Energía solar fotovoltaica

ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

Se basa en la captación de energía solar y su transformación en energía eléctrica por medio de

celdas fotovoltaicas.

Los materiales semiconductores, para su utilización en celdas fotovoltaicas, han de ser

producidos en purezas muy altas, normalmente con estructura cristalina.

La conversión de la energía solar a eléctrica se realiza de manera limpia, directa y elegante.

Existen dos elementos que sustentan la utilización de la energía fotovoltaica: "La necesidad de

proteger el medio ambiente y la necesidad de crecer económicamente"

FUNCIONAMIENTO

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

energía lumínica proveniente del sol en energía eléctrica.

Consiste en la captación de la energía radiante procedente del sol, equivalente a 3,8 E20 MW.

Es emitida por su superficie a la temperatura de 13 millones de grados (producida por las

fusiones de átomos de Hidrógeno para formar Helio).

Se transmite por el espacio en forma de fotones de luz. Estos fotones atraviesan la atmósfera

terrestre perdiendo parte de su energía por los impactos con la misma. Esta pérdida de energía

será función de la distancia que recorre (latitud y altitud del sol) y del tipo de atmósfera que

atraviesen (clara o nublada) hasta alcanzar la superficie de la Tierra.

Cuando fotones de un determinado rango de energía chocan con átomos de ciertos materiales

semiconductores (el Silicio es el más representativo) les ceden su energía produciendo un

desplazamiento de electrones que es en definitiva una corriente eléctrica.

Estos fotones se caracterizan por su energía y su longitud de onda (que forman lo que se llama

espectro solar). Solo una parte de este espectro (que depende del material semiconductor) es

aprovechada para el desplazamiento de los electrones.

Los materiales semiconductores, para su utilización en celdas fotovoltaicas, han de ser

producidos en purezas muy altas, normalmente con estructura cristalina.

Estos cristales se cortan en rebanadas muy finas (del orden de micras) y se dopan unas con

elementos químicos para producir huecos atómicos, lado "p", (en el caso del Si con Boro) y

otras con otros elementos para producir electrones móviles, lado "n", (con Fósforo también en

el caso del Si).

La unión de una rebanada "n" con una rebanada "p" (ambas son transparentes y por tanto

dejan pasar los fotones) cada una con un conductor eléctrico metálico, forman así una célula

fotoeléctrica, la cual bajo la incidencia de fotones, crea una corriente de electrones corriente

eléctrica continua- a través del circuito eléctrico al que estén conectados los dos conductores

de la celda.

COMPONENTES DE INSTALACION

CELDAS O CÉLULAS FOTOVOLTAICAS

Son dispositivos formados por metales sensibles a la luz que desprenden electrones cuando los

fotones inciden sobre ellos. Convierten energía luminosa en energía eléctrica.

Las células solares están fabricadas de unos materiales con unas propiedades específicas,

denominados semiconductores.

Para entender el funcionamiento de una célula solar, debemos de entender las propiedades de

estos semiconductores.

Una de las regiones se dopa con fósforo, que tiene cinco electrones de valencia, uno más que

el silicio, de forma que esta región dopada muestra una afinidad por los electrones mayor que

el silicio puro. A esta región se le denomina de tipo n.

La otra región de dopa con boro, que tiene tres electrones de valencia, uno menos que el

silicio, de forma que esta región muestra una afinidad por los electrones inferior que el silicio

puro. A esta región se le denomina de tipo p.

De esta forma, teniendo un cristal semiconductor de silicio formado por una región de tipo p y

otra región de tipo n, se consigue una diferencia de potencial que hace que los electrones

tengan menos energía en la zona n que en la zona p. Por esta razón los electrones son

enviados a la zona n y los huecos a la zona p.

Cuando inciden fotones sobre este tipo de semiconductor, unión p-n, es cuando entonces se

rompen algunos enlaces, generándose de esta forma pares electrón-hueco.

Las células solares, para poder suministrar energía al exterior, van provistas de unos dedos o

mallas de metalización frontal, que consisten en partes metálicas por la que circula al exterior

la corriente eléctrica generada.

Si esta generación se produce a una distancia de la unión menor que lo que se denomina

longitud de difusión, estos pares serán separados por el fuerte campo eléctrico que existe en la

unión, moviéndose el electrón hacia la zona n y el hueco hacia la zona p. De esta forma se da

una corriente de la zona n a la zona p.

Si estos electrones consiguen ser recolectados por la malla de metalización, obtendremos

energía eléctrica

Si la longitud de difusión es muy corta, el par electrón-hueco, se recombinará, lo cual dará

origen a calor. Por supuesto esto siempre que la célula esté iluminada.

De todas formas no todos los fotones incidentes generan electricidad, hay factores que hacen

que existan pérdidas en esta generación.

Energía de fotones incidentes, hay veces que los fotones incidentes no disponen de la

energía necesaria para romper un enlace covalente y crear un par electrón-hueco, y

otras, el fotón tiene demasiada energía, lo cual se disipa en forma de calor.

Recombinación, es el hecho de que los electrones liberados ocupen un hueco próximo

a ellos.

Reflexión, parte de la radiación incidente en la célula es reflejada.

Malla de metalización, estos contactos eléctricos en el exterior de la célula, disminuye

la superficie de captación.

Resistencia serie, es el efecto Joule producido por el paso de electrones a través del silicio, la malla de metalización y resistencia de los contactos de conexión eléctricas al circuito exterior.

Resistencia paralelo, tiene origen en las imperfecciones de la unión p-n, creando fugas

de corriente.

Las células más comúnmente empleadas en los paneles fotovoltaicos son de silicio, y se puede

dividir en tres subcategorías:

Las células de silicio monocristalino: están constituidas por un único cristal de silicio,

normalmente manufacturado mediante el proceso Czochralski. Este tipo de células

presenta un color azul oscuro uniforme.

Las células de silicio policristalino (también llamado multicristalino): están

constituidas por un conjunto de cristales de silicio, lo que explica que su rendimiento

sea algo inferior al de las células monocristalinas. Se caracterizan por un color azul más

intenso.

Las células de silicio amorfo: Son menos eficientes que las células de silicio cristalino

pero también menos costoso. Este tipo de células es, por ejemplo, el que se emplea en

aplicaciones solares como relojes o calculadoras.

El parámetro estandarizado para clasificar la potencia de un panel fotovoltaico se denomina

potencia pico, y se corresponde con la potencia máxima que el módulo puede entregar bajo

unas condiciones estandarizadas, que son:

a) Radiación de 1000 W/m²

b) Temperatura de célula de 25 °C (no temperatura ambiente).

Los rendimientos típicos de una célula fotovoltaica de silicio policristalino oscilan entre el 14

%-20 %.

Para células de silicio monocristalino, los valores oscilan en el 15 %-21 %.

Los más altos se consiguen con los colectores solares térmicos a baja temperatura (que puede

alcanzar un 70 % de rendimiento en la transferencia de energía solar a térmica).

Están formados por células elaboradas a base de silicio puro con adición de impurezas de

ciertos elementos químicos, siendo capaces de generar cada una de 2 a 4 Amperios, a un

voltaje de 0,46 a 0,48 V, utilizando como materia prima la radiación solar.

Las celdas solares comerciales se fabrican con lingotes de silicio de alta pureza (material muy

abundante en la arena). El lingote es rebanado en forma de placas delgadas llamadas

obleas. El espesor típico usado es del orden de 300 nm (0.3 mm). Una fracción muy pequeña

de tal espesor (del orden de 0.5 nm) es impregnado con átomos de fósforo. A esta capa se le

conoce como tipo-n.

El resto de la oblea es impregnado con átomos de boro y se forma la capa conocida como tipo-p. Estas capas forman un campo eléctrico (voltaje interno construido) dentro de la oblea y

cerca de la superficie que recibe la luz del sol. Dicho voltaje es el responsable de separar a las cargas fotogeneradas positivas (huecos) y negativas (electrones). La celda cuenta con dos terminales que se conectan a un circuito externo para extraer la corriente eléctrica producida. La cara de la oblea expuesta a la luz, posee un enrejado metálico muy fino (plata y/o aluminio), el cual colecta los electrones fotogenerados. Esta capa corresponde a la terminal negativa. Sobre este enrejado está conectado uno de los conductores del circuito exterior. La otra cara cuenta con una capa metálica, usualmente de aluminio. Esta corresponde a la terminal positiva ya que en ella se acumulan las cargas positivas. Sobre esta capa está conectado el otro conductor del circuito exterior. También la celda está cubierta con una película delgada anti reflejante para disminuir las pérdidas por reflexión. Elementos

GENERADOR SOLAR: conjunto de paneles fotovoltaicos que captan energía luminosa y la transforman en corriente continua a baja tensión.

ACUMULADOR: Almacena la energía producida por el generador. Una vez almacenada existen dos opciones:

a) Sacar una línea de éste para la instalación (utilizar lámpara y elementos de consumo eléctrico).

b) Transformar a través de un inversor la corriente continua en corriente alterna.

REGULADOR DE CARGA: Su función es evitar sobrecargas o descargas excesivas al acumulador, puesto que los daños podrían ser irreversibles. Debe asegurar que el sistema trabaje siempre en el punto de máxima eficacia.

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 interconexiones 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 panel

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.

• INVERSORES La corriente eléctrica continua que proporcionan los módulos fotovoltaicos se puede transformar en corriente alterna mediante un aparato electrónico llamado inversor109 e inyectar en la red eléctrica (para venta de energía) o bien en la red interior (para autoconsumo). El proceso, simplificado, sería el siguiente:

Se genera la energía a bajas tensiones (380-800 V) y en corriente continua. Se transforma con un inversor en corriente alterna. En plantas de potencia inferior a 100 kW se inyecta la energía directamente a la red de

distribución en baja tensión (400 V en trifásico o 230 V en monofásico). Y para potencias superiores a los 100 kW se utiliza un transformador para elevar la

energía a media tensión (15 ó 25 kV) y se inyecta en las redes de transporte para su posterior suministro.

• SEGUIDORES SOLARES

El uso de seguidores a uno o dos ejes permite aumentar considerablemente la producción solar, en torno al 30% para los primeros y un 6% adicional para los segundos, en lugares de elevada radiación directa.113 114 Los seguidores solares son bastante comunes en aplicaciones fotovoltaicas.115 Existen de varios tipos:

En dos ejes: la superficie se mantiene siempre perpendicular al Sol. En un eje polar: la superficie gira sobre un eje orientado al sur e inclinado un ángulo

igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol.

En un eje azimutal: la superficie gira sobre un eje vertical, el ángulo de la superficie es constante e igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano local que contiene al Sol.

En un eje horizontal: la superficie gira en un eje horizontal y orientado en dirección norte-sur. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol.

• CABLEADO Es el elemento que transporta la energía eléctrica desde su generación, para su posterior distribución y transporte. Su dimensionamiento viene determinado por el criterio más restrictivo entre la máxima caída de tensión admisible y la intensidad máxima admisible. Aumentar las secciones de conductor que se obtienen como resultado de los cálculos teóricos aporta ventajas añadidas como:

Líneas más descargadas, lo que prolonga la vida útil de los cables. Posibilidad de aumento de potencia de la planta sin cambiar el conductor. Mejor respuesta a posibles cortocircuitos. Mejora del performance ratio (PR) de la instalación.

PRODUCCIÓN DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Alemania es en la actualidad el segundo productor mundial de energía solar fotovoltaica tras Japón, con cerca de 5 millones de metros cuadrados de colectores de sol, aunque sólo representa el 0,03% de su producción energética total. La venta de paneles fotovoltaicos ha crecido en el mundo al ritmo anual del 20% en la década de los noventa. En la UE el crecimiento medio anual es del 30%, y Alemania tiene el 80% de la potencia instalada.

El crecimiento actual de las instalaciones solares fotovoltaicas está limitado en 2006 por la falta de materia prima en el mercado (silicio de calidad solar) al estar copadas las fuentes actuales. Diversos planes se han establecido para nuevas factorías de este material en todo el mundo, incluyendo en mayo de 2006 la posibilidad de que se instale una en España con la colaboración de los principales actores del mercado. La inyección en red de la Energía solar fotovoltaica, está probada por el Gobierno Español con el 575 % del valor del kilowatiohora normal. Lo que corresponde con unos 0,44 euros por cada kwh que se inyecte en red. Actualmente, el acceso a la red eléctrica en España requiere una serie de permisos de la administración y la autorización de la compañía eléctrica distribuidora de la zona. Esta tiene la obligación de dar punto de enganche o conexión a la red eléctrica, pero en la práctica el papeleo y la reticencia de las eléctricas están frenando el impulso de las energías renovables. Las eléctricas buscan motivos técnicos como la saturación de la red para controlar sus intereses en otras fuentes energéticas y con la intención de bloquear la iniciativa de los pequeños productores de energía solar fotovoltaica. Esta situación provoca una grave contradicción entre los objetivos de la Unión Europea para impulsar las energías limpias y la realidad de una escasa liberalización en España del sector energético que impide el despegue y la libre competitividad de las energías renovables. CENTRALES DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

La mayor central de energía solar del mundo hasta el año 2004 se encontraba en la ciudad de Espenhain, cerca de Leipzig. Con 33.500 paneles solares modulares monocristalinos y una capacidad de producción de 5 megavatios, la central es suficiente para abastecer a 1800 hogares. La inversión ascendió a 20 millones de euros, según Shell Solar y Geosol, las firmas constructoras. Actualmente la empresa alemana SAG Solarstrom, que opera en España con el nombre TAU Solar, ha construido la mayor huerta solar del mundo en Erlasee (Alemania). Esta sustituye a la central de Espenhain. La nueva central de Erlasee cuenta en su totalidad con una capacidad de producción de 12 megavatios. El mayor fabricante europeo de productos fotovoltaicos es la compañía alemana RWE SCHOTT Solar con sede en Alzenau (Baviera). Esta compañía posee la planta de producción fotovoltaica más moderna y completamente integrada del mundo. En 2003 la compañía generó ventas netas de 123 millones de euros y tiene más de 800 empleados. Además Friburgo de Brisgovia es la sede de ISES (Sociedad Internacional de Energía Solar). INVERSIÓN EN ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA Las eficiencias de las células solares varían entre el 6% de aquellas basadas en silicio amorfo

hasta el 46% de las células multiunión. Las eficiencias de conversión de las células solares que

se utilizan en los módulos fotovoltaicos comerciales (de silicio monocristalino o policristalino)

se encuentran en torno al 14-22%.

El coste de las células solares de silicio cristalino ha descendido desde 76,67 $/Wp en 1977

hasta aproximadamente 0,36 $/Wp en 2014. Esta tendencia sigue la llamada "ley de

Swanson", una predicción similar a la conocida Ley de Moore, que establece que los precios de

los módulos solares descienden un 20% cada vez que se duplica la capacidad de la industria

fotovoltaica.

En 2014, el precio de los módulos solares se había reducido en un 80% desde el verano de

2008, colocando a la energía solar por primera vez en una posición ventajosa respecto al

precio de la electricidad pagado por el consumidor en un buen número de regiones soleadas.

En este sentido, el coste medio de generación eléctrica de la energía solar fotovoltaica es ya

competitivo con el de las fuentes convencionales de energía en una creciente lista de países,

particularmente cuando se considera la hora de generación de dicha energía, ya que la

electricidad es usualmente más cara durante el día. Se ha producido una dura competencia en

la cadena de producción, y asimismo se esperan mayores caídas del coste de la energía

fotovoltaica en los próximos años, lo que supone una creciente amenaza al dominio de las

fuentes de generación basadas en las energías fósiles. Conforme pasa el tiempo, las

tecnologías de generación renovable son generalmente más baratas, mientras que las energías

fósiles se vuelven más caras:

Cuanto más desciende el coste de la energía solar fotovoltaica, más favorablemente compite

con las fuentes de energía convencionales, y más atractiva es para los usuarios de electricidad

en todo el mundo. La fotovoltaica a pequeña escala puede utilizarse en California a precios de

$100/MWh ($0,10/kWh) por debajo de la mayoría de otros tipos de generación, incluso

aquellos que funcionan mediante gas natural de bajo coste. Menores costes en los módulos

fotovoltaicos también suponen un estímulo en la demanda de consumidores particulares, para

los que el coste de la fotovoltaica se compara ya favorablemente al de los precios finales de la

energía eléctrica convencional.

En 2011, el coste de la fotovoltaica había caído bastante por debajo del de la energía nuclear, y

se espera que siga cayendo:

La tendencia es que los precios disminuyan aún más con el tiempo una vez que los

componentes fotovoltaicos han entrado en una clara y directa fase industrial.293 294 A finales

de 2012, el precio medio de los módulos fotovoltaicos había caído a 0,50 $/Wp, y las

previsiones apuntan que su precio seguirá reduciéndose hasta los 0,36 $/Wp en 2017.

En 2015, el Instituto alemán Fraunhofer especializado en energía solar (ISE) realizó un estudio

que concluía que la mayoría de los escenarios previstos para el desarrollo de la energía solar

infravaloran la importancia de la fotovoltaica. El estudio realizado por el instituto Fraunhofer

estimaba que el coste levelizado (LCOE) de la energía solar fotovoltaica para plantas de

conexión a red se situará a largo plazo entre 0,02 y 0,04 €/kWh, niveles inferiores a los de las

fuentes de energía convencionales.