Descripcion de los sstemas fotovoltaicos

fotoceldas 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. Arreglo fotovoltaico celdas de SiliCi0 Mon monocristalino repre nta fotovoltaica comercia fundido y cristalizado PACE to next*ge das de silicio cnología io es purificado, láminas delgadas; osteriormente 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. ara 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 Dara aue. en coniunto.

Drooorcionen el voltaie adecuado. 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 bater(a. 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 a 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 3 hr-día = 45 Ah-día [z] 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. O para todas las ciudades de la base de datos), entonces el arreglo tendrá que aportar: Corriente del Arreglo = 45 Ah-día / (0. 5 * 5 h-día) = 10. 58 A Tres módulos de 3. 53 A a la carga, colocados en paralelo serán suficientes para este prop podrá comprobar que 30 existe una eran variedad d e pueden satisfacer este 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 tecnolog[a no se ha desarrollado or 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 unitana y módulos cuando vanas 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 tecnolog[a 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[i]. 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 ayor grado de desarrollo son las de silicio cristallno, 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 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-lndio-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[ii]. Para fabricarlas el silicio es purificado, fundido y cristalizado ya sea en lingotes o en láminas delgadas; posteriormente el Sllicio 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 dfusión a alta temperatura un material dopante, típicamente boro y fósforo, con lo cual se onvierte 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[iii] es del orden de 3 a 4 (m, por este motivo, la celda se torna extremadamente frágil ocasionando que en el proceso de anufactura 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 cadm 4 30 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(ivl. 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 epitaxia’ 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 dendrltico, 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 na 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 smilar a las policristallnas.

La dlferencia 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 os 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 s 0 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 uy 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 preco al usuano final. Película delgada Los tipos de celda mencionados anteriormente tienen estructura cristalina, el silicio amorfo no tiene tal estructura. Al silicio amorfo también se le denomina película delgada. Las unidades de silicio amorfo se fabrican depositando capas delgadas de silicio, evaporado al vacío, sputtering (erosión ionica), deposición de vapor u otro método sobre un sustrato que puede ser vidno, plástico o metal.

Las celdas de silicio amorfo se presentan prácticamente en cualquier tamaño, siendo la limitante la configuración del domo de evaporación donde se efectúa el proceso. Debido a que las capas de silicio permiten el paso de parte de la luz solar, se requiere depositar vanas capas, una sobre otra. Las capas añadidas incrementan la cantidad de electricidad que la celda puede producir. La producclón de electricidad se ve disminuida hasta en un 15% a las 8 semanas de que inicia la operación de la celda.

Esto se debe a que la película delgada presenta una acelerada degradación a partir de que es expuesta a los rayos solares. A partir uinto año de operación las celdas presentan una degr 5 al 50 A partir del cuarto o quinto año de operación las celdas presentan una degradación del 35 al 50 96. Las eficiencias de las celdas de silicio amorfo son de aproximadamente el 50% de las celdas cristalinas. Esta tecnología tiende a ser mucho más barata que las cristalinas. or esta razón el estado actual de la investigación se enfoca hacía el problema de la degradación.

Dentro de los materiales que mayor estabilidad ofrecen en película delgada está el CulnSe2, conocida como cobre-indio- selenio este material fue considerado teóricamente posible en 1974 y no fue sino hasta 1990 que comenzó su producción en la compañía norteamericana Chronar. Sin embargo el CulnSe2 es un compuesto más costoso que el silicio y actualmente se estudian otras alternativas tales como: AllnS2 , Zn3P2 y el Cu20. Otro material, el teluro de cadmio CdTe, análogamente al CulnSe2 , s un material que ha mostrado viabilidad en celdas solares. El CdTe ha mostrado eficiencias iniciales del orden del .

El CdTe se encuentra disponible comercialmente. Sin embargo, para reducir el costo del Watt pico, los esfuerzos se enfocan a abatir el costo de producclón. En este aspecto la electrodeposiclón se identifica como una técnica de bajo costo. El Silicio amorfo es, sin duda, el material fotovoltaico que más se ha instalado en el mundo, esto es debido a la gran cantidad de relojes, calculadoras, radios y demás artefactos domésticos que operan con energía solar. Módulos Fotovoltaicos Para la gran mayoría de 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 ionen el voltaje adecuado. en sene para que, en conj De la misma manera varia es pueden ser colocadas la misma manera varias de esas 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 Una función importante del encapsulado en los módulos es que las celdas puedan quedar protegidas para que operen ajo condiciones de climas cambiantes, o de posibles daños mecánicos producidos por aves, polvo o piedras.

El encapsulado proveerá suficiente rigidez para sujetar a las celdas y sus interconexiones. También tiene la función de aislar eléctricamente a las celdas respecto a posibles rupturas dieléctricas. Para los adhesivos encapsulantes y capas intermedias se utilizan resinas de silicón que tienen excelente estabilidad ante la radiación ultravioleta, baja absorción de la luz visible, y son suficientemente elásticas para reducir los esfuerzos térmicos en el módulo.

También se ha usado Etileno-Vinil-Acetato EVA) para las capas laminadas, así como otros polímeros. Para la capa posterior se ha usado Mylar o Tedlar para proteger el módulo contra la humedad, sin embargo casi todos los polimeros son permeables en cierta medida a la humedad. Una solución para esto ha sido utilizar una capa posterior de aluminio recubierta con algún polimero adecuado; aunque la mejor opcón, desde el punto de vista encapsulamiento, la representa el vidrio.

Sin embargo éste último material represe 30 punto de vista encapsulamiento, la representa el vidrio. Sin embargo éste último material representa la desventaja de la ragilidad aun cuando haya sido endurecido. Otro aspecto importante en la fabricación de los módulos es la conexión entre las celdas; las interconexiones también estén sujetas a esfuerzos térmicos a consecuencia de las diferentes propiedades de expansión de los diferentes componentes del módulo.

Es por esto que durante la fabricación del módulo se tienen que emplear conexiones redundantes, por si alguna de ellas falla. El vo taje de salda de un módulo depende del número de celdas conectadas en serie. Los módulos típicos tienen 30, 32, 33, 36 0 44 celdas en serie . Los módulos de 30-32 celdas son onsiderados autoregulables, es decir que no requieren de un dispositivo de control cuando son conectados a una batería. Los módulos de 33 a 36 celdas son los más comunes en la industria fotovoltaica, su voltaje, 16. volts, les permite superar la reducción en el voltaje de salida cuando los módulos operan a alta temperatura, generalmente requieren de dispositivo de control para evitar dañar la batería con sobrecarga. Los módulos de 44 celdas generan un voltaje de 20. 3 volts y son preferidos para operar a temperaturas ambiente muy altas. I CUADRO RESUMEN DE LA TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA[vii1 EFICIENCIA I I TIPO DE CELDA I LAB. I PROD. VENTAJAS DESVENTAJAS I FABRICANTES I PROD. I VENTAJAS FABRICANTES 112 a 14 | Tecnología bien I SiliCi0 119. Emplea mucho material Siemens (Alemania) I Sharp (Japón) Monocristalino ‘Solec (USA) (casi I Solarex (USA) I Tidelands (USA) desarrollada y probada. Icaro. Helios (Italia) Estable. I Mucho desperdicio costosa I CEL (India) Hitachi (Japón) Mayor eficiencia. lla mitad) Mitsubishi (Japón) Se fabrica en celdas I Manufactura Kyocera (Japón) cuadradas Hoxan (Japón) Heliodynámica (Brasil) (Italia) I Bharat (India) Isofotón (España) Komatsu Oapón) pg Solar I Pragma I Ansaldo I Nippon Elec- (Japón) I