Energía Solar Fotovoltaica

¿Qué es?

Principio de funcionamiento

La tecnología fotovoltaica se basa en el efecto fotoeléctrico. Cuando ciertos materiales llamados semiconductores son expuestos a los rayos solares, los electrones de la banda de valencia pueden ser excitados a la banda de conducción. Para que se de este fenómeno, la energía de los fotones (rayos solares) debe ser igual o superior al salto energético (band gap) entre la banda de valencia y la de conducción del semiconductor.

Cuando este fenómeno ocurre, la estructura física de los semiconductores crea un campo eléctrico que establece una trayectoria de los electrones de manera que se genera una corriente eléctrica continua.

A partir de ahí comienza el funcionamiento eléctrico convencional: la corriente continua producida llega hasta los inversores que la transforman en corriente alterna.

Los componentes principales de un sistema fotovoltaico son:

• Óptica: Diferentes elementos de óptica como espejos, lentes Fresnel.hacen la labor de concentrar la radiación solar en un punto donde se coloca la célula fotovoltaica.

• Célula fotovoltaica: Es el elemento donde se lleva a cabo el efecto fotoeléctrico produciendo corriente continua.

• Inversor: Convierte la corriente continua procedente de la célula en corriente alterna.

• Seguidor: Con el fin de aumentar el rendimiento de nuestro sistema, el seguidor tiene la función de orientar nuestro módulo fotovoltaico en dirección al sol.

  • Seguidor 1 eje

  • Seguidor 2 ejes (Copero PV)

  • Seguidor concentración (Sevilla PV)

Tipos de células fotovoltaicas

Existen diferentes tecnologías en el mercado, cada una de ellas tiene diferentes características.

Saber más sobre Si convencional

Silicio cristalizado (~200 µm)

Logran una eficiencia media a un coste medio.

Una doble capa antirreflectante y una superficie frontal con pirámides invertidas minimizan las perdidas ópticas. La oblea de silicio tiene un espesor de 400 μm, ofreciendo una larga trayectoria óptica y por lo tanto aumentando la absorción de fotones con una energía mayor que el band gap del Si.

Una capa dieléctrica de SiO ₂ se inserta entre la oblea de Silicio y un conductor de Aluminio con el fin de obtener una superficie altamente reflectante en la parte trasera de la célula.

En el caso de células industriales de Silicio, se utilizan recubrimientos antirreflectantes de doble-capa. Además las obleas de Silicio monocristalino se sustituyen por obleas multicristalinas

• Silicio Monocristalino
  La mayoría de las células actualmente en el mercado son monocristalinas. El proceso de fabricación es el siguiente:
  El Silicio se purifica, se funde y se cristaliza en lingotes.
  Los lingotes son cortados en finas obleas para hacer células individuales.
  Las células monocristalinas tienen un color uniforme, generalmente azul o negro.

• Silicio Policristalino
  Las células policristalinas se fabrican de forma similar a las monocristalinas. La principal diferencia es que se utiliza un Silicio de bajo coste. Generalmente redunda en una reducción en la eficiencia, pero los fabricantes defienden que el precio por kW es menor.
  La superficie de las células policristalinas tiene un patrón aleatorio de cristalización en lugar del color homogéneo de las células monocristalinas.

• Silicio “Ribbon”
  Las células fotovoltaicas tipo “Ribbon” se realizan mediante el estiramiento de silicio fundido en lugar de la utilización de un lingote. El principio de funcionamiento es el mismo que en el caso de las células monocristalinas y policristalinas.
  El recubrimiento anti-reflectivo utilizado en la mayoría de las células “ribbon” tiene una apariencia prismática multicolor.

thin-film (~5 µm):

Se encuentra por detrás de la tecnología convencional en términos de eficiencia pero es la más barata y ligera por lo que es óptima para su colocación en tejados.

• Silicio amorfo .
  En comparación con el “band gap” del Silicio cristalino de 1,1 eV, el Silicio amorfo ofrece un “band gap” variable de 1,1-1,75 eV, controlado por la composición de la aleación de Silicio. Adicionalmente, el Silicio amorfo ofrece un coeficiente de absortividad mayor que el cristalino en el espectro visible. De esta forma, el espesor de Silicio amorfo puede ser menor de 1 μm.
  Generalmente la célula amorfa consiste en una unión p-i-n (o n-i-p):una capa transparente de TCO (Óxido conductor transparente) en la parte frontal y una capa metálica como contacto y reflector trasero.
  Ventajas: Las células de Silicio amorfo pueden fabricarse a una temperatura de deposición relativamente baja, generalmente entre 200-500 ºC, lo que permite el uso de varios sustratos de bajo coste
  Desventajas: El silicio amorfo sufre una degradación debido a la luz al inicio de su operación.

  
  

  

  Silicio amorfo

  
  

• Teluro de Cadmio
  Otra de las tecnologías thin-film que está siendo investigada últimamente es el Teluro de Cadmio.
  Una célula típica de Teluro de Cadmio está formada por una capa (tipo p) de Teluro de Cadmio, unida a una fina capa tipo n de CdS y finalmente formada por una capa de TCO (generalmente SnO2), la cual está concectada con el contacto eléctrico
  Ventajas: Existen multitud de técnicas para la fabricación de esta tecnología de thin-film, la mayoría de los cuales tiene un gran potencial para producciones a gran escala.
  Desventajas: El coste de los materiales

  
  

  

  Teluro de Cadmio

  
  

• Micro Silicio
  Esta tecnología espera mejorar los rendimientos y costes del Silicio amorfo. Se espera que pronto sea un competidor del resto de materiales thin-film. La alta eficiencia del micro Silicio y su baja degradación debido a la luz, hacen que las empresas industriales estén dedicando recursos a la investigación en esta tecnología.

• Dióxido de Titanio
  Capas impregnadas de dióxido de Titanio se utilizan para generar voltaje en lugar del material semiconductor que se utiliza en la mayoría de las células fotovoltaicas. Debido a que el Titanio resulta relativamente barato, ofrecen un gran potencial de reducción de costes.

Concentración fotovoltaica

Ofrece una mejor eficiencia pero su mayor desventaja es el coste.

• Fresnel point focus (High concentration-GaAs) (GC~500)
  Las lentes Fresnel concentran la radiación en un punto. A partir de una concentración geométrica en torno a 500, el coste de la superficie fotovoltaica puede ser reducirse considerablemente.
  Por un lado, la tecnología ofrece gran potencial de reducción de costes debido al bajo consumo de material, por otro lado, es posible el uso de células de alta calidad de Arseniuro de Galio.
  Arseniuro de Galio (GaAs) Multi-unión: Las células multi-unión son una nueva tecnología que ofrece eficiencias altas en comparación con las células solares tradicionales
  Las células multi-unión sacan mejor partido del espectro solar mediante el uso de capas de diferentes semiconductores con diferentes “band gaps”. Cada capa está formada por un material diferente, generalmente un semiconductor III-V, el cual absorbe diferentes porciones del espectro. Los semiconductores son elegidos con el fin de que el conjunto absorba la mayor parte del espectro solar. En la capa superior se colocan los semiconductores con un “band gap” mayor, de forma que los fotones más energéticos son absorbidos en esta capa.

  
  

  

  Lentes Fresnel

  
  

• Fresnel line focus (medium concentration-Si) (GC<500)
  Lentes cilíndricas que concentran la radiación solar en una línea. En este caso la concentración geométrica es menor que en el caso de “point focus”.En este caso se utiliza Silicio de alta eficiencia.

• Baja concentración (2-4 times)
  En este caso se utilizan espejos para concentrar la radiación solar y como célula se utiliza Silicio convencional.

  
  

  

  Seguidores de doble concentración

  
  

Saber más sobre tecnología de baja concentración

Fuente: Solúcar

Historia de la Energía Solar Fotovoltaica (Descargar PDF)

El Sol puede ser suyo (Descargar PDF): presentación realizada por el IDAE con todas las respuestas sobre instalaciones de Energía Solar Fotovoltaica, noviembre de 2008)

Tecnología Fotovoltaica de Concentración

La tecnología fotovoltaica de concentración es adecuada para zonas con alta irradiación. La tecnología fotovoltaica ha demostrado ser una solución limpia, versátil durante las décadas que lleva siendo instalada. Actualmente en el mundo hay más de 7 GW instalados.
La tecnología de concentración se basa en el mismo concepto pero utiliza óptica para concentrar la energía solar y reducir el área del material fotovoltaico.

Introducción a la tecnología

En las plantas de concentración se utilizan elementos de óptica para concentrar la radiación solar en la célula fotovoltaica. Consecuentemente con el fin de obtener la máxima eficiencia se utiliza Arseniuro de Galio o Si de alta eficiencia.

Plantas baja concentración

Para baja concentración utilizamos espejos para concentrar la radiación solar en un punto. En este caso utilizamos As-Ga o Si de alta eficiencia para la transformación. Los principales componentes de una instalación fotovoltaica de baja concentración son:

• Heliostatos con seguimiento en los dos ejes: Los heliostatos, construidos con perfiles metálicos son el soporte a los módulos fotovoltaicos y los espejos. Estos perfiles están sujetos a un eje horizontal, a través de un mecanismo reductor, está unido a un sistema que proporciona el movimiento en dos ejes, azimut y elevación accionado por motores. El seguimiento en dos ejes permite captar entre un 35 y un 48% mayor energía que un sistema fijo.

• Concentradores: Su función es la de reflejar la radiación solar en el módulo fotovoltaico. Los espejos concentradores están fabricados a partir de metal cubierto de cristal. Dependiendo del número de espejos, las dimensiones de éstos y el ángulo de inclinación al que se fije respecto al módulo.

• Módulos fotovoltaicos: Son los conversores de energía solar a eléctrica. Para baja concentración se utiliza Si convencional monocristalino con una eficiencia en torno al 12%.

• Inversores: Son los responsables de convertir la electricidad continua procedente de los módulos fotovoltaicos en alterna para ser inyectada en la red.

• Seguidor baja concentración (Sevilla PV)

• Para más info fotovoltaica descárguese el White Paper de tecnología fotovoltaica

Plantas de alta concentración

En las plantas de alta concentración conseguimos concentrar a través de tecnología óptica hasta 500 veces la radiación solar. Consecuentemente con el fin de obtener la máxima eficiencia se utiliza Arseniuro de Galio.

Requerimientos

Para la instalación de plantas fotovoltaicas, existen ciertos requerimientos como:

• El clima (DNI, GHI)

• La orografía

• Disponibilidad de conexión eléctrica a la red

Ocupación de terreno para plantas de 1 MW

El terreno aproximado para la instalación de una planta fija de un 1 MW para las diferentes tecnologías viene definido junto a las dimensiones del ancho (x en metros) y el largo (y en metros) de un rectángulo que simula las dimensiones de la planta.

1 MW	Baja concentración	Alta concentración
Plantas seguidor 1 eje	5,7 x=240 m y=240 m
Plantas seguidor 2 ejes	6,3 ha x=250 m y=250 m	4,1 ha x=200 m y=200 m

* Para unas condiciones de radiación en torno a los 2120 kWh/m ²año

Fuente: Solúcar