ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

1. INTRODUCCIÓN

Se denomina energía solar fotovoltaica a una forma de obtención de energía eléctrica a través de paneles fotovoltaicos.

Los paneles, módulos o colectores fotovoltaicos están formados por dispositivos semiconductores tipo diodo que, al recibir radiación solar, se excitan y provocan saltos electrónicos, generando una pequeña diferencia de potencial en sus extremos. El acoplamiento en serie de varios de estos fotodiodos permite la obtención de voltajes mayores en configuraciones muy sencillas y aptas para alimentar pequeños dispositivos electrónicos.

2. FUNDAMENTOS DE LA CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA

La conversión de la energía luminosa en energía eléctrica es un fenómeno fisico que se conoce como conversión fotovoltaica. Este efecto fue descubierto en el año1839 por Becquerel en células electroquímicas, aunque la primera célula solar con un rendimiento significativo se fabricó a mediados del siglo pasado. Éste fue sin duda el punto de partida de la tecnología actual de las células solares o células fotovoltaicas.

La mayor parte de las células fotovoltaicas actuales están fabricadas con silicio como material semiconductor. El esquema de la estructura de una célula convencional de silicio cristalino se muestra en la siguiente figura:

La luz solar al incidir en un material semiconductor puede ceder la suficiente energía como para separar ciertos electrones de sus respectivos átomos dentro del material, los cuales pasan a circular libremente por el material hasta que vuelven a recombinarse. De igual forma, los huecos que dejan estos electrones en los átomos también pueden moverse libremente por el material, transfiriéndose de un átomo a otro. Este movimiento de electrones y huecos en direcciones opuestas genera una corriente eléctrica en el semiconductor cuya resultante neta es cero.

La clave de las células solares consiste en crear un campo eléctrico interno que haga que los electrones y los huecos que circulan por el semiconductor se muevan en direcciones opuestas. El campo se crea estableciendo dos zonas de conductividades de distinto signo, llamadas n y p, mediante la adición de impurezas de distinto tipo (el boro crea una región tipo p y el fósforo, una región tipo n). De esta manera, puede circular corriente neta por un circuito externo. Para ello es necesario que existan dos contactos metálicos, uno a cada lado de la célula: el de la cara sobre la cual incide la radiación solar tiene forma de malla metálica, para permitir el paso de la luz a su través, mientras que el de la cara posterior puede ser continuo. Además, habitualmente se deposita sobre la célula una capa antirreflexiva para mejorar la transmisión de luz al interior. Esta capa es la que confiere a las células de silicio cristalino su típico tono azulado.

2.1 La célula solar en operación

Al conectar una célula solar iluminada a una carga eléctrica, se produce una diferencia de potencial en esa carga que hace que circule una corriente a su través, que parte del terminal positivo de la célula y llega al negativo. Bajo estas condiciones de operación, la célula funciona como un generador de energía eléctrica.

Los procesos que ocurren en el interior de la célula son los siguientes:

- Al iluminarse la célula, parte de los fotones que sobre de ella inciden son absorbidos, creando pares electrón-hueco dentro del material.

- El campo eléctrico existente en la célula (formado por la unión p-n), separa esos portadores de carga, según su signo, en dos zonas dentro de la célula, creándose una diferencia de potencial en el circuito externo.

- Esa diferencia de potencial en los terminales de la célula produce fenómenos de inyección y recombinación de portadores (electrones y huecos).

- De esta forma, la corriente externa resultante es suma de dos componentes de signo contrario: La corriente fotogenerada (IL), que por convenio se considera positiva, y la corriente de oscuridad o de diodo (ID), de signo contrario, debida a la recombinación de portadores de carga por efecto de la tensión externa.

2.2 Los parámetros característicos de una célula solar

- Corriente de cortocircuito(Isc): Es la máxima corriente que es capaz de suministrar una célula. (Un valor típico para una célula de silicio monocristalino con área 100 cm2 es 3 amperios).

- Tensión en circuito abierto (Vac), conseguida entre los terminales de la célula cuando éstos están sin conectar al circuito externo, es la máxima tensión que puede alcanzar la célula en el primer cuadrante.

- Potencia máxima: Es un parámetro importante a la hora de caracterizarla eléctricamente. Los valores correspondientes a tensión y corriente se calculan a partir de establecer la condición de máximo en el producto IxV, utilizando la expresión de la curva característica.

- Factor de forma (FF): Es un indicador de la calidad de la célula y da la idea de lo que se aproxima al valor de la potencia máxima al producto de VacxIsc. Es siempre inferior a la unidad. Los valores típicos se encuentran entre 0,7 y 0,8.

- Rendimiento, da idea de lo eficazmente que transforma la energía solar que recibe en energía eléctrica. Se define por el cociente de la potencia máxima (Pm) y la potencia luminosa (Pl).

3. EL MÓDULO FOTOVOLTAICO

2.1 La unidad operativa mínima de un generador fotovoltaico

El módulo fotovoltaico es la unidad operativa y estructural mínima de un generador fotovoltaico. Está constituido por células fotovoltaicas interconectadas y protegidas mecánica y químicamente del exterior. Debido a que las células tienen valores de tensión bajos para la mayoría de las aplicaciones se conectan en serie ( y en paralelo para conseguir mayores corrientes) y conforman una vez encapsuladas una unidad de generación eléctrica con características de tensión y corriente adecuadas llamadas módulo fotovoltaico.

La parte anterior del módulo sustenta una caja de conexiones, donde se encuentran el contacto positivo y el negativo junto con unos diodos de paso. Estos diodos están conectados en paralelo con conjuntos de células conectadas en serie y su misión es evitar que la corriente atraviese esa parte del módulo si es sombreada. El fin es limitar las pérdidas de potencia por sombreado y el daño térmico que se pudiera ocasionar al módulo.

2.2 Influencia de los factores externos

Al igual que en las células solares, el comportamiento eléctrico de los módulos depende de determinados factores externos. La irradiancia es el más determinante, ya que a grandes rasgos la energía que produce un módulo es proporcional a la irradiación solar que recibe. Otros factores que influyen, aunque menos significativamente, son la temperatura, la distribución espectral de la radiación solar y el ángulo de incidencia de ésta. Las características eléctricas de un módulo fotovoltaico deben por tanto suministrarse siempre bajo unas condiciones conocidas de medida. Habitualmente los fabricantes dan los valores de los parámetros característicos de los módulos en condiciones estándar de medida.

- La irradiancia: Es la energía solar recibida por unidad de tiempo y superficie. Es el parámetro que más influye en la generación fotovoltaica ya que, en primera aproximación la potencia del módulo es proporcional a ella. La irradiancia está determinada por el valor de la radiación solar local y por la orientación e inclinación del módulo.

- La temperatura: La influencia de la temperatura es de segundo orden con relación a la de la irradiancia. En media, un módulo fotovoltaico de silicio cristalino pierde un 4% de potencia por cada 10 ºC que aumente su temperatura. En el caso de los módulos de silicio amorfo este factor se reduce a la mitad.

- La influencia espectral: Las células y módulos fotovoltaicos son espectralmente selectivos, lo que significa que su comportamiento eléctrico se ve influenciado por la distribución en longitudes de onda de la radiación solar que reciben. Las pérdidas espectrales se calculan tomando como referencia la corriente fotogenerada con un espectro solar estándar.

Las pérdidas espectrales anuales de distintas localidades representativas de España varían en función de la inclinación y orientación del módulo. Los valores máximos se alcanzan para inclinaciones de unos 20 grados por encima de la latitud. En cualquier caso, es pequeño el margen de actuación respecto a este factor de pérdidas, que está sobre todo determinado por la climatología local.

- La influencia angular: La superficie del módulo refleja parte de la radiación que sobre él incide. Pero esta reflexión se incrementa según aumenta el ángulo de incidencia de la radiación. Analizando esta dependencia angular para cada componente de la radiación solar se ha calculado la influencia que tiene el posicionamiento de un módulo en una instalación real en las pérdidas angulares que experimenta. En términos anuales estas pérdidas son de un 3% aproximadamente para un módulo posicionado con la inclinación y orientación que logran la máxima generación anual.

2.3 Módulos de concentración

Los módulos de concentración fotovoltaicos tienen el objetivo de reducir superficies de célula solar y sustituirla por sistemas ópticos, de materiales más baratos. Se trata de utilizar células más pequeñas y concentrar sobre ellas la luz solar: el concentrador colecta la radiación y las pequeñas células

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