Mi Energía Solar / Mi EE.RR.

Se conoce como Energía Fotovoltaica al tipo de electricidad (energía eléctrica) que se obtiene directamente de los rayos de sol (fotones) gracias a la foto-detección cuántica de un dispositivo.
Es una fuente de electricidad limpia y renovable.

Breve Historia

El efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez en 1839 por el físico francés Becquerel, pero la primera célula solar no se construyó hasta 1883. La era moderna de la tecnología de potencia solar no llegó hasta el año 1954 cuando los Laboratorios Bell, descubrieron, de manera accidental, que los semiconductores de silicio dopado con ciertas impurezas, eran muy sensibles a la luz.

El efecto Fotovoltaico

Cada célula fotovoltaica está compuesta de, al menos, dos delgadas láminas de silicio, que absorben fotones de luz y emiten electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.

En más detalle, una dopada con elementos con menos electrones de valencia que es el silicio denominada P y otra con elementos con más electrones que los átomos de silicio denominada N.

Aquellos fotones procedentes de la fuente luminosa, que presentan energía adecuada, inciden sobre la superficie de la capa P, y al interactuar con el material liberan electrones de los átomos de silicio los cuales, en movimiento, atraviesan la capa de semiconductor, pero no pueden volver. La capa N adquiere una diferencia de potencial respecto a la P. Si se conectan unos conductores eléctricos a ambas capas y estos, a su vez, se unen a un dispositivo o elemento eléctrico consumidor de energía que, usualmente y de forma genérica se denomina carga, se iniciará una corriente eléctrica continua.

Los paneles o módulos fotovoltaicos

Los paneles fotovoltaicos (llamados comúnmente paneles solares) están formados por un conjunto de celdas (Las "células fotovoltaicas"). Una célula fotovoltaica, es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía luminosa (fotones) en energía eléctrica (flujo de electrones libres) mediante el efecto fotovoltaico. Con otras palabras, las células fotovoltaicas producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos (electricidad solar).

El parámetro estandarizado para clasificar su potencia se denomina potencia pico, y se corresponde con la potencia máxima que el módulo puede entregar bajo unas condiciones estandarizadas, que son:

• Radiación de 1000 W/m²
• Temperatura de célula de 25 °C (no temperatura ambiente).

Las células fotovoltaicas

Las células fotovoltaicas se dividen en:

• Cristalinas
  • Monocristalinas: se componen de secciones de un único cristal de silicio (reconocibles por su forma circular u octogonal, donde los 4 lados cortos, si se observa, se aprecia que son curvos, debido a que es una célula circular recortada).
  • Policristalinas: cuando están formadas por pequeñas partículas cristalizadas.
• Amorfas: cuando el silicio no se ha cristalizado.

Su efectividad es mayor cuanto mayor son los cristales, pero también su peso, grosor y coste. En más detalle, la eficiencia de conversión media obtenida por las células disponibles comercialmente (producidas a partir de silicio monocristalino) está alrededor del 11-12%, pero según la tecnología utilizada varía desde el 6% de las células de silicio amorfo hasta el 14-19% de las células de silicio monocristalino. También existen Las células multicapa, normalmente de Arseniuro de galio, que alcanzan eficiencias del 30%. En laboratorio se ha superado el 42% con nuevos paneles experimentales.

La vida útil media a máximo rendimiento se sitúa en torno a los 25 años, período a partir del cual la potencia entregada disminuye.

Un sistema fotovoltaico tiene como componente fundamental, uno o varios paneles fotovoltaicos quienes cumplen el objetivo de transformar la radiación solar en electricidad. La electricidad generada es corriente continua (CC). Dependiendo del panel o de su método de conexión el voltaje oscila entre 5 y 900 voltios.

La energía producida puede utilizarse como tal (CC) o transformarse en Corriente Alterna (110 a 220 voltios) para ser utilizada por artículos eléctrico tradicionales.

Existen tres modalidades básicas en un Sistema Fotovoltaico dependiendo de su utilización:

• Diurno, el que no requiere un bloque de acumulación.
• Nocturno, el que requiere un bloque de acumulación.
• Continuo, día y noche, el que también requiere un bloque de acumulación (baterías).

Sistema Fotovoltaico

Generación

Los paneles fotovoltaicos son los encargados de la generación eléctrica. El número de ellos dependerá de varios factores, los principales son:

• El valor promedio de la insolación del lugar (DS)
• La carga (régimen y tipo)
• La máxima potencia nominal de salida del panel seleccionado.

Acumulación

El banco de baterías usa un tipo especial de batería llamada batería solar. Estas baterías se ofrecen en versiones desde 4V hasta24V. Una batería solar es una batería diseñada para soportar niveles de descarga profundos durante muchos ciclos de carga y descarga.

Requisito es el uso de un control de carga de las baterías el cual evita la descarga de las baterías a través de los paneles durante la noche, cuando el voltaje de salida del panel fotovoltaico es nulo y a su vez impide la sobrecarga de las baterías, suministrando el régimen de carga más apropiado para un dado tipo de acumulador.

Transformación

Si bien se puede utilizar la energía suministrada, directamente (previamente regulada), la electricidad se presenta como Corriente Continua (+/- 24VCC), los artículos eléctricos con este tipo de energía son escasos. Por este motivo se requiere de un componente (Inversor), el cual transforma esta electricidad en 110-200 VAC y de esa forma hacer un uso eficaz de la Planta Fotovoltaica.

Consumo/Carga/Distribución

Un método eficiente de utilización de la energía generada es la apropiada distribución de la electricidad. Cuando se utiliza la electricidad de la red, habitualmente no se hace un equilibrado y optimizado procedimiento de distribución. En el caso de las Plantas fotovoltaicas se debe realizar una revisión del esquema de distribución y de esa forma minimizar sus pérdidas. Igualmente es recomendable el uso de una distribución en Corriente Continua y de esa forma ganar en la eficiencia del consumo.

Diariamente, el sistema deberá mantener un balance energético entre la cantidad generada y la consumida. Al analizar el diseño veremos que el costo del sistema se incrementa cuando el balance energético debe mantenerse durante períodos de insolación baja o nula.

Las células solares fotovoltaicas son dispositivos capaces de transformar la radiación solar en electricidad, de un modo directo. La cantidad de energía creada por la célula está relacionada directamente con la cantidad de energía solar que absorbe la célula, y la cantidad de energía que absorbe la célula es una función tanto del tamaño como del área superficial de ésta, y de la intensidad de la luz solar y la longitud de onda que incide en ella.

Paneles HCPV con lentes	Paneles HCPV con espejos

La alta concentración fotovoltaica (HCPV) es una tecnología incipiente que está empezando a posicionarse como una alternativa de bajo coste para la generación de electricidad.

El alto coste de fabricación de los módulos fotovoltaicos, principalmente el costo de las células, las cuales en su mayoría son importadas de otros países, hacen que los precios de venta sean excesivamente altos.

En términos relativos, la célula fotovoltaica es el componente más costoso de un convertidor de energía solar. Por lo tanto, el incremento de la producción eléctrica del convertidor aumentando el área superficial de las células, puede llegar muy costoso, y se emplean normalmente otros métodos para incrementar la intensidad de la luz solar que incide en la célula. Tales métodos incluyen utilizar lentes concentradoras o espejos para el enfoque de la luz solar sobre la célula.

Para instalar un megavatio pico de módulos fotovoltaicos convencionales se requiere un espacio equivalente a la superficie de un campo de fútbol, es decir, aproximadamente 8000 m2. Por el contrario, en el caso de alta concentración fotovoltaica, la superficie de semiconductor necesaria se reduce a ocho metros cuadrados, lo que demuestra las ventajas económicas de esta tecnología, pues el empleo de espacio para instalaciones o huertos de paneles de módulos solares de alta concentración es mucho menor.

Es importante destacar que las células convencionales fotovoltaicas se fabrican con silicio, por el contrario las que se utilizan en alta concentración, se realizan con elementos de los grupos III-V del sistema periódico, elementos como el galio, indio, fósforo y otros de la misma índole, normalmente sobre sustratos de germanio, formando células tándem de múltiple unión que permiten utilizar el espectro solar de una manera mucho más eficiente.

En el caso de células de silicio, por ser de una sola unión, el límite teórico de conversión, determinado por su eficiencia, se sitúa en el 40%, en condiciones de concentración. Por el contrario, para células de uniones múltiples, el límite teórico se sitúa en el 86,4%, por lo que el potencial de mejora es muy alto.

El sistema de aplicación de lentes concentradoras de radiación solar sobre células fotovoltaicas para el aumento de la capacidad de producción de energía eléctrica de las mismas, consiste en la utilización de una lente concentradora realizada en vidrio, metacrilato, poliuretano, polietileno, polipropileno o cualquier otro tipo de material de índole similar, que resulte transparente para permitir el paso de los rayos solares. En este caso, las lentes de Fresnel tienen la propiedad de ser elementos concentradores de gran potencia de la radiación solar, y consecuentemente permiten el aprovechamiento de dicha energía en el campo de energía fotovoltaica.

La lente se ubica sobre un marco o bastidor que dispone de un doble fondo de menor medida para ubicar en el la célula fotovoltaica, situada entre 10 a 30 centímetros de separación con la lente concentradora. Orientado el conjunto hacia la posición del sol, los rayos inciden sobre la lente pasando a través de ella, hasta alcanzar a la célula fotovoltaica, la cual recibe dicha radiación solar aumentada en su potencia por efecto de una mayor superficie de radiación a su paso a través de la lente concentradora y el elemento óptico secundario adicional.