ENERGIA FOTOVOLATICA

Descripción de los sistemas fotovoltaicos aislados y sus componentes

Aquí daremos las principales características de los componentes de los sistemas fotovoltaicos aislados, asimismo se muestran los criterios de cálculo para la integración de los sistemas. Para una mayor profundidad de estudio se recomienda al lector consultar las obras referidas al final de este capítulo.

6.1 Arreglo fotovoltaico

Celdas de Silicio Mono y Policristalino. Las celdas de silicio monocristalino representan el estado de la tecnología fotovoltaica comercial. Para fabricarlas el silicio es purificado, fundido y cristalizado ya sea en lingotes o en láminas delgadas; posteriormente el silicio es rebanado en obleas delgadas para formar las celdas individuales, las obleas se pulen por ambas caras. Una vez pulidas las obleas se introduce, por difusión a alta temperatura, un material dopante, típicamente boro y fósforo, así se convierte la oblea en un semiconductor tipo “p” si se le añadió boro, o tipo “n” si se añadió fósforo. La mayoría de las celdas fotovoltaicas producen un voltaje de aproximadamente 0.5 V, independientemente del área superficial de la celda, sin embargo, mientras mayor sea la superficie de la celda mayor será la corriente que entregará.

Para la mayoría de las aplicaciones resulta insuficiente la diferencia de potencial de 0.5 V generada por una celda fotovoltaica, de esta manera las celdas tienen que ser colocadas en serie para que, en conjunto, proporcionen el voltaje adecuado. De la misma manera varias series pueden ser colocadas en paralelo para incrementar la corriente.

Posteriormente las celdas interconectadas en serie y sus conexiones eléctricas se encapsulan y se colocan entre dos placas que pueden ser de vidrio, o bien una de vidrio superior y una posterior plástica o metálica. Para absorber esfuerzos mecánicos y con propósitos de montaje se añade un marco metálico. La unidad resultante recibe el nombre de módulo o panel fotovoltaico, el módulo es típicamente la unidad básica de los sistemas fotovoltaicos. Los módulos pueden interconectarse en serie y/o paralelo para formar un arreglo.

Los módulos comerciales se presentan, en su mayoría, en configuraciones de 12 V nominales con voltajes a la carga de 15 a 17 V; esto es, para cargar una batería de 12 V un módulo establece, bajo la acción de la luz solar, una tensión de 15 a 17 V desde la que fluye la corriente hacía la batería. Las corrientes típicas de estos tipos de módulos van de los 2 a los 5 A, dependiendo de la potencia del módulo.

Una forma sencilla de estimar el número de módulos de un arreglo fotovoltaico, consiste en multiplicar los amperios a la carga por el número de horas de uso de la misma. Así por ejemplo si se requiere alimentar una carga de 15 A durante 3 horas-día (hr-día) a una tensión nominal de 12 V, se requieren:

15 A * 3 hr-día = 45 Ah-día [=] 45 A-hr-día a 12 V

Si durante el proceso de conducción y de almacenamiento de energía en el sistema fotovoltaico existen pérdidas del orden del 15 por ciento y si para la localidad en cuestión se tienen 5 horas equivalentes de sol máximo (este parámetro es calculado automáticamente por ConaeFV2.0 para todas las ciudades de la base de datos), entonces el arreglo tendrá que aportar:

Corriente del Arreglo = 45 Ah-día / (0.85 * 5 h-día) = 10.58 A

Tres módulos de 3.53 A a la carga, colocados en paralelo serán suficientes para este propósito. El lector podrá comprobar que existe una gran variedad de módulos que pueden satisfacer este requerimiento específico.

Sistemas Fotovoltaicos.

La conversión directa de la parte visible del espectro solar es quizá la vía más ordenada y estética de todas las formas que existen para la explotación de la energía solar. Desafortunadamente esta tecnología no se ha desarrollado por completo en nuestro país. La conversión fotovoltaica se realiza mediante dispositivos que no requieren movimiento y su mantenimiento es mínimo. Estos dispositivos fotovoltaicos, llamados celdas en forma unitaria y módulos cuando varias celdas se colocan en serie, están basados en las propiedades de ciertos sólidos cristalinos que permiten suministrar una corriente eléctrica capaz de realizar trabajo útil cuando el material se expone a la luz solar. Si bien los módulos son relativamente simples, su fabricación requiere de tecnología sofisticada que solamente está disponible en los países más industrializados. Es esta tecnología la que actualmente desarrolla métodos para hacer económicamente factible y justificable el uso extensivo de las celdas solares.

Las celdas solares fueron comercializadas inicialmente en 1955 . Su desarrollo inicial estuvo enfocado hacía un producto para las investigaciones espaciales, de hecho su primera y exitosa aplicación fue en satélites artificiales, sus propiedades: simplicidad, bajo peso, eficiencia, confiabilidad y ausencia de partes móviles, las hicieron ideales para el suministro de energía en el espacio exterior. A la fecha las celdas que han alcanzado mayor grado de desarrollo son las de silicio cristalino, esta es la tecnología que predomina en el mercado mundial debido a su madurez y confiabilidad en cuanto a su aplicación. De igual manera las celdas de película delgada han alcanzado cierto grado de popularidad debido a su bajo costo, sin embargo, su baja durabilidad, debido a la degradación, está por debajo de la de las celdas cristalinas. Otros compuestos como el Arsenuro de Galio y el Cobre-Indio-Selenio se encuentran ya en aplicación en el espacio exterior.

• Celdas de Silicio Mono y Policristalino

Las celdas de Silicio monocristalino representan el estado de la tecnología fotovoltaica comercial . Para fabricarlas el silicio es purificado, fundido y cristalizado ya sea en lingotes o en láminas delgadas; posteriormente el silicio es rebanado en obleas delgadas para formar las celdas individuales, posteriormente las obleas se pulen por ambas caras. Durante el proceso de corte y pulido se desperdicia casi la mitad del material original. Una vez pulidas las obleas se introduce por difusión a alta temperatura un material dopante, típicamente boro y fósforo, con lo cual se convierte a la oblea en un semiconductor tipo p si se le añadió boro, o tipo n si se añadió fósforo. La mayoría de las celdas fotovoltaicas producen un voltaje de aproximadamente 0.5 V, independientemente del área superficial de la celda, sin embargo, mientras mayor sea la superficie de la celda mayor será la corriente que entregará.

El espesor requerido para que se lleve a cabo el efecto fotovoltaico y se evite al máximo la recombinación de portadores de carga es del orden de 3 a 4 m, por este motivo, la celda se torna extremadamente frágil ocasionando que en el proceso de manufactura se generen más desperdicios.

Existen muchas combinaciones de materiales que poseen las características requeridas para convertir directamente la energía solar con eficiencias mayores que el 13%, destacando entre ellas el silicio, sulfuro de cadmio y el arsenuro de galio. Muchos otros materiales están aún en estado de investigación y experimentación. Adicionalmente a los materiales y sus combinaciones, se estudian otras configuraciones y procesos para mejorar eficiencias . Los procesos para formar la unión semiconductora incluyen la difusión a alta temperatura, evaporación para formar una barrera de Schottky en la superficie de un semiconductor como el silicio, crecimiento químico epitaxial de capas (silicio, GaAs, GaAlAs), así como implantación iónica. Los materiales base pueden formarse a través de crecimiento cristalino por varios métodos incluyendo crecimiento cristalino, crecimiento dendrítico, crecimiento de Czochralsky (uno de los más populares), y laminado tipo ribbon. La geometría de la celda ha pasado de ser redonda a cuadrada, esto para lograr una mayor captura de radiación cuando son colocadas varias celdas en serie para formar un módulo. Estos ejemplos ilustran las diferentes técnicas y combinaciones de materiales, diseños de celdas y procesos de fabricación posibles.

Las celdas policristalinas son fabricadas y operan de una manera similar a las policristalinas. La diferencia es que durante su manufactura se emplea un silicio de menor calidad y costo, esto da como resultado celdas de eficiencia ligeramente menor. Al estar compuesta la celda por una serie de granos de silicio, a nivel microscópico, quedan varios huecos entre las uniones de los granos y por lo tanto en esos microhuecos se interrumpe el fenómeno fotovoltaico. No obstante la diferencia de eficiencias entre el silicio monocristalino y el policristalino es relativamente pequeña (véase el cuadro 1) y generalmente se absorbe en las evaluaciones de costos.

Si bien el silicio es uno de los materiales más abundantes en la naturaleza, se encuentra como bióxido de silicio en la arena de mar; para poder utilizarlo en celdas solares se requiere que sea muy puro y en forma cristalina, para lo cual hay que realizar varios procesos. A partir del desmantelamiento de la industria militar soviética a principios de esta década, muchos fabricantes de módulos fotovoltaicos han recurrido a las plantas de fabricación de barras de silicio en Ucrania. Esto ha logrado abatir un tanto los costos de la materia prima y ha repercutido satisfactoriamente en el precio al usuario final.

• Película delgada

Los tipos de celda mencionados anteriormente tienen estructura cristalina,

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