yasuhiro matsumoto departamento de ingeniería eléctrica...
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Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN,
México D.F.
Departamento de Ingeniería Eléctrica Sección de Electrónica del Estado Sólido
www.sees.cinvestav.mx
Yasuhiro Matsumoto
4° Encuentro Regional ANES, Morelia Octubre 25, 2012
Perspectivas tecnológicas fotovoltaicas y algunas experiencias del CINVESTAV CINVESTAV
IPN
Electrodo positivo (+)
Electrodo negativo (-)
Luz solar
Contacto en formade rejilla hecha conuna capa de metal
0.3mm
+
Capa (n )
+
Capa (p )Capa (p)
Sol
}Pb-SnNi
Capa antireflejante (SnO )2
Metal
+
Capa (n )
+
Capa (p )Capa (p)
Sol
}
Región de campo eléctrico
Celda solar FV
Planta piloto
1978 -1987
Contenido:
• Radiación solar
• Celdas solares y el Sistema fotovoltaico
• Materiales, tipo y de celdas solares
• Eficiencia de conversión
• Algunas aplicaciones
(caso CINVESTAV)
• Conclusiones
Referencias:
Photovoltaics: Arizona State University
Christiana Honsberg and Stuart Bowden
http://pvcdrom.pveducation.org/index.html
RTS Japan, SRREN-IEA, Wikipedia
Para aprovechar la radiación Solar
Energía Solar
Energía
Térmica
Energía
lumínica
Transmisión
del calor
Generación
Fotovoltaica
Calentador de agua
Calefacción solar
Concentración Solar
Módulos FV
Energía Eléctrica
CINVESTAV
IPN
Energía equivalente:
En menos de 10 min abastecería el
total de las necesidades eléctricas
del mundo durante un año
~20,000 TWh
La Radiación Solar
Contenido:
• Radiación solar
• Celdas solares y el Sistema fotovoltaico
• Materiales, tipo y de celdas solares
• Eficiencia de conversión
• Algunas aplicaciones
(caso CINVESTAV)
• Conclusiones
CINVESTAV
IPN
El efecto fotovoltaico
Celda solar
Tecnología desde 1960 a la fecha:
Chips; UPC’s, CI’s, memorias.
de 3’’Ф con
13.8% de eficiencia
Celda solar fabricada en el CINVESTAV-IPN (1987)
actualmente de 7 ~ 8 ’’ Ф
Las Celdas Solares comerciales:
• Volumétricas (tipo obleas) 80%
espesores de (150 ~ 200 μm)
Tendencia a ocupar 2 ~ 4 gr/watt, o
espesores < 100 μm.
• Películas delgadas 20%
sustrato de vidrio, plástico o láminas
de acero inoxidable.
espesores de 1 ~ 15 μm
Los Módulos fotovoltaicos:
varias CS interconectadas en serie.
Laminado con EVA y sellado térmico en
vacío.
Los módulos FV certificados:
hasta de 25 años de garantía.
Resistencia a la humedad, salinidad,
granizos y ciclo de temperatura.
Silicio multicristalino (definición del enrrejado frontal por
Serigrafía)
Contacto eléctrico
100 a 200 micras
Dedos Ag/PbSn
IL
Im
IscVoc
ImVmFF
Vm
Bajo Iluminación
Obscuridad
)1exp( KT
qVIoI
LIKT
qVIoI )1exp(
I
V
(FF) Factor de Forma
Voc
Isc
Pm
CINVESTAV
IPN
光
Capacidad de generación: 100 a 180 W
(Depende de la eficiencia de
conversión de las celdas solares)
=
Módulo FV (Celdas Solares)
Módulo FV 1m2
Electricidad
Virtudes de los sistemas FV
•Ausencia de partes mecánicas
• Mantenimiento sencillo
• Eficiencia constante
•Es modular
• Genera aún con luz difusa
• Emplea la energía desaprovechada
CINVESTAV
IPN
Contenido:
• Radiación solar
• Celdas solares y el Sistema fotovoltaico
• Materiales, tipo y de celdas solares
• Eficiencia de conversión
• Algunas aplicaciones
(caso CINVESTAV)
• Conclusiones
Celda Solar
Silicio
Comp. III-V
Comp. II-VI
Otros comp.
Si-monocristalino ········ Gran escala de producción
Si-multicristalino ······· ·Gran escala de producción
Si-microcrist (p.delg.) ········ Pequeña escala de producción
Si-amorfo (p. delgada) ······· Mediana escala de producción
GaAs ········ Espacial, concentración
InP ········ Espacial
CdTe, CdS ·· Mediana escala de Producción
CuInSe2
CuInGaSe2 , CuInS2 ··· Pequña escala de producción
otros Tintes / Orgánico ········ I&D Producción piloto
Si-esférico ········ I&D o Producción piloto
Si-listón ······· ·Mediana escala de producción
Estado de
comercialización
Proceso de Fabricación en Si-
c
Cuarzo
SiO2
Silicio
Grado
Metalúrgico
Gas
Silano
Silicio
Policrista-
lino
Silicio
Monocrista-
lino
Corte
Decapado
Formación
de la
unión
Formación
de
Electrodos
Capa anti-
rreflejante
Texturización Celda Solar
Desde el Material de partida a Celdas solares
Tercer tema Detalles acerca del tema
Información complementaria y ejemplos
Qué efectos puede tener en la audiencia
Policristalino
Monocristalino
Listones
Enrrejados frontales
Enrrejado de Celdas Solares
Crecimiento del cristal
Metodo “Czocralski”
Cristal
de
Si
Bobina
de
RF
Vacío o
gas inerte
Semilla de cristal orientado
Cristal
en
crecimiento
Cristal
de
cuarzo
Recipiente
de
grafito
Frontera
de
enfriamientoT
T
T
1
3
f
Silicio
CINVESTAV
IPN
Obtnción del Lingote de Si
Temp. > 1450ºC
Poli-Silicio
Contenido:
• Radiación solar
• Celdas solares y el Sistema fotovoltaico
• Materiales, tipo y de celdas solares
• Eficiencia de conversión
• Algunas aplicaciones
(caso CINVESTAV)
• Conclusiones
Progresos eficiencia de conversión C.S. de silicio monocristalino.
Alcanza 25% a nivel laboratorio en áreas de 4 cm2 .
A ñ o
Eficie
ncia
(%
)
1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
0
5
10
15
20
25
30
L ím ite teórico = 26% Límite teórico ~ 26.4 %
CINVESTAV
IPN
La eficiencia de Conversión
Límite teórico del silicio
cristalino 27~30%
?
(20mm)
Menor área de contacto eléctrico
del 5-15% a 2-3% CINVESTAV
IPN
Area: 22cm2
Eficiencia: 23.5%
Voc: 703 mV
Isc: 914mA
Jsc: 41.3mA
Vmp: 600mV
FF: 0.81
Imp: 868 mA
Celda solar PERL (Si)
20 mm
Contenido:
• Radiación solar
• Celdas solares y el Sistema fotovoltaico
• Materiales, tipo y de celdas solares
• Eficiencia de conversión
• Algunas aplicaciones
(caso CINVESTAV)
• Conclusiones
Antecedentes en México
Aplicación: Sistemas Fotovoltaicos
(caso CINVESTAV)
CINVESTAV
IPN
Aplicación: Sistemas Fotovoltaicos
Aplicación: Sistemas Fotovoltaicos
1977-1978
Sistema FV radiotelefonía rural; Estado de Puebla
4 módulos FV de 7.5 Wp
Trasmisor de 61 Watt de
potencia
Almacenamiento 120 A-h,
12-14 Volts CD
CINVESTAV
IPN
PLANTA PILOTO
25kWp/año
1978-1991
CINVESTAV
IPN
CINVESTAV
IPN
Potencia 17 Wp V = 16.0V I = 1.08 A
PLANTA PILOTO
Simulador solar para módulos FV
Comunidades rurales
1980-1985
Proyecto BID-CONACyT
Sistema Bombeo
FV 7.5 hp VCD
CINVESTAV
IPN
Aplicación: Sistemas Fotovoltaicos
0.13 MW Average ~1MW/yr
Installed PV power in Mexico (1984-2006)
0
5
10
15
20
25
1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Year
Meg
a W
att
Cumulative
Installed
~ 20.0 MW
Installed PV tendency (1984-2006)
Aplicación: Sistemas Fotovoltaicos
CINVESTAV-IPN, junio 2012
CINVESTAV
IPN
60kW interconectados a la red
Alimenta lámparas de dos edificios de 4 pisos
240 módulos FV de 250 W: Solartec
5 inversores: Fronius 12kW c/u
Aplicaciones en el mundo
Aplicación: Sistemas Fotovoltaicos
El costo de los módulos FV se reduce de 15 a 22% anuales.
Los costos de los sistemas FV ha caído en 40% en 2008/09
[1].
En 1980 un módulo FV costó US$22/W, en 2010, se redujo a
US$1.5/W (cotización 2005) [2].
Los sistemas FV incluyendo el balance del sistema, se
encuentra en US $2.72/W (cotización 2009) mediante el
empleo de tecnologías de películas delgadas.
Fuentes:
[1] Energy Technology Perspectives 2010. Scenarios & Strategies to 2050.
International Energy Agency, Paris, France, 708 pp.
[2] Bloomberg, New Energy Finance – Renewable Energy Data. Subscriber info
at:bnef.com/bnef/markets/renewable-energy/solar/(2010).
En el mundo
La mayor parte de la potencia
instalada son interconexión a la red
Precio del módulo FV vs
potencia generada por
unidad de área
Esquema Mundial Fotovoltaico (FV)
8 países con mayores
instalaciones al 2009
Tendencia, costo de
Sistemas FV en Euro
(2006-2011)
Aprox. $37,000 pesos / kWp
ó US $3,000 / kWp
1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010
100
1000
10000
E.U.A.
JAPON
EUROPA
RESTO
PRODUCCION TOTAL
PR
OD
UC
CIO
N D
E M
OD
UL
OS
(M
W)
AñoProducción Mundial de módulos Fotovoltaicos 1983-2011 (Solar Buzz)
*Referencia: REN 21,(2011), Renewables 2011 Global Status
Report. (Paris REN21 Secretariat), p.23. **Fuente http://cleantechnica.com
Capacidad mundial 40 GW
1 Alemania 17.3 GW
2 España 3.8 GW
3 Japón 3.6 GW
4 Italia 3.5 GW
5 Estados Unidos 2.5 GW
La Republica Checa;
Incrementa de casi cero
en 2008 a 2GW en 2010.
Indicador 2008 2009 2010 2011
**
Capacidad fotovoltaica instalada (GW) 16 23 40 69
Producción de celdas fotovoltaicas (GW) 6.9 11 24 37
Tabla. Crecimiento de la capacidad fotovoltaica mundial 2008-2010*
Mayores Capacidades FV Instaladas al 2010
CINVESTAV
IPN
Generación
FV
Autónomo
Conectados
a la red
Doméstico
No-
Doméstico
Distribuido
Centralizado
Áreas remotas, islas sin conexión
a la red eléctrica: Iluminación,
refrigeración, bombeo etc.
Casas residenciales, oficinas,
edificios, industria, comercio,
etc.
Telecomunicación, desalinación,
bombeo de agua, señalización,
etc.
Plantas de energía
“Valle de Las Misiones”
Aplicaciones FV
interconectadas a la red;
(Sistemas distribuidos)
multicrystalline silicon curved PV
module laminated with flexible
plastic
© RTS Corporation
© RTS Corporation © RTS Corporation
Industrial Facilities : Fujipream Corporation
World Solar Challenge
CINVESTAV
IPN
CINVESTAV
IPN
Conclusiones
Las celdas solares tipo silicio-cristalinas, alcanza
su madurés con aprox. 80% de producción e
incrementa a ritmos de 30~50% anuales
Comienza la participación de las celdas de
películas delgadas en el mercado
Se requiere de al menos 10 ~ 15 años de I & D
para las celdas de siguiente generación
México, país con excelente radiación solar;
Sin embargo, requiere de una mejor planeación
estratégica para el despegue FV
Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del IPN,
México D.F.
Departamento de Ingeniería Eléctrica Sección de Electrónica del Estado Sólido
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Yasuhiro Matsumoto
4° Encuentro Regional ANES, Morelia Octubre 25, 2012
Perspectivas tecnológicas fotovoltaicas y algunas experiencias del CINVESTAV CINVESTAV
IPN
FV en México:
México tiene una insolación media anual de ~2000 kWh/m2, el doble de Alemania.
A pesar de esto, los sistemas FV creció únicamente a ritmos de ~1MW anuales
durante 1987 a 2007. En estos 20 años el total de instalación FV alcanzó los 20MW.
Desde 2008 comienza el impacto de la interconexión a las redes.
En 2009 se instalaron 3,270kW, de los cuales 796 kW interconectado a la red.
Con un total no domestico 18,037kW, domestico 5,637kW y en la red 1,296 kW
Un total de 25,020 kW, con el dominio de las aplicaciones autónomas con 72% del
total de potencia instalados.
Estas son aplicaciones tanto autónomos domésticos y no domésticos realizados por
instituciones públicas y por empresas privadas en las zonas rurales.
Los sistemas FV han sido económicamente viables para sitios alejados de la red
eléctrica, aplicable en electrificación, telefonía rural, bombeo de agua, señalización,
refrigeración, iluminación y protección catódica, entre otros.
La Comisión Federal de Electricidad (CFE), con el apoyo de algunas Instituciones,
instalaron más de 60,000 sistemas fotovoltaicos (tipo autónomos) en 20 estados del
país con fondos del gobierno federal. También tienen experiencia en sistemas híbridos
solar-eólico. Se tiene un compendio de los desarrollos realizados desde inicios de los
70´s a la fecha por diferentes instituciones académicas, empresas y asociaciones,
quienes contribuyen en la I&D y aplicaciones FV [14-20].
El programa Fideicomiso de Riesgo compartido (FIRCO): Fomentó programas de impulsos rurales,
diferentes convenios suscritos al 2005; colaboración con los Laboratorios Nacionales Sandia de los EUA,
donde se instalaron 195 sistemas, y se apoyó a más de 3,500 productores. Mediante el convenio de
donación con el Fondo Mundial para el Medio Ambiente (GEF) a través del Banco Mundial, la SAGARPA
promovió un donativo por US $32 millones.
Los programas consistieron en bombear agua de pozos y norias ganaderas. Los resultados alcanzados con estos programas incluyen más de 1,000 sistemas instalados.
En julio del 2007, el organismo regulador del sector de gas y electricidad en México; La Comisión
Reguladora de Energía (CRE) aprobó una resolución que ofrece a los inversionistas la posibilidad de
instalar sistemas fotovoltaicos conectados a la red nacional en pequeña escala (hasta 10 kW para
hogares y 30kW para empresas) [14]. Desde 2008 acrecentó la inversión privada con la conexión a la red.
Durante 2009, fueron instalados casi 3.3 MW de sistemas FV con una capacidad acumulada de ~25 MW. Una cuarta parte de la instalación, fueron conectadas a la red, pero la aplicación autónoma permanece en
~72% de potencia instalada a la fecha. Luego de la aparición de la Ley para el Aprovechamiento de Energías Renovables y el Financiamiento
para la Transición Energética en 2008, la CRE abre esquema de interconexión hasta capacidades de
500kW [15]. Desde entonces, el sector privado abrió el mercado potencial con conexiones a la red.
Por ejemplo, una empresa automotriz instaló 400kW en el Estado de Coahuila, y una cadena de
supermercados dio inicio con la instalación de 174kW en la Cd. de Aguascalientes, cuya contribución
alcanza el 20% de la energía que consumen y evita la emisión de 140 toneladas de CO2. Mas reciente
esta cadena, adicionó una capacidad de 200kW en el sucursal de La Paz, B.C.S. [16].
Sin embargo, se debe notar que la tecnología es de importación, a excepción de algunos módulos FV
ensamblados en México, sea por fabricantes nacionales o extranjeros.
Como parte de impacto social por cada GWh generado mediante tecnología FV tiene alto potencial
creador de trabajos con 0.87 persona-año de trabajo [19].
Tendencia de los costos FV
por volumen comparados a la
tecnología eoloeléctrica
Energy payback time (EPBT)
Tiempo requerido para
“pagar” los consumos
energéticos en fabricar el
módulo FV.
Se considera una radiación
media annual de 1700
kWh/m2 y relación de
eficiencia de 0.75.
Materia prima
No existe una integración vertical de la producción de las celdas solares y los
módulos FV mediante materiales y tecnologías nacionales.
En 2010, la producción del poli-silicio rebasó los 200 mil ton/año en el mundo
[1].
Además, es importante explorar, extraer y alcanzar alta purificación de los
metales y calcogenuros; el Galio, Arsénico, Antimonio, Fósforo, Teluro, Azufre,
Cadmio, Cobre, Indio, Selenio, etc.
Pocas son las Instituciones académicas quienes sintetizan polímeros
(materiales orgánicos)
Manufactura de celdas y módulos FV
No existe empresa en México que fabrique celdas solares.
Componentes de sistemas FV
Son escasos o nulo, los diseños y la manufactura de los componentes para
sistemas fotovoltaicos modernos, tales como inversores de la corriente eléctrica
CD/CA, instrumentos meteorológicos, etc.
Principales Problemáticas Tecnológicos y
Legislativos en México
Marcos legales
En general prevalece condiciones nacionales desfavorables para invertir
en la tecnología FV, debido a una limitada difusión, limitada conciencia
social, limitados incentivos fiscales o créditos para la expansión masiva en
el mercado.
Se requiere de un órgano regulador y certificador de los componentes, así
como de las instalaciones FV basadas en normas internacionales.
Difusión de la tecnología
Prácticamente nula difusión al público en general de los sistemas FV.
Desconocimiento de las bondades y limitaciones de esta tecnología.
Tarifa eléctrica
La tarifa eléctrica nacional es subsidiada y merma la competencia de los
sistemas FV
Los permisos de la interconexión a la red inició en 2007. Sin embargo, a
diferencia de otros países, la empresa eléctrica o el gobierno, no ofrece el
pago por la energía suministrada a la red, sino únicamente el esquema de
recuperación.
Planeación energética
Hace falta valoración de los beneficios de las fuentes renovables a la
economía nacional como la estabilidad de precios de la energía en el largo
plazo y la reducción de los riesgos en el abastecimiento [9].
No hay concordancia entre la Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica
(LSPEE), la Ley para el Aprovechamiento de la Energía Renovable y el
Financiamiento para la Transición Energética (LAERFTE) en función de los
proyectos de instalaciones con Energía Renovable ante la Comisión
Reguladora de Energía (CRE) y el uso de las líneas de la CFE.
Socio-político y legislativa; Incertidumbre y burocracia
Se debe robustecer la seguridad jurídica, y la regulación de las energías
renovables.
A la fecha CFE tiene el mando del sector eléctrico. Siguen con hermetismo-
burocratismo con prácticas monopólicas, por lo que entorpece la introducción
de nuevas tecnologías.