, entre estos materiales, al silicio

amorfo, silicio policristalino, silicio microcristalino, telururo de cadmio y sulfuros y seleniuros de indio.

Teóricamente, una ventaja de la tecnología de película delgada es su masa reducida, muy apropiada

para paneles sobre materiales muy ligeros o flexibles. Incluso materiales de origen textil.

La llegada de películas delgadas de Ga y As para aplicaciones espaciales (denominadas células

delgadas) con potenciales de eficiencia AM0 por encima del 37% están, actualmente, en estado de

desarrollo para aplicaciones de elevada potencia específica. La segunda generación de células solares

constituye un pequeño segmento del mercado fotovoltaico terrestre, y aproximadamente el 90% del

mercado espacial.

La tercera generación de células fotovoltaicas que se están proponiendo en la actualidad (2007) son

muy diferentes de los dispositivos semiconductores de las generaciones anteriores, ya que realmente no

presentan la tradicional unión p-n para separar los portadores de carga fotogenerados. Para

aplicaciones espaciales, se están estudiando dispositivos de huecos cuánticos (puntos cuánticos,

cuerdas cuánticas, etc.) y dispositivos que incorporan nanotubos de carbono, con un potencial de más

del 45% de eficiencia AM0. Para aplicaciones terrestres, se encuentran en fase de investigación

dispositivos que incluyen célulasfotoelectroquímicas, células solares de polímeros, células solares

de nanocristales y células solares de tintas sensibilizadas.

Una hipotética cuarta generación de células solares consistiría en una tecnología fotovoltaica

compuesta en las que se mezclan, conjuntamente, nanopartículas con polímeros para fabricar una capa

simple multiespectral. Posteriormente, varias capas delgadas multiespectrales se podrían apilar para

fabricar las células solares multiespectrales definitivas. Células que son más eficientes, y baratas.

Basadas en esta idea, y la tecnología multiunión, se han usado en las misiones de Marte que ha llevado

a cabo la NASA. La primera capa es la que convierte los diferentes tipos de luz, la segunda es para la

conversión de energía y la última es una capa para elespectro infrarrojo. De esta manera se convierte

algo del calor en energía aprovechable. El resultado es una excelente célula solar compuesta. La

investigación de base para esta generación se está supervisando y dirigiendo por parte de

la DARPA 2  (Defense Advanced Research Projects Agency) para determinar si esta tecnología es viable

o no. Entre las compañías que se encuentran trabajando en este cuarta generación se encuentran

Xsunx, Konarka Technologies, Inc., Nanosolar, Dyesol y Nanosys.

[editar]Principio de funcionamiento

[editar]Principios teóricos de funcionamiento. Explicación simplificada

1. Algunos de los fotones, que provienen de la radiación solar, impactan sobre la primera

superficie del panel, penetrando en este y siendo absorbidos por materiales semiconductores,

tales como el silicio o el arseniuro de galio.

2. Los electrones, subpartículas atómicas que forman parte del exterior de los átomos, y que se

alojan en orbitales de energía cuantizada, son golpeados por los fotones (interaccionan)

liberándose de los átomos a los que estaban originalmente confinados.

Esto les permite, posteriormente, circular a través del material y producir electricidad. Las cargas

positivas complementarias que se crean en los átomos que pierden los electrones, (parecidas a

burbujas de carga positiva) se denominan huecos y fluyen en el sentido opuesto al de los electrones, en

el panel solar.

Se ha de comentar que, así como el flujo de electrones corresponde a cargas reales, es decir, cargas

que están asociadas a desplazamiento real de masa, los huecos, en realidad, son cargas que se

pueden considerar virtuales puesto que no implican desplazamiento de masa real.

Representación de la diferencia de potencial, o voltaje de corriente con respecto al tiempo en corriente continua

Un conjunto de paneles solares transforman la energía solar (energía en forma de radiación y que

depende de la frecuencia de los fotones) en una determinada cantidad de corriente continua, también

denominada DC (acrónimo del inglés Direct Current y que corresponde a un tipo de corriente eléctrica

que se describe como un movimiento de cargas en una dirección y un sólo sentido, a través de un

circuito. Los electrones se mueven de los potenciales más bajos a los más altos).

Opcionalmente:

1. La corriente continua se lleva a un circuito electrónico conversor (inverter) que transforma la

corriente continua encorriente alterna, (AC) (tipo de corriente disponible en el suministro

eléctrico de cualquier hogar) de 120 o 240 voltios.

2. La potencia de AC entra en el panel eléctrico de la casa.

3. La electricidad generada se distribuye, casi siempre, a la línea de distribución de los

dispositivos de iluminación de la casa, ya que estos no consumen excesiva energía, y son los

adecuados para que funcionen correctamente con la corriente generada por el panel.

4. La electricidad que no se usa se puede enrutar y usar en otras instalaciones.

[editar]Fotogeneración de portadores de carga

Cuando un fotón llega a una pieza de silicio, pueden ocurrir tres acontecimientos:

1. El fotón puede pasar a través del material de silicio sin producir ningún efecto; esto ocurre,

generalmente, para fotones de baja energía.

2. Los fotones pueden ser reflejados al llegar a la superficie del panel, y son expulsados de este.

3. El fotón es absorbido por el silicio, en cuyo caso puede ocurrir:

Generar calor

Producir pares de electrones-huecos, si la energía del fotón incidente es más alta que la

mínima necesaria para que los electrones liberados lleguen a la banda de conducción.

Nótese que si un fotón tiene un número entero de veces el salto de energía para que el electrón llegue a

la banda de conducción, podría crear más de un único par electrón-hueco. No obstante, este efecto no

es significativo, de manera usual, en las células solares. Este fenómeno, de múltiplos enteros, es

explicable mediante la mecánica cuántica y la cuantización de la energía.

Cuando se absorbe un fotón, la energía de este se comunica a un electrón de la red cristalina.

Usualmente, este electrón está en la banda de valencia, y está fuertemente vinculado en enlaces

covalentes que se forman entre los átomos colindantes. El conjunto total de los enlaces covalentes que

forman la red cristalina da lugar a lo que se llama la banda de valencia. Los electrones pertenecientes a

esa banda son incapaces de moverse más allá de los confines de la banda, a no ser que se les

proporcione energía, y además una energía determinada. La energía que el fotón le proporciona es

capaz de excitarlo y promocionarlo a la banda de conducción, que está vacía y donde puede moverse

con relativa libertad, usando esa banda, para desplazarse, a través del interior del semiconductor.

El enlace covalente del cual formaba parte el electrón, tiene ahora un electrón menos. Esto se conoce

como hueco. La presencia de un enlace covalente perdido permite a los electrones vecinos moverse

hacia el interior de ese hueco, que producirá un nuevo hueco al desplazarse el electrón de al lado, y de

esta manera, y por un efecto de traslaciones sucesivas, un hueco puede desplazarse a través de la red

cristalina. Así pues, se puede afirmar que los fotones absorbidos por el semiconductor crean pares

móviles de electrones-huecos.

Un fotón solo necesita tener una energía más alta que la necesaria para llegar a los huecos vacíos de la

banda de conducción del silicio, y así poder excitar un electrón de la banda de valencia original a dicha

banda.

El espectro de frecuencia solar es muy parecido al espectro del cuerpo negro cuando este se calienta a

la temperatura de 6000K y, por tanto, gran cantidad de la radiación que llega a la Tierra está compuesta

por fotones con energías más altas que la necesaria para llegar a los huecos de la banda de

conducción. Ese excedente de energía que muestran los fotones, y mucho mayor de la necesaria para

la promoción de electrones a la banda de conducción, será absorbido por la célula solar y se

manifestará en un apreciable calor (dispersado mediante vibraciones de la red, denominadas fonones)

en lugar de energía eléctrica utilizable.

[editar]Separación de los portadores de carga

Hay dos modos fundamentales para la separación de portadores de carga en un célula solar:

1. movimiento de los portadores, impulsados por un campo electrostático establecido a través del

dispositivo.

2. difusión de los portadores de carga de zonas de alta concentración de portadores a zonas de

baja concentración de portadores (siguiendo un gradiente de potencial eléctrico).

En las células de unión p-n, ampliamente usadas en la actualidad, el modo que predomina en la

separación de portadores es por la presencia de un campo electrostático. No obstante, en células

solares en las que no hay uniones p-n (típicas de la tercera generación de células solares

experimentales, como células de película delgada de polímeros o de tinta sensibilizada), el campo

eléctrico electrostático parece estar ausente. En este caso, el modo dominante de separación es

mediante la vía de la difusión de los portadores de carga.

[editar]Generación de corriente en un placa convencional

Esquema eléctrico.

Los módulos fotovoltaicos funcionan, como se ha dejado entrever en el anterior apartado, por el efecto

fotoeléctrico. Cada célula fotovoltaica está compuesta de, al menos, dos delgadas láminas de silicio.

Una dopada con elementos con menos electrones de valencia que el silicio, denominada P y otra con

elementos con más electrones que los átomos de silicio, denominada N.

Aquellos fotones procedentes de la fuente luminosa, que presentan energía adecuada, inciden sobre la

superficie de la capa P, y alinteractuar con el material liberan electrones de los átomos de silicio los

cuales, en movimiento, atraviesan la capa de semiconductor, pero no pueden volver. La capa N

adquiere una diferencia de potencial respecto a la P. Si se conectan unos conductores eléctricos a

ambas capas y estos, a su vez, se unen a un dispositivo o elemento eléctrico consumidor de energía

que, usualmente y de forma genérica se denomina carga, se iniciará una corriente eléctrica continua.

Este tipo de paneles producen electricidad en corriente continua y aunque su efectividad depende tanto

de su orientación hacia el sol como de su inclinación con respecto a la horizontal, se suelen montar

instalaciones de paneles con orientación e inclinación fija, por ahorros en mantenimiento. Tanto la

inclinación como la orientación, al sur, se fija dependiendo de la latitud y tratando de optimizarla al

máximo usando las recomendaciones de la norma ISOcorrespondiente.

[editar]La unión p-n

La célula solar más usual está fabricada en silicio y configurada como un gran área de unión p-n. Una

simplificación de este tipo de placas puede considerarse como una capa de silicio de tipo n directamente

en contacto con una capa de silicio de tipo p. En la práctica, las uniones p-n de las células solares, no

están hechas de la manera anterior, más bien, se elaboran por difusión de un tipo de dopante en una de

las caras de una oblea de tipo p, o viceversa.

Si la pieza de silicio de tipo p es ubicada en íntimo contacto con una pieza de silicio de tipo n, tiene lugar

la difusión de electrones de la región con altas concentraciones de electrones (la cara de tipo n de la

unión) hacia la región de bajas concentraciones de electrones (cara tipo p de la unión).

Cuando los electrones se difunden a través de la unión p-n, se recombinan con los huecos de la cara de

tipo p. Sin embargo, la difusión de los portadores no continua indefinidamente. Esta separación de

cargas, que la propia difusión crea, genera un campo eléctrico provocado por el desequilibrio de las

cargas parando, inmediatamente, el flujo posterior de más cargas a través de la unión.

El campo eléctrico establecido a través de la creación de la unión p-n crea un diodo que permite el flujo

de corriente en un solo sentido a través de dicha unión. Los electrones pueden pasar del lado de tipo n

hacia el interior del lado p, y los huecos pueden pasar del lado de tipo p hacia el lado de tipo n. Esta

región donde los electrones se han difundido en la unión se llama región de agotamiento porque no

contiene nada más que algunos portadores de carga móviles. Es también conocida como la región de

espacio de cargas.

[editar]Factores de eficiencia de una célula solar

[editar]Punto de máxima potencia

Una placa o célula solar puede operar en un amplio rango de voltajes e intensidades de corriente. Esto

puede lograrse variando la resistencia de la carga, en el circuito eléctrico, por una parte, y por la otra

variando la impedancia de la célula desde el valor cero (valor de cortocircuito) a valores muy altos

(circuito abierto) y se puede determinar el punto de potencia máxima teórica, es decir, el punto que

maximiza V y tiempo frente a I, o lo que es lo mismo, la carga para la cual la célula puede entregar la

máxima potencia eléctrica para un determinado nivel de radiación.

El punto de potencia máxima de un dispositivo fotovoltaico varía con la iluminación incidente. Para

sistemas bastante grandes se puede justificar un incremento en el precio con la inclusión de dispositivos

que midan la potencia instantánea por medida continua del voltaje y la intensidad de corriente (y de ahí

la potencia transferida), y usar esta información para ajustar, de manera dinámica, y en tiempo real, la

carga para que se transfiera, siempre, la máxima potencia posible, a pesar de las variaciones de luz,

que se produzcan durante el día.

[editar]Eficiencia en la conversión de energía

La eficiencia de una célula solar ( , "eta"), es el porcentaje de potencia convertida en energía eléctrica

de la luz solar total absorbida por un panel, cuando una célula solar está conectada a un circuito

eléctrico. Este término se calcula usando la relación del punto de potencia máxima, Pm, dividido entre la

luz que llega a la celda irradiancia (E, en W/m²), bajo condiciones estándar (STC) y el área superficial de

la célula solar (Ac en m²).

La STC especifica una temperatura de 25 °C y una irradiancia de 1000 W/m² con una masa de aire

espectral de 1,5 (AM 1,5). Esto corresponde a la irradiación y espectro de la luz solar incidente en

un día claro sobre una superficie solar inclinada con respecto al sol con un ángulo de 41,81º sobre

la horizontal.

Esta condición representa, aproximadamente, la posición del sol de mediodía en los equinoccios de

primavera y otoño en los estados continentales de los EEUU con una superficie orientada

directamente al sol. De esta manera, bajo estas condiciones una célula solar típica de 100 cm2, y de

una eficiencia del 12%, aproximadamente, se espera que pueda llegar a producir una potencia de

1,2 vatios.

[editar]Factor de llenado

Otro término para definir la eficacia de una célula solar es el factor de llenado o fill factor (FF), que

se define como la relación entre el máximo punto de potencia dividido entre el voltaje en circuito

abierto (Voc) y la corriente en cortocircuito Isc:

[editar]TONC

Temperatura de Operación Nominal de la Célula, definida como la temperatura que alcanzan

las células solares cuando se somete al módulo a una irradiancia de 800 W/m2 con distribución

espectral AM 1,5 G, la temperatura ambiente es de 20 °C y la velocidad del viento de 1 m/s.

[editar]Potencia y costes

En un día soleado, el Sol irradia alrededor de 1 kW/m 2  a la superficie de la Tierra.

Considerando que los paneles fotovoltaicos actuales tienen una eficiencia típica entre el 12%-

25%, esto supondría una producción aproximada de entre 120-250 W/m² en función de la

eficiencia del panel fotovoltaico.

Por otra parte, están produciéndose grandes avances en la tecnología fotovoltaica y ya existen

paneles experimentales con rendimientos superiores al 40%.3

A latitudes medias y septentrionales, teniendo en cuenta el ciclo diurno y las condiciones

atmosféricas, llegan a la superficie terrestre 100 W/m² de media en invierno y 250 W/m² en

verano. Con una eficiencia de conversión de, aproximadamente, 12%, se puede esperar

obtener 12 y 30 vatios por metro cuadrado de celda fotovoltaica en invierno y verano,

respectivamente.

Con los costes actuales de energía eléctrica, 0.08 $/kWh (USD), un metro cuadrado generará

hasta 0.06 $/día, y un km² generará hasta 30 MW, o 50,000 $/(km².día). Para comparar,

el Sahara despoblado se extiende por 9 millones de km², con menos nubes y un mejor ángulo

solar, pudiendo generar hasta 50 MW/km², o 450 TW (teravatio) en total. El consumo de

energía actual de la población terrestre está cercano a 12-13 TW en cualquier momento dado

(incluyendo derivados del petróleo, carbón, energía nuclear e hidroeléctrica).

El verdadero problema con los paneles fotovoltaicos es el coste de la inversión, como se puede

ver en el artículo sobre la ganancia neta de energía, requiriendo hasta más de 10 años (de una

vida útil de 40 años o más) para recuperar el coste inicial y generar ganancias. El precio actual

de los módulos fotovoltaicos, oscila entre los 3.5 y los 5.0 $/W (USD), de capacidad de

producción, en función de la cantidad que se compre y la procedencia. Los más baratos vienen

de China y se debe ser muy prudente con la calidad y garantías de los mismos. El precio de 8

$/W, aunque algo barato, es el precio completo de una instalación fija: módulos, estructuras de

soporte, onduladores, protecciones, sistemas de medición, costes del proyecto, instalación y

permisos administrativos. Un precio normal está entre 8.6 y 9.0 $/W. Si la instalación es con

seguidores de sol de dos ejes, el coste puede rondar los 10.60 $/W, aunque la producción

eléctrica obtenida es del orden de un 30% superior que en una fija.

[editar]Fabricación de paneles convencionales

Generalmente se elaboran de silicio, el elemento que es el principal componente de la sílice, el

material de la arena.

Actualmente, la producción mundial de células fotovoltaicas se concentra en Japón (48%),

Europa (27%) y EEUU (11%). El consumo de silicio en 2004 destinado a aplicaciones

fotovoltaicas ascendió a 13.000 toneladas.

[editar]Usos de las celdas fotovoltaicas solares

Deben su aparición a la industria aeroespacial, y se han convertido en el medio más fiable de

suministrar energía eléctrica a un satéliteo a una sonda en las órbitas interiores del Sistema

Solar. Esto es gracias a la mayor irradiación solar sin el impedimento de la atmósfera y a su

bajo peso.

En tierra, son la fuente solar más popular en instalaciones pequeñas o en edificios, frente al

método de campos de espejos heliostatosempleados en las grandes centrales solares.

Junto con una pila auxiliar, se usa habitualmente en ciertas aplicaciones de poco consumo

como boyas o aparatos en territorios remotos, o simplemente cuando la conexión a una central

de energía sea impracticable. Su utilización a gran escala se ve restringida por su alto coste,

tanto de compra como de instalación. Hasta ahora, los paneles fotovoltaicos ocupan una

pequeña porción de la producción mundial de energía.

Experimentalmente han sido usados para dar energía a automóviles, por ejemplo en el World

solar challenge a través de Australia. Muchos yates y vehículos terrestres los usan para cargar

sus baterías lejos de la red eléctrica. Programas de incentivo a gran escala, ofreciendo

recompensas financieras como la posibilidad de vender el exceso de electricidad a la red

pública, han acelerado en gran medida el avance de las instalaciones de celdas fotovoltaicas

solares en España, Alemania, Japón, Estados Unidos y otros países.

La experiencia en producción e instalación, los avances tecnológicos que aumentan la

eficiencia de las celdas solares, las economías de escala en un mercado que crece un 40%

anualmente, unido a las subidas en los precios de los combustibles fósiles, hacen que las se

empiece a contemplar la fotovoltaica para producción eléctrica de base, en centrales

conectadas a red.

Actualmente muchos gobiernos del mundo (Alemania, Japón, EEUU, España, Grecia, Italia,

Francia, ...) están subvencionando las instalaciones con un objetivo estratégico de

diversificación y aumento de las posibilidades tecnológicas preparadas para crear electricidad

de forma masiva. La gran mayoría de las instalaciones conectadas a red están motivadas por

primas muy elevadas a la producción, pagándose al productor 5 o 6 veces el coste de la

energía eléctrica generada por vías tradicionales, o mediante incentivos fiscales, lo que ha

generado críticas desde grupos favorables a un mercado libre de generación eléctrica.

[editar]Lista de aplicaciones

Paneles solares formados con módulos fotovoltaicos, Expo 2005 Aichi Japan, Japón.

Centrales conectadas a red con subvención a la producción.

Estaciones repetidoras de microondas y de radio.

Electrificación de pueblos en áreas remotas (Electrificación rural).

Instalaciones médicas en áreas rurales.

Corriente eléctrica para casas de campo.

Sistemas de comunicaciones de emergencia.

Sistemas de vigilancia de datos ambientales y de calidad del agua.

Faros, boyas y balizas de navegación marítima.

Bombeo para sistemas de riego, agua potable en áreas rurales y abrevaderos para el

ganado.

Balizamiento  para protección aeronáutica.

Sistemas de protección catódica.

Sistemas de desalinización.

Vehículos de recreo.

Señalización ferroviaria.

Sistemas para cargar los acumuladores de barcos.

Fuente de energía para naves espaciales.

Postes SOS (Teléfonos de emergencia de carretera).

Parquímetros.

Recarga de Scooters Eléctricos

[editar]Panel de alta concentración

Artículo principal: Electricidad solar de concentración.

Fruto de un convenio de colaboración firmado por la Universidad Politécnica de Madrid (UPM),

a través de su Instituto de Energía Solar, la empresa Guascor Fotón 4  y el Instituto para la

Diversificación y Ahorro de la Energía, organismo del Ministerio de Industria, Turismo y

Comercio español, se ha realizado la primera instalación solar de alta concentración

de silicio en explotación comercial de Europa.

Se trata de una instalación solar fotovoltaica que, frente a una convencional, utiliza una

extraordinaria reducción de silicio y convierte la luz solar en energía eléctrica con muy alta

eficiencia. Esta tecnología surge como forma de aprovechar al máximo el potencial del recurso

solar y evitar por otra parte la dependencia del silicio, cada vez más escaso y con un precio

cada vez mayor debido al aumento de la demanda por parte de la industria solar.

Desde los años 70 se han realizado investigaciones sobre la tecnología de concentración

fotovoltaica de manera que ha mejorado su eficiencia hasta conseguir superar a la fotovoltaica

tradicional. No fue hasta los años 2006-2007 que las tecnologías de concentración pasaron de

estar reducidas al ámbito de la investigación y empezar a conseguir los primeros desarrollos

comerciales. En 2008 elISFOC (Instituto de Sistemas Solares Fotovoltaicos de Concentración)

puso en marcha en España una de las mayores de este tipo a nivel mundial, conectando a la

red 3MW de potencia. En este proyecto participaron varias empresas que utilizaban diversas

tecnologías de concentración fotovoltaica (CPV).

Algunas de estas tecnologías utilizan lentes para aumentar la potencia del sol que llega a la

célula. Otras concentran con un sistema de espejos la energía del sol en células de alta

eficiencia para obtener un rendimiento máximo de energía. Algunas empresas

comoSolFocus ya han empezado a comercializar la tecnología CPV a gran escala y están

desarrollando proyectos en Europa y EE.UU. que superan los 10MW en 2009.

La tecnología de concentración fotovoltaica se dibuja como una de las opciones más eficientes

en producción energética a menor coste para zonas de alta radiación solar como son los

países mediterráneos, las zonas del sur de EE.UU, México, Australia…

[editar]Véase también

Cargador de baterías

Electrolinera

Panel solar

Energía solar fotovoltaica

Energías renovables

[editar]Referencias

1. ↑  «Vanguard I - the World's Oldest Satellite Still in Orbit» (en inglés). Consultado el 12 de

agosto de 2008.

2. ↑  La Agencia para los Proyectos de Investigación Avanzada para la Defensa es la

organización central para la investigación y desarrollo del Departamento de Defensa (DoD)

de EEUU

3. ↑  {{subst:en}}Michael canellos (2006) Solar cell breaks efficiency record, ZDNet News [16

de enero de 2007]

4. ↑  Guascor Fotón

5. Panel Solar fotovoltaico baja precio a USD 1 por Watt

6.  7. PUBLICADO EN ENERGÍAS RENOVABLES

8.

9.10. La energía solar alcanzó un hito el martes cuando la empresa First Solar Inc redujo sus

costos de fabricación de paneles solares a 1 dólar por Watt.11. Es tentador concluir que la tecnología de cadmium telluride (CdTe) ha ganado la carrera

considerando que la mayoría de las demás tecnologías están en unos $3 por Watt. Pero

mismo a este nuevo precio, un estudio de la Universidad de California y de Lawrence Berkeley sugiere que ningún material hasta ahora puede competir contra muchas otras formas de generar electricidad.

12. Incluso si el mercado de células solares creciera un 56% al año durante los próximos 10 años,  la fotovoltaica sólo representará alrededor del 2.5% de la electricidad mundial, dice el investigador Cyrus Wadia “First Solar es bueno, siempre y cuando estemos hablando de megawatts o gigawatts” . “Pero tan pronto como se tiene que empezar a instalar terawatts, es donde creo que llegará a algunas limitaciones.”

13. El objetivo de First Solar es “paridad con la red”, una frase que se refiere a la

energía solar que cueste lo mismo que las fuentes de energía convencional

compitiendo sin subsidios. Ahora el costo de fabricar paneles representa un

poco menos de la mitad del costo total de instalación. La compañía estima que

necesita obtener costos de fabricación a 0,65 a 0,70 dólares por vatio, y otros

gastos de instalación a 1 dólar por vatio con el fin de alcanzar la paridad. Son

objetivos que First Solar planea alcanzar para el año 2012.

14. La cuestión, sin embargo, es si First Solar o cualquier otro fabricante solar sería

capaz de manejar la avalancha de pedidos que daría si se llegó a un costo

competitivo. En ese momento, todo se reduce a una cuestión de tener

suficientes materias primas. Ahí es donde vienen las verdaderas limitaciones a

soportar, según un estudio que aparecerá en la edición de marzo de la

revista journal Environmental Science & Technology. En el documento, Wadia y

sus colegas Paul Alivisatos y Daniel Kammen evaluaron los precios de

suministro y de extracción mundial para 23  materiales semiconductores

fotovoltaicos prometedores y encontraron que los tres materiales que

actualmente dominan el mercado-silicio, CdTe y otra tecnología de película

delgada a base de cobre e indio Seleniuro de galio (CIGS)-tienen todos

limitaciones cuando se requieren en masa. Aunque el silicio es el segundo

elemento más abundante en la corteza terrestre, requiere enormes cantidades

de energía para convertirlo en una forma cristalina utilizable. Esta es una

barrera fundamental termodinámica que mantendrá los costos relativamente

altos de silicio. Ambos CIGS y CdTe “rankean” mal en la abundancia y costo de

extracción, con CdTe último en el ranking en el potencial a largo plazo basado

en las actuales tasas de extracción anual.

15. Esto no significa que estos materiales no desempeñan un papel importante,

dice Wadia. “Es grandioso ver el éxito que han tenido las empresas en

superarse en la velocidad de fabricar paneles y reducir los costos con la película

delgada de silicio.” Pero también puede ser postivo dedicar una parte de dinero

para Investigación y Desarrollo Federal para la investigación sobre materiales

alternativos que son abundantes, no tóxicos y baratos.

16. Con ese fin, Wadia y sus colegas encontraron que la pirita de hierro, más

conocida como Fool’s Gold-fue varios órdenes de magnitud mejor que

cualquiera de las alternativas, sobre la base de los costos y la abundancia.

Sulfuro de cobre y óxido de cobre también son candidatos atractivos. El

problema con estos materiales es que son menos eficientes en la conversión de

los rayos del sol a la electricidad y, como resultado, han sido objeto de mucha

menos  investigación. Pero el estudio de Berkeley representa este hecho, y

concluye que los materiales de menor eficiencia más baratos y más

abundantes, en última instancia, pueden servir mejor el mercado de energía

alternativa.

17. Kammen, todavía considera que el anuncio de dólar por Vatio de First Solar es

un desarrollo emocionante. “Esto demuestra que la rápida e importante

expansión de la industria solar necesita la investigación constante y la

experiencia de fabricación de las empresas líderes a nivel mundial, como First

Solar”18. Esa buena noticia no fue suficiente para salvar el precio de la acción de First Solar el

miércoles. Pero el mensaje del estudio de Berkeley es que a diferencia del mercado de valores, tenemos que pensar a largo plazo, y planificar para la energía solar que queremos ver en una década o más en el futuro. Y eso significa hacer minuciosas investigaciones básicas sobre muchos materiales descuidados que, por ahora, cuestan mucho más de un dólar por vatio.

El empleo de sistemas de equipos controladores por computador presentan las ventajas adicionales de que determinados cambios pueden hacerse a nivel de software únicamente y de poder incluir un conjunto de funciones adicionales a la de puntería propiamente dicha, tales como la de llevar los paneles a una posición de máxima seguridad ante las inclemencias del tiempo o la del retorno nocturno.

 

1.7.- Algunos módulos comerciales

A continuación podemos ver las características eléctricas y físicas de la extensa gama de módulos solares fotovoltaicos fabricados por Atersa:

MODULO POTENCIAA-5 5 Wp

A-10 10 WpA-20 20 WpA-38 38 Wp

Apx-45 45 WpA-55 55 WpA-60 60 WpA-75 75 WpA-85 85 Wp

Apx-90 90 WpA-120 120 WpA-130 130 Wp

No obstante, éstos son sólo unos ejemplos de los módulos solares fotovoltaicos podemos encontrar en el mercado. Desde la sección enlaces se puede acceder a los sitios web de los principales fabricantes y distribuidores españoles.

Paneles fotovoltaicos

TecnoAutomat empresa líder en la venta, instalación y desarrollo de sistemas solares,  pone a su disposición

nuestros grupo de profesionales para brindarle asesoramiento técnico sobre que sistema puede adaptarse

mejor a sus necesidades.

Disponemos de modelos de cálculo avanzados que al instante diseña la instalación mas adecuada según las

condiciones de demanda.

Contamos además con un grupo de técnicos instaladores experimentados en el ramo, que pueden realizar

todo tipo de instalaciones incluyendo proyectos  “llave en mano”.

Distribuimos también equipos y dispositivos nacionales, reguladores SOLUTRONIC, baterías MOURAS,

inversores TGPOWER y QMAX.

Nuestra división de manufactura diseña y desarrolla soportes, mástiles, anclajes, y cualquier dispositivo

mecánico que necesite una instalación solar.

Consideramos que la mejor forma de ofrecer nuestros productos es mediante la información, por lo que

incluiremos a continuación una breve descripción del funcionamiento del panel solar y  sistema fotovoltaico

completo, conjuntamente con las bases de cálculo de este tipo de instalaciones.

Funcionamiento

El Panel solar es un dispositivo compuesto por un conjunto de celdas fotovoltaicas, montadas sobre una placa

base y conectadas convenientemente para lograr el máximo aprovechamiento de la radiación solar.

Sobre las celdas se ubica un material transparente a los rayos solares que las protege de la incidencia de

factores externos.

Este conjunto se monta sobre un marco de aluminio que da rigidez mecánica al dispositivo, terminando el

montaje con un sello en ambas caras que hace al sistema estanco, especialmente a la humedad ambiente.

En la parte posterior se instala una caja de conexiones, donde se conectaran los conductores que hacen de

nexo entre el panel y el sistema solar.

Sistema Solar

Un sistema fotovoltaico típico esta constituido por los elementos que se muestran en el siguiente esquema.

Panel Fotovoltaico (Módulo)

EL panel convierte la energía de la radiación solar incidente en corriente eléctrica (corriente continua 12 o

24V). Mecánicamente esta construido para soportar condiciones ambientales severas y después de 20 años

de uso baja su rendimiento en un  8% aproximadamente. No es un componente que deba ser reemplazado en

las instalaciones  solares por degradación de sus características.

Regulador de Tensión

Es un dispositivo electrónico que evita sobrecargas o descargas excesivas de los acumuladores, y asegurar

que el sistema trabaje siempre en el punto de máxima eficiencia. Construido con componentes electrónicos de

alta calidad, su vida útil excede ampliamente la garantía dada por el fabricante.

Batería

Es un acumulador de descarga profunda (especialmente diseñado para aplicaciones solares), que almacena

la energía producida por el generador fotovoltaico, pudiendo entregarla al consumo en el momento que se

produce la demanda. Este elemento tiene una vida útil de aprox. 5 años, transcurrido ese tiempo, y mediante

una evaluación técnica previa, deberá procederse al recambio del mismo.

Inversor

Dispositivo electrónico (opcional), que transforma la corriente continua de 12 ó 24 V almacenada en el

acumulador, en corriente alterna de 230 V (alimentación de red domiciliaria). Al igual que el regulador, su vida

útil excede ampliamente la garantía dada por el fabricante.

Estos sistemas no requieren prácticamente mantenimiento, no poseen piezas móviles con lo cual

presentan bajo nivel desgaste,  no contamina el medio ambiente y son totalmente silenciosos.

lacas solares fotovoltaicas: sistema autónomo para tu casa o huerto.Normalmente en las instalaciones conectadas a la red eléctrica convencional (220-230 Vca)

de una compañía distribuidora como Iberdrola o Endesa, se suele contratar la potencia

dependiendo de los consumos más habituales que podemos tener en nuestro hogar. Cuando

adquirimos un aparato electrodoméstico nuevo, no nos preocupamos más que de conectarlo a

la red.

En un sistema solar fotovoltaico aislado de la red eléctrica, nos convertimos en productores

autónomos de nuestra propia electricidad, aprovechando de forma gratuita y abundante la

energía del sol. Sin embargo, es importante tener un uso racional de la energía disponible,

utilizando aparatos adecuados de bajo consumo. Por ejemplo, una lámpara de 11 W de bajo

consumo equivale a una luminosidad de una bombilla de 60 W.

Principio de funcionamiento

La energía eléctrica se genera por la captación de la radiación solar por el campo de paneles

fotovoltaicos.

La conversión fotovoltaica se basa en el efecto fotoeléctrico, es decir, en la conversión de la

energía lumínica proveniente del sol en energía eléctrica. Para llevar a cabo esta conversión

se utilizan unos dispositivos denominados células solares, constituidos por materiales

semiconductores en los que artificialmente se ha creado un campo eléctrico constante. El

material más utilizado es el Silicio que se encuentra en la arena. Estas células conectadas en

serie o paralelo forman un panel o placa solar encargado de suministrar la tensión y la

corriente que se ajuste a la demanda.

Las baterías se cargan de la energía eléctrica que produce el sistema generador solar

fotovoltaico. Se suele dimensionar la instalación de tal forma que las baterías puedan

acumular energía para 4 días de autonomía, en caso de días muy nublados y con un consumo

diario normal.

El regulador es un elemento importante que permite proteger las baterías, alargando su vida

útil al evitar sobre cargas y sobre descargas.

El inversor es el elemento que se encarga de transformar la energía eléctrica de CC (corriente

continua) en CA (corriente alterna) necesaria para alimentar toda la iluminación y otros

pequeños electrodomésticos funcionando en corriente alterna.

Ventajas: Limpia: Al no producirse ningún tipo de combustión, no se generan contaminantes

atmosféricos en el punto de utilización, ni se producen efectos como la lluvia ácida, efecto

invernadero por CO2, etc.

Silenciosa: Prácticamente se produce la energía con ausencia total de ruidos. ¡Adiós al ruido

infernal de los generadores "Diesel".

Material básico abundante: El Silicio, elemento base para la fabricación de las células

fotovoltaicas, es muy abundante ya que se encuentra en la arena, no siendo necesario

explotar yacimientos de forma intensiva.

Descentralizada y autónoma: Al ser una energía fundamentalmente de ámbito local, evita

pistas, cables, postes, no se requieren grandes tendidos eléctricos, y su impacto visual es

reducido. Tampoco tiene unos requerimientos de suelo necesario excesivamente grandes

(1kWp puede ocupar entre 10 y 15 m2).

Gratuita y disponible para todos: no precisa ningún suministro exterior (combustible) ni

presencia relevante de otros tipos de recursos (agua, viento).

Inconvenientes

Necesidad de un volumen importante de baterías para almacenar y asegurar la autonomía de

la instalación.