OPERACIÓN DE MÓDULOS DE TECNOLOGÍAS DE CAPA DELGADA EN PERÚ Y ESPAÑA:

EL PROYECTO “EMERGIENDO CON EL SOL”

DR. GUSTAVO NOFUENTES GARRIDO

UNIVERSIDAD DE JAÉN (ESPAÑA)

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El efecto fotovoltaico fue descrito por primera vez por Edmund Becquerel en 1839 al observar cómo aparecía una fuerza electromotriz al proyectar luz sobre uno de los electrodos introducidos en una disolución de un electrólito

La primera célula solar de estado sólido (selenio) fue descrita por Adams y su ayudante Day en 1877

Mirando hacia atrás (1/3)

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Entendimiento y explotación práctica del efecto fotovoltaico: a partir del desarrollo de la física cuántica y el desarrollo de la tecnología de los semiconductores (segunda mitad siglo XX).

En los Laboratorios Bell de EE.UU. se construye en 1953 la primera célula solar de silicio con eficiencia bien determinada (5%) En 1953, el U.S. News & World Report escribía: “(…)un día, estas tiras de silicio (…) puede que proporcionen más energía que el petróleo, el carbón y el uranio presentes en el mundo”.

Mirando hacia atrás (2/3)

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Embargo de petróleo de 1973: impulso de las aplicaciones terrestres de la tecnología fotovoltaica (FV)

Crecimiento temprano (1973 - ca. 2000) •Programas de demostración en EE.UU., UE y Japón, principalmente. •Subvención a la instalación • Programas electrificación rural Despegue (ca. 2000 – ca. 2010) •Tarifas de inyección (feed-in-tariff) en EE.UU, UE y Japón, principalmente) •Subvención a la instalación desapareciendo Madurez (ca. 2010 -) •Autoconsumo •Producción de electricidad FV en países con abundante recurso solar a precios competitivos con técnicas convencionales

Mirando hacia atrás (3/3)

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•Tasa anual de crecimiento de la potencia FV instalada: 41% (media de años 2000-2015) •Potencia FV instalada en 2015: 62 GWp (equivalentes a unas 13 centrales nucleares de 950 MW/7700 h)

Fuente: ISE Fraunhofer. 2016. Photovoltaics Report.

242 GWp (!)

Panorama de la tecnología fotovoltaica (1/5)

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•Industria y potencia FV instalada anualmente: desplazamiento progresivo desde Europa al extremo oriente y a los Estados Unidos de América desde 2011 a la actualidad •Perú, Chile, Ecuador, Colombia, México, etc.: apuesta fuerte por la tecnología FV

Fuente: ISE Fraunhofer. 2016. Photovoltaics Report.

Pote

ncia

FV

inst

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es (%

)

Panorama de la tecnología fotovoltaica (2/5)

•Volumen de negocio del mercado FV mundial: 161.000 M US$ en 2015 (The Economist) •Coste de los sistemas FV: descenso del 75% durante 2006-2015 (Bloomberg New Energy Finance) •Empleos en el mundo asociados a los la tecnología FV: 2,8 M (Agencia Internacional de las Energías Renovables- IRENA)

Fuente: ISE Fraunhofer. 2016. Photovoltaics Report.

7

Panorama de la tecnología fotovoltaica (3/5)

8

4.00

2.99 2.91

2.42

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50

Abril (México)

Mayo (E.A.U) Agosto (Chile)

Septiembre (E.A.U.)

cUS$

/kW

h

Precios finales de acuerdos de compraventa de electricidad de origen fotovoltaico menores que precio en mercado mayorista (pool) de electricidad producida a través del carbón, gas, petróleo o uranio (en países con abundante recurso solar)

2016

Fuen

te:

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pro

pia

Panorama de la tecnología fotovoltaica (4/5)

9

Fuente: ISE Fraunhofer. 2016. Photovoltaics Report.

•Prevalencia del silicio cristalino en el mercado: 93% en 2015 •La situación dominante de este material parece que va a mantenerse a corto y medio plazo

Panorama de la tecnología fotovoltaica (5/5)

10

Fuen

te:

Phot

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Los precios de módulos FV de silicio cristalino han caído un 25% desde marzo a septiembre de 2016. Causas:

•Exceso de oferta de módulos de silicio cristalino a causa de aumento de capacidad de producción en Asia • Contracción de la demanda del mercado chino

Predominio del silicio cristalino (1/2)

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Razones del predominio del silicio cristalino •Beneficiario de la industria microelectrónica preexistente •Características físicas casi óptimas para la conversión FV (ancho de banda cercano al óptimo) •El silicio es un material no tóxico y muy abundante en la corteza terrestre •Gran estabilidad a lo largo del tiempo (tasa de degradación de potencia media: 0,8%/año) •Material de propiedades bien conocidas •Modelos predictivos de la producción de electricidad FV bastante exactos •Experiencia de operación en el campo probada (proven track-record): confiabilidad •Precios en caída libre desde 2010

Predominio del silicio cristalino (2/2)

¿Existe alguna razón para desarrollar otra tecnología FV distinta al silicio cristalino y evaluar su operación en campo?

Lograr costes aún menores de generación de energía Los materiales FV de capa delgada (CD, o TF, de las siglas en inglés Thin Film) absorben la luz con más facilidad que el silicio cristalino:

•Se necesita un espesor de célula mucho menor •Los requisitos de pureza y cristalinidad exigidas al silicio cristalino no son necesarios •Los módulos de CD se forman depositando capas delgadas de material directamente sobre un sustrato, para posteriormente emplear técnicas láser para producir las células. Algunas de estas capas poseen un espesor de unos 10 nm (20 átomos) y una anchura de más de 1 m2 (!!!). No es necesario cortar obleas, como en el silicio cristalino.

Proceso de fabricación más barato 12

Las capas delgadas como posible alternativa al silicio cristalino (1/3)

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Células de silicio cristalino (c-Si)

Células de diseleniuro de

indio cúprico (CIS)

Células de silicio amorfo

(a-Si)

Células de telururo de cadmio

(CdTe)

Las capas delgadas como posible alternativa al silicio cristalino (2/3)

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1-6

180

6

0,2 6-10,5

10,5 - 19

Valores típicos de espesor de

célula (um)

CD CD CD c-Si Valores típicos

de material semiconductor

necesario (g/Wp)

Valores típicos de Consumo de energía primaria

(MWh/kWp)

c-Si c-Si

Las capas delgadas como posible alternativa al silicio cristalino (3/3)

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Fuente: ISE Fraunhofer. 2016. Photovoltaics Report.

Cuota de mercado de CD

2015: 7%

Las capas delgadas en el sector fotovoltaico (1/2)

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Planta FV Desert Sunlight 550 MW (26 km2) Desert Center, California (desierto de Mojave), EE.UU Módulos de CdTe (First Solar) 4ª planta por tamaño en el mundo

Planta FV Topaz Solar Farm 550 MW (26 km2) San Luis Obispo, California, EE.UU Módulos de CdTe (First Solar) 5ª planta por tamaño en el mundo

Las capas delgadas en el sector fotovoltaico (2/2)

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VENTAJAS DE LAS CAPAS DELGADAS FRENTE AL SILICIO CRISTALINO •El coste por Wp de módulo es menor. Valores típicos:

c-Si: 0,48 EUR/Wp CD: 0,22-0,40 EUR/Wp

•Menor pérdida de potencia entregada con la temperatura. Valores típicos:

c-Si: 0,40 %/ºC CD: 0,24 %/ºC Especialmente adecuados para climas cálidos

•Los módulos de silicio amorfo y el telururo de cadmio producen más energía cuanto más contenido en azul posea la luz que incide sobre ellos Especialmente adecuados para zonas subtropicales

•Mejor integración arquitectónica: distintos colores, diseños de módulos no rígidos

Capas delgadas vs silicio cristalino (1/2)

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DESVENTAJAS DE LAS CAPAS DELGADAS FRENTE AL SILICIO CRISTALINO •L a eficiencia es menor mayor superficie requerida para instalar la misma potencia mayor gasto en estructuras metálicas, tornillería, cableado, etc.

•Problemas de degradación insuficientemente comprendidos y documentados

• Falta de exactitud en la predicción de la energía que se produce

Investigación del desempeño de estas tecnologías sobre el terreno (on-site): Universidades y Centros de Investigación

Capas delgadas vs silicio cristalino (2/2)

El proyecto “Emergiendo con el sol” Investigación sobre capas delgadas (1/2)

Colaboración para el refuerzo mutuo de la capacidad tecnológica, docente e

investigadora en el campo de la generación de electricidad fotovoltaica

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El proyecto “Emergiendo con el sol” Investigación sobre capas delgadas (2/2)

Antecedentes Instalaciones y resultados de investigación preexistentes sobre el comportamiento en exterior

de módulos CD en la Universidad de Jaén (clima soleado y seco) desde 2011 Presencia incipiente de los sistemas FV conectados a la red en Perú

Desconocimiento absoluto del comportamiento de módulos de CD bajo un clima húmedo, desértico y con bajo recurso solar (Lima)

Objetivo

Conocer cómo operan módulos de CD en un enclave de las características de Lima

Metodología Instalación de un sistema FV conectado a la red de 3 kW (módulos micromorfos)

Monitorización y análisis de su funcionamiento

Resultados esperados Propuesta de modelos predictivos de potencia y energía a generar

en función de la irradiancia y la temperatura Determinación cuantitativa de la degradación que experimentan los módulos bajo sol real

Beneficios de la investigación

Asesoramiento sobre tecnología FV idónea a instalar en un enclave de las características de Lima 20

Universidad de Jaén

Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas, Madrid

Ensayo y medida de módulos FV de silicio amorfo, CIGS, CdTe y micromorfos

Sistemas trazadores de curvas I-V de módulos FV de CD en la Universidad de Jaén (1/2)

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Medida secuencial de curvas I-V de hasta 4 módulos, junto a irradiancia, temperatura ambiente, temperatura de módulo, humedad relativa, presión

atmosférica y distribución espectral de la irradiancia Comienzo de campaña de medida: enero de 2011

Sistemas trazadores de curvas I-V de módulos FV de CD en la Universidad de Jaén (2/2)

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Sistemas FV conectados a la red de módulos de CD en la Universidad de Jaén (1/2)

-Instalación FV conectada a la red de módulos de silicio amorfo de 900 Wp, inversor de 1200 W en la Universidad de Jaén -Instalación FV conectada a la red de módulos de células tándem silicio microcristalino/amorfo (micromorfo) de 880Wp, inversor de 1200 W en la Universidad de Jaén

Puesta en marcha: julio de 2011 23

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Medida de irradiancia incidente, temperatura de módulo, temperatura ambiente y velocidad del viento

Datos accesibles a través de Internet

Sistemas FV conectados a la red de módulos de CD en la Universidad de Jaén (2/2)

Resultados de investigación preexistentes de la Universidad de Jaén (1/3)

Propuesta y validación de modelos de la potencia a entregar por los módulos y generadores fotovoltaicos, a partir de la irradiancia incidente y temperatura del módulo

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y = -0,1104x + 58,058

y = -0,0722x + 80,718

y = -0,2218x + 58,389

y = -0,2664x + 117,38

40 50 60 70 80 90

100 110 120 130

Pote

ncia

pic

o [W

]

Tiempo de exposición [mes]

a-Si:H CIS CdTe Micromorph

- Registro de la evolución temporal de la potencia pico de los módulos y generadores fotovoltaicos -Determinación de tasa de degradación anual sobre el terreno

Resultados de la investigación preexistentes de la Universidad de Jaén (2/3)

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Difusión de resultados 10 artículos en revistas indexadas de reconocido prestigio

Resultados de la investigación preexistentes de la Universidad de Jaén (3/3)

Resultados académicos •Una Tesis Doctoral con mención internacional realizada •Dos Tesis Doctorales en curso de realización

Gran interés del tema en la comunidad científica y en la industria

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Sistema FV conectado a la red de módulos de CD en la Universidad Nacional de Ingeniería (1/2)

Instalación FV conectada a la red de módulos de células tándem de silicio microcristalino/amorfo (micromorfo) de 3456 Wp, inversor de 3000 W en la

Universidad Nacional de Ingeniería (Lima) en operación desde mayo de 2016 en el marco del proyecto “Emergiendo con el sol”

Medida de irradiancia incidente, temperatura de módulo, y temperatura ambiente

Datos accesibles a través de Internet

Sistema FV conectado a la red de módulos de CD en la Universidad Nacional de Ingeniería (2/2)

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Resultados esperados de la investigación en la Universidad Nacional de Ingeniería

Comportamiento de módulos micromorfos expuestos en un clima húmedo, desértico y con bajo recurso solar (Lima) Absoluto desconocimiento. Resultados esperados:

-Obtención de modelos de predicción de la potencia entregada y energía producida en función de la irradiancia y temperatura -Determinación de la influencia del espectro solar en la producción de energía (luz de Lima con alto contenido en color azul) -Cuantificación de la degradación que sufren los módulos a lo largo del tiempo de exposición

Ayuda en la elección de la tecnología FV más adecuada al enclave concreto (silicio cristalino vs silicio micromorfo) 30

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DR. GUSTAVO NOFUENTES GARRIDO

UNIVERSIDAD DE JAÉN (ESPAÑA)