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Energía solar
fotovoltaica
Electricidad fotovoltaica
Conversión Eléctrica

Energía solar
• Conversión
termodinámica
• Efecto fotovoltaico
Electricidad fotovoltaica





Efecto fotovoltaica se conoce desde 1954
La primera célula se fabrica en 1965
monocristalina de arseniuro de galio.
Las comercialización se empezó con
células de silicio monocristalino. Mas tarde
aparecieron las silicio policristalino.
Recientemente se comercializaron las de
silicio amorfo.
Actualmente se continua investigando
para conseguir productos más eficientes y
económicos
El efecto fotovoltaico

Extracción de electrones liberados
fuera del material
• Alteración propiedades intrínseca del
semiconductor mediante el dopado.
• El boro crea exceso de huecos, creando
semiconductor tipo P.
• El fósforo crea exceso de electrones,
creando semiconductor tipo N
El efecto fotovoltaico

Disponiendo la dos regiones de
forma adyacentes se crea una zona
frontera llamada unión P-N
Para las células
comerciales la
eficiencia es 16 %
La célula fotovoltaica

Una unidad formada por materiales
semiconductores capaces de
producir, mediante una unión P-N,
una barrera potencial.
Tipos de células

Silicio monocristalino.
• Todos los átomos están perfectamente
ordenados. En el proceso de
cristalización los átomos se disponen en
el mismo orden. Presentan un color
azulado oscuro y con un cierto brillo
metálico.
• Eficiencia, 15%
Tipos de Células

Silicio policristalino.
• Las direcciones de alineación van
cambiando cada cierto tiempo durante
el proceso de deposición.
• Eficiencia, 12%
Tipos de células

Silicio amorfo.
• No existe estructura cristalina ordenada,
y el silicio se ha depositado sobre un
soporte transparente en forma de una
capa fina. Presentan un color marrón y
gris oscuro.
• Eficiencia 6%
Proceso de fabricación




A partir de las rocas ricas en cuarzo, por ejemplo
cuarcita se obtiene silicio de alta pureza (de
alrededor del 99%) y se funde.
Una vez fundido se inicia la cristalización,
resultando, si el tiempo es suficiente, lingotes de
silicio cristalino
El proceso de corte es muy importante ya que
puede suponer pérdidas de hasta el 50% de
material.
Tras el proceso de corte se procede al decapado,
que consiste en eliminar las irregularidades y
defectos debidos al corte, así como los restos de
polvo o virutas que pudiera haber.
Proceso de fabricación


Las obleas dopadas con boro
se introducen en hornos
donde se difunden átomos de
fósforo en una cara creando
la unión P-N.
Se completa el proceso
mediante un tratamiento
antireflectante. Y provéelas
de contactos eléctricos
Proceso de fabricación

La célula producida
tiene un rendimiento
de la mitad del teórico.
• Pérdidas por reflexión.
• Fotones incidentes en la
rejilla metálica
• Circulación corriente a
través de la célula.
Pérdidas por efecto
Joule
Eficiencia


Rendimiento de la célula solar =
energía eléctrica/energía solar
La eficiencia de la célula de silicio
cristalino se ha calculado teóricamente y
en laboratorio, obteniendo valores del
23%, pero para las células comerciales:
• el 17% para las de silicio monocristalino,
• alrededor del 12% para las de policristalino, y
• en torno al 6% para el silicio amorfo.
Aumento de eficiencia

Células de concentración
• La concentración óptica tiene como problema
básico la disminución del rendimiento de las
células cuando aumenta su temperatura, por lo
que es necesario hallar modos de reducir el
calentamiento de las mismas, bien rechazando
el flujo solar inutilizable, o eliminando
rápidamente el calor de las células.

Células bifaciales
• La célula bifaciales capaz de recibir radiación
por ambas caras, y su funcionamiento es algo
diferente del de las células convencionales.
El panel solar


La tensión en una célula es de 0,5 V
y entre 1-2 vatios.
Para obtener valores de tensión y
potencia adecuados a las
aplicaciones se conectan las células
en serie y paralelo dando lugar al
panel o módulo fotovoltaico
• Tensiones 6,12,24,48 V
• Potencias 5, 10, 55, 65,100,150,165 W
Panel solar



Para producir un panel de 12 V es
necesario 30 a 40 células en series.
Las células se conectan mediante
soldaduras la partes frontales con las del
dorso de la siguiente
Una vez terminadas las interconexiones
las células son encapsuladas en una
estructura tipo sandwich
Asociación de células
Estructura panel
Estructura panel




Cubierta vidrio templado
Capa material encapsulante
generalmente (EVA) acetato de
etilen-vinilo
Una o varias capas de cubierta
protectora, frecuentemente TEDLAR,
opaca y color claro.
Marco acero o aluminio.
Características eléctricas


CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UN PANEL.
RENDIMIENTO INSTANTÁNEO:
Curvas características de un panel
(ensayos)
• Se hace operar al panel bajo condiciones
preparadas y constantes
• Medida de radiación incidente, intensidad y
temperatura producidas y temperatura
ambiente
Curva i-V
Característica eléctricas


CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UN PANEL.
La respuesta del panel la determinan los
parámetros:
•
•
•
•
•
•
Corriente de cortocircuito (isc)
Tensión en circuito abierto (Voc)
Corriente (i)
Potencia máxima (Pm)
Eficiencia total del panel
Factor de forma (FF)
Características eléctricas

Corriente de cortocircuito (isc)
• Intensidad máxima de la corriente que se
puede producir en un panel en condiciones de
cortocircuito

Tensión en circuito abierto (Voc)
• Tensión máxima que se puede producir en un
panel en condiciones de circuito abierto

Corriente (i)
• Intensidad producida a una determinada
tensión
Característica eléctricas

Potencia máxima (Pm)
• Máxima potencia que se puede obtener del
panel
• Pm= Vm*im

Eficiencia total del panel
• Cociente entre la potencia eléctrica producida
por el panel y la potencia de la radiación
incidente

Factor de forma (FF)
• Mide la forma de la curva i-v
• FF = Pm/(Isc* Voc) = im*Vm/(Isc* Voc)
Característica eléctricas

Las curvas características estandardse
obtienen con radiaciones incidentes de
1000 W/m2y temperatura ambiente de
25º C.
• Condiciones distintas Curvas características
distintas

Hay que trabajar lo más cerca posible del
punto de máxima potencia (Pm)
Curvas i-V para diferentes modelos
Efecto variación intensidad solar
Variación intensidad solar
Efecto variación temperatura
Variación temperatura
Efecto de la temperatura

Para paneles de células de silicio
• El voltaje disminuye a razón de 2.3*10-3 V por Cº y
célula.
• La corriente aumenta a razón de 15 *10-6 por Cº y
célula.

En la práctica la potencia del panel disminuye
aproximadamente un 0,5 % por Cº por encima
de 25ºC
Efecto de la temperatura



El incremento de temperatura de la celula con
respecto al ambiente ∆t= 0.034*I-4
En la mayoría de los caso se supone un
incremento de la temperatura de 20 ºC superior a
la de ambiente
El rendimiento del panel baja a un 90 %
Efecto temperatura célula
Potencia nominal pico


Es la proporcionada al recibir el panel
1000W/m2 cuando la temperatura de
la célula es de 25ºC
El nombre de “pico” hace referencia
a que en realidad una intensidad
radiante de 1000W/m2constituye un
pico máximo en las medidas reales
de intensidad
• Día claro con el sol cercano al cenit
Módulo fotovoltaico


Los paneles estan diseñados en
forma modular.
Pueden conectarse en serie o en
paralelo
Unión de células en serie
Unión de células en paralelo
Corriente en módulo
Efecto de las sombras
La zona sombreada se comporta como un receptor
Efecto de la sombras
Diodos by-pas
Conexión serie módulos
Los paneles que se interconectan
deben tener la misma curva i-V
Conexión paralelo de módulos
Estructura de soporte y anclaje




La estructura debe resistir vientos de
150 km/h.
La estructura deben estar protegidas
contra la corrosión.
La tornillería debe ser de acero
inoxidable
La estructura debe ser conectada a
tierra