UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS
PRESENTADO POR:
Bach. DE LA CRUZ PONCE, Marivel
Para optar el título profesional de Ingeniera Químico
Bach. ROMERO HUARCAYA, Josue Jhonatan
Para optar el título profesional de Ingeniero Químico del Gas Natural y Energía.
HUANCAYO-PERÚ 2019
MODELAMIENTO MATEMÁTICO DE LA TEMPERATURA DE UN PANEL FOTOVOLTAICO
Y SU VALIDACIÓN EXPERIMENTAL
_____________________________________________________
ASESOR:
Dr. WILDER EFRAÍN EUFRACIO ARIAS
_____________________________________________________
DEDICATORIA
Dedico este trabajo principalmente a Dios, por haberme dado la vida y permitirme el haber llegado hasta este momento tan importante de mi formación profesional. A mi madre, hermanos y amigos por demostrarme siempre su apoyo incondicional. A mi padre y hermanito José, a pesar de nuestra distancia física, siento que siempre están a mi lado motivándome a superarme cada día.
Marivel
Dedico este trabajo a Dios, porque ha estado conmigo en cada paso que he dado, cuidándome y dándome fuerzas. A mi padre que me apoyo hasta el último momento de su vida, me enseñó a ser perseverante y lograr mis metas. A mi madre por su amor, trabajo y sacrificio en todos estos años, gracias a ellos he logrado llegar a alcanzar una de mis metas profesionales. Es un orgullo y un privilegio de ser su hijo, son los mejores padres.
A mi hermano que siempre me apoyo y estuvo a mi lado lo largo de esta etapa. A mi hermana por estar siempre presente, brindándome su ayuda.
A todos mis familiares y amigos que me brindaron su ayuda y creyeron en mí.
Josue
AGRADECIMIENTO
A Dios por permitirnos la vida, a nuestros padres por el apoyo incondicional.
A mi Asesor de Tesis, que gracias a su apoyo hoy puedo culminar este trabajo.
A los ingenieros de la Facultad de Ingeniería Química de la UNCP que me nos vieron crecer como persona, y gracias a sus conocimientos.
RESUMEN
La finalidad de la investigación es formular y validar experimentalmente un modelo matemático de la temperatura de un panel fotovoltaico. Para la formulación del modelo matemático básicamente se consideró los mecanismos de transferencia de calor de convección y radiación, y esencialmente dependen de la irradiancia solar y velocidad del aire, y en menor grado de la potencia del panel fotovoltaico.
Para la recolección de datos, se instaló un panel fotovoltaico de 200 W con una inclinación de 12° y se registró mediante un recolector de datos la temperatura de la superficie frontal del panel fotovoltaico, del suelo y ambiente, también se midió la irradiancia solar y la velocidad del viento cada minuto.
En la calibración del modelo matemático de la temperatura se determinó los valores de absortividad, emisividad de la superficie frontal y posterior, y capacidad calorífica del panel fotovoltaico, y sus valores son 0,735; 0,909 y 10902,87 J/K; respectivamente. De estos parámetros, el modelo matemático propuesto es sensible a la absortividad del panel fotovoltaico.
Estadísticamente las estimaciones del modelo matemático son iguales a las mediciones de la temperatura del panel fotovoltaico y considerando los valores de los indicadores de desviación de la raíz media cuadrática, error relativo y absoluto (3,31; 5,24 y 2,12) se concluye que el modelo matemático propuesto se validó experimentalmente y que predice convenientemente la temperatura del panel solar.
INTRODUCCIÓN
El consumo de energía del sector edificaciones representa una parte principal del presupuesto total de energía. Fundamentalmente las fuentes de energía utilizadas en el Perú no son renovables, como combustibles no comerciales y leña en áreas rurales y combustibles comerciales como petróleo, glp, carbón y electricidad en áreas urbanas. Es una necesidad aprovechar las energías renovables, entre ellas la solar que es gratuita y amigable al ambiente, de tal manera que no seamos dependientes de energías no renovables por ser simplemente contaminantes. Esto debe impulsar a la investigación y desarrollo del uso de las energías renovables no convencionales.
En la bibliografía existen varios modelos matemáticos fundamentales y empíricos que estiman la temperatura de un panel fotovoltaico los cuales generalmente no se evalúan a condiciones reales de operación y surge la necesidad de disponer de un modelo que estime convenientemente esta temperatura porque esta variable influye en la eficiencia y por ende en el diseño de sistemas fotovoltaicos, así en la tesis se formuló y validó experimentalmente un modelo matemático de la temperatura de un panel fotovoltaico, para ello se calibró los parámetros y se realizó el análisis de sensibilidad al modelo matemático de la temperatura.
El informe de la tesis contiene tres capítulos: revisión bibliográfica, parte experimental y tratamiento de datos y discusión de resultados. Luego se presenta las conclusiones, recomendaciones, bibliografía y anexos.
OBJETIVOS Objetivo General
Formular y validar experimentalmente un modelo matemático de la temperatura de un panel fotovoltaico.
Objetivos Específicos
Calibrar los parámetros del modelo matemático de la temperatura de un panel fotovoltaico.
Realizar el análisis de sensibilidad al modelo matemático de la temperatura de un panel fotovoltaico.
Determinar los indicadores: desviación de la raíz media cuadrática, error relativo y absoluto respecto al modelo matemático de la temperatura de un panel fotovoltaico.
SIMBOLOGÍA
entrada
q = Flujo de energía incidente en la superficie frontal del panel fotovoltaico debido a la radiación solar (W)
salida
P = Energía eléctrica producida por el panel fotovoltaico (W)
pérdi das
q = Transferencia de calor del panel fotovoltaico al ambiente (W) Cpfv = Capacidad calorífica del módulo panel fotovoltaico (J/K) Tpfv = Temperatura del panel fotovoltaico (°C o K)
t = Tiempo (s)
G = Irradiancia solar incidente la superficie del panel fotovoltaico inclinado (W/m2)
α = Absortividad (adimensional)
Ac = Área que ocupan las células del panel fotovoltaico (m2)
salida
P = Energía eléctrica generada por el panel fotovoltaico (W)
p = Relación entre el área de la célula y el área del panel fotovoltaico conocida como factor de empaquetamiento (adimensional)
célula
η = Eficiencia eléctrica de la célula solar (adimensional)
η r = Eficiencia eléctrica de la célula solar a la temperatura de referencia de operación (adimensional)
β r = Coeficiente de la temperatura (1/°C)
T r = Temperatura de referencia de operación (°C)
convección
q = Transferencia de calor por convección entre la superficie del panel fotovoltaico y el ambiente (W)
radiación
q = Transferencia de calor por convección entre la superficie del panel fotovoltaico y el cielo (W)
Ah = Área de transferencia de calor total por convección (m2)
convección
h = Coeficiente de transferencia de calor por convección entre la superficie del panel fotovoltaico y el ambiente (W/m2K)
Tam b = Temperatura ambiente (°C o K) lpfv = Largo del panel fotovoltaico (m) apfv = Ancho del panel fotovoltaico (m)
epfv = Espesor del panel fotovoltaico (m)
pel ícul a
T = Temperatura de película (°C) A = Área del panel fotovoltaico (m2) L = Longitud característica del objeto (m)
natural
Nu = Número de Nusselt para convección natural en una placa inclinada menor de 60º (adimensional)
natural
h = Coeficiente de transferencia de calor por convección natural entre la superficie el panel fotovoltaico y el ambiente (W/m2°C)
Ra L = Número de Rayleigh (adimensional) Gr L = Número de Grashof (adimensional) Pr = Número de Prandtl (adimensional) Re = Número de Reynolds (adimensional) Cp = Capacidad calorífica del aire (J/kg.K) μ = Viscosidad dinámica del aire (kg/m.s) ν = Viscosidad cinemática del aire (m2/s) k = Conductividad térmica del aire (W/m.K) ρ = Densidad del aire (kg/m3)
= Relación del ángulo del panel fotovoltaico a la dirección vertical (adimensional)
zado
hfor = Coeficiente de transferencia de calor por convección forzado entre la superficie el panel fotovoltaico y el ambiente (W/m2°C)
frontal
qr, = Transferencia de calor por radiación de la superficie frontal el panel fotovoltaico a los alrededores (cielo) y suelo (W)
posterior
qr,
=
Transferencia de calor por radiación de la superficie posterior del panel fotovoltaico a los alrededores (cielo) y suelo (W)
suelo
T Temperatura de suelo (°C o K)
σ = Constante Stefan-Boltzmann (5,67×10-8 W/m2K4)
frontal
ε = Emisividad de la superficie frontal del panel fotovoltaico (adimensional)
posterior
ε = Emisividad de la superficie posterior del panel fotovoltaico (adimensional)
Ffc = Factor de vista de la parte frontal del panel fotovoltaico al cielo (adimensional)
Ffs = Factor de vista de la parte frontal del panel fotovoltaico al suelo (adimensional)
Fpc = Factor de vista de la parte posterior del panel fotovoltaico al cielo (adimensional)
Fps = Factor de vista de la parte posterior del panel fotovoltaico al suelo (adimensional)
Pr = Número de Prandtl (adimensional) Re = Número de Reynolds (adimensional) Cp = Capacidad calorífica del aire (J/kg.K)
dn = Espesor de la capa que forma el panel fotovoltaico (m)
ρn = Densidad del material de la capa que forma el panel fotovoltaico (kg/m3)
n
Cp, = Capacidad calorífica del material de la capa que forma el panel fotovoltaico (J/kg.K)
N = Número de capas en el módulo (adimensional)
Qm = Velocidad de transferencia de calor por unidad de área en la dirección n
k = Conductividad térmica que es una función de la temperatura
∂T
∂n = Gradiente de temperatura en la dirección n
𝜃 = Diferencia de temperatura entre la superficie y el fluido (W) h = Coeficiente de transferencia de calor de la superficie (W/m2K) T = Temperatura termodinámica del cuerpo (°C o K)
ET = Energía solar global Eextra = Energía solar extraterrestre S = Duración del día
So = Número de horas de brillo Ed = Energía solar difusa
KT = Índice de claridad (adimensional) a y b = coeficientes del modelo
RB, RD, RR
= Coeficientes (adimensional) ρ = Albedo (adimensional)
RB =
Relación entre la energía solar global en una superficie horizontal y la energía solar global en una superficie de inclinación
(adimensional)
RR = Energía solar reflejada en una superficie de inclinación I = Intensidad de corriente del módulo (A)
V = Voltaje del módulo (V)
Iph = Intensidad de corriente generada por la luz (A) Io = Intensidad de corriente de saturación oscura (A) Rs = Resistencia en serie (Ω)
Rsh = Resistencia en paralelo (Ω) Vt = tensión térmica (V)
a = Factor de idealidad (adimensional)
Ns = Número de células fotovoltaicas conectadas en serie k = Constante de Boltzmann
T = Temperatura de las células fotovoltaicas q = Carga de electrones
RMSD = Desviación de la raíz media cuadrática (adimensional) ER = Error relativo (porcentaje)
EA = Error absoluto (°C o K)
ÍNDICE
ASESOR ii
DEDICATORIA iii
AGRADECIMIENTO iv
RESUMEN v
INTRODUCCIÓN vi
OBJETIVOS vii
SIMBOLOGÍA viii
ÍNDICE xii
Índice de Tablas xiv
Índice de Figuras xv
CAPITULO I
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
1.1 Antecedentes 1
1.2 Bases teóricas 4
1.2.1 Energía solar. 4
1.2.2 Sistemas fotovoltaicos. 10
1.2.3 Mecanismos de transferencia de calor. 25
1.2.4 Modelamiento de la energía solar. 28
1.2.5 Modelo eléctrico de módulos fotovoltaicos. 34
1.2.6 Modelo matemático térmico dinámico de un panel fotovoltaico. 35
1.3 Marco conceptual 44
CAPITULO II PARTE EXPERIMENTAL
2.1. Equipos y materiales. 46
2.2. Instrumentos 46
2.3. Procedimiento 46
CAPITULO III
TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
3.1 Presentación y análisis de los datos 49
3.1.1 Aspectos descriptivos de las variables 49
3.1.2 Evaluación de la ecuación de la eficiencia la célula fotovoltaica. 51
Ecuación de la eficiencia la célula fotovoltaica 52
3.1.3 Evaluación de la ecuación del coeficiente de transferencia de calor por convección entre la superficie del panel fotovoltaico y el ambiente. 52 3.1.4 Calibración del modelo matemático de la temperatura de un panel
fotovoltaico. 54
3.1.5 Análisis de sensibilidad al modelo matemático de la temperatura de un panel
fotovoltaico. 58
3.1.6 Validación y simulación del modelo matemático de la temperatura de un
panel fotovoltaico. 60
3.2 Prueba de hipótesis 62
3.3 Discusión de resultados 63
CONCLUSIONES 65
RECOMENDACIONES 66
BIBLIOGRAFÍA 67
ANEXOS 69
Anexo A: Fotografías de las experimentaciones 70
Índice de Tablas
Tabla 1. Capacidad calorífica del panel fotovoltaico 44
Tabla 2. Experimentaciones realizadas 48
Tabla 3. Estadísticos descriptivos respecto de la temperatura del panel fotovoltaico 49 Tabla 4. Evaluación de la ecuación de la eficiencia la célula fotovoltaica 52 Tabla 5. Evaluación de la ecuación del coeficiente de transferencia de calor por convección
53 Tabla 6. Calibración de la absortividad del panel fotovoltaico 54 Tabla 7. Calibración de la emisividad de la superficie frontal y posterior del panel
fotovoltaico 55
Tabla 8. Calibración de la capacidad calorífica del panel fotovoltaico 57 Tabla 9. Indicadores de validación o desviación para el modelo matemático de la
temperatura de un panel fotovoltaico 62
Tabla 10. Prueba de muestras independientes respecto al modelo matemático propuesto de
la temperatura de un panel fotovoltaico 63
Índice de Figuras
Figura 1. Horno solar utilizado por Lavoisier en 1774 5
Figura 2. Mapa mundial de energía solar. 7
Figura 3. Diagramas esquemáticos de bandas de energía para materiales típicos. (a) Aislante.
(b) Conductor (metal). (c) Semiconductor. 12
Figura 4. Efecto fotovoltaico. 13
Figura 5. Modelo de célula solar única 15
Figura 6. Diagrama esquemático de un módulo fotovoltaico que consta de ramas paralelas
NPM, cada una con celdas NSM en serie. 16
Figura 7. Diagrama esquemático de una batería. 22
Figura 8. Irradiancia solar para la experimentación N° 1. 50 Figura 9. Velocidad del viento para la experimentación N° 1. 50 Figura 10. Temperaturas e irradiancia solar para la experimentación N° 1. 51 Figura 11. Análisis de sensibilidad de la absortividad del panel fotovoltaico 58 Figura 12. Análisis de sensibilidad de la emisividad de la superficie frontal y posterior del
panel fotovoltaico 59
Figura 13. Análisis de sensibilidad de la capacidad calorífica del panel fotovoltaico 60 Figura 14. Temperatura de un panel fotovoltaico estimado por el modelo matemático
propuesto y experimental (Experimento N° 5). 61
Figura 15. Relación entre el sesgo, temperatura de un panel fotovoltaico estimado y
experimental (Experimento N° 5). 62
Figura 16. Recolector de datos 70
Figura 17. Instalación de los sensores de temperatura 70
Figura 18. Instalación de sensor para la medición de la temperatura ambiente 71
Figura 19. Experimentaciones. 71
Figura 20. Experimentaciones. 72
CAPITULO I
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 1.1 Antecedentes
Torres & Valkealahti (2014) en su investigación presentaron un modelo integrado de simulación térmica y eléctrica para la operación de módulos y cadenas fotovoltaicas (FV).
El modelo térmico dinámico se basa en el balance energético total en el módulo en el que todos los mecanismos de transferencia de calor esenciales entre el módulo y el entorno son modelos teóricos. El modelo eléctrico se basa en el conocido modelo de un diodo y se presenta un método para derivar los parámetros desconocidos de la hoja de datos de información del fabricante. Los parámetros de entrada utilizados por el modelo de simulación integrado son la radiación solar recibida en el plano inclinado de los módulos fotovoltaicos, las radiaciones solares globales y difusas recibidas en el plano horizontal, la velocidad y dirección del viento y la temperatura ambiente. La precisión de las temperaturas pronosticadas del módulo y las curvas completas de potencia-voltaje (P-V) se ha evaluado por medio del error cuadrático medio (RMSET) y el error cuadrático medio normalizado (NRMSEP), respectivamente. Los resultados muestran una buena concordancia entre las temperaturas pronosticadas y medidas del módulo y las curvas P-V. Los valores promedio de RMSET y NRMSEP durante el período de medición fueron 1.34 °C y 1.98%, respectivamente.
Torres & Valkealahti (2013) presentaron un modelo térmico dinámico basado en el balance total de energía en el módulo fotovoltaico. Los principales mecanismos de transferencia de calor entre el módulo y su entorno han sido modelados teóricamente. El modelo se verifica mediante los datos de medición de la planta de investigación de la estación de energía solar fotovoltaica TUT. Se realizó un análisis de sensibilidad sistemático de los parámetros específicos del sitio para ajustar el modelo térmico dinámico.
Proporcionando un enfoque práctico simple para mejorar aún más la precisión del modelo con respecto a los factores ambientales específicos del sitio en forma de análisis de sensibilidad. Las precisiones de la temperatura del módulo fotovoltaico simulado durante el día con respecto a las temperaturas medidas del módulo fueron 1,53; 1,28 y 1,27 °C, respectivamente. El modelo térmico dinámico predijo las temperaturas diurnas del módulo con una precisión promedio de 1,63 °C y la diferencia entre las simulaciones y las temperaturas medidas fueron inferiores a 2 °C durante el 80% del tiempo. El modelo térmico dinámico introducido es el primero de su tipo sin grandes compromisos y, por lo tanto,
proporciona estimaciones precisas para las temperaturas del módulo fotovoltaico en una escala de tiempo de 1 s.
Tsai & Tsai (2012) presentan un nuevo modelo fotovoltaico (PV) integrado que describe simultáneamente las características de la electricidad y la dinámica térmica de un módulo fotovoltaico comercial que fue definido en función de las características térmicas y eléctricas del módulo fotovoltaico comercial disponible en la hoja de datos del fabricante, el modelo fotovoltaico propuesto se implementa en el entorno Simulink y se verifica bajo la condición de prueba estándar (STC) y la temperatura nominal de la celda de operación (NOCT).
Comparando con los resultados del experimento, el modelo propuesto se valida y se demuestra que está de acuerdo con las características de salida de un módulo fotovoltaico comercial. De esta manera, verificaron que la información disponible puede utilizarse aún más para predecir las características de salida de la energía fotovoltaica y para otras aplicaciones de diagnóstico basadas en modelos.
Armstrong & Hurley (2010) buscaron determinar el tiempo de respuesta térmica del panel fotovoltaico, para lo cual proponen un nuevo modelo térmico que incorpora condiciones atmosféricas; efectos de la composición del material del panel fotovoltaico y estructura de montaje, este modelo térmico fue aplicado a tres casos de velocidades de viento variables de 0,77; 2,14 y 5,76 m/s para predecir la constante de tiempo, s, del panel fotovoltaico bajo condiciones atmosféricas variables fueron medidos minuto a minuto de acuerdo a la velocidad del viento, la radiación global, la temperatura de la superficie posterior del panel fotovoltaico y la temperatura ambiente se utilizaron para calcular la pérdida de calor por convección y radiación del panel. De esta manera presentaron un nuevo modelo térmico para predecir el tiempo de respuesta de temperatura de un panel fotovoltaico. El modelo ha sido validado mediante mediciones de un panel fotovoltaico a diferentes velocidades del viento.
El modelo incorpora condiciones atmosféricas, la composición del material del panel fotovoltaico y la estructura de montaje.
Skoplaki & Palyvos (2009) tuvieron como objetivo en un esfuerzo por facilitar el proceso de modelado/diseño en esta área muy prometedora de aplicaciones de energía renovable, para ello discutieron brevemente la importancia de la temperatura de operación de las células/módulos solares para el rendimiento eléctrico de las instalaciones fotovoltaicas basadas en silicio. Proporcionan tabulaciones adecuadas para la mayoría de las correlaciones explícitas e implícitas encontradas en la literatura que vinculan esta temperatura con las variables meteorológicas estándar y las propiedades dependientes del material/sistema.
Llegaron a la conclusión que una variable clave para el proceso de conversión fotovoltaica
es la temperatura de operación de la celda/módulo. Las numerosas correlaciones para Tc que han aparecido en la literatura se aplican a las matrices fotovoltaicas de montaje libre, a los colectores fotovoltaicos/térmicos ya las instalaciones BIPV, respectivamente. Implican variables ambientales básicas y parámetros numéricos que dependen del material o del sistema, por lo que se debe tener cuidado al aplicar una expresión particular para la temperatura de funcionamiento de un módulo fotovoltaico, ya que las ecuaciones disponibles se han desarrollado teniendo en cuenta una geometría de montaje específica o un nivel de integración de edificios.
Skoplaki, Boudouvis & Palyvos (2008) tuvieron como objetivo determinar una simple correlación explícita semi-empírica para la temperatura de la celda fotovoltaica y la eficiencia correspondiente, luego de una breve discusión sobre la temperatura de operación de las celdas/módulos de silicio fotovoltaico (PV) de grado comercial y su efecto sobre el desempeño de las instalaciones fotovoltaicas independientes proponen formas para módulos de montaje arbitrario. Para ello, se introduce un parámetro de montaje sin dimensiones o que hace que las correlaciones sean adecuadas para sistemas como los generadores de paneles fotovoltaicos integrados en el edificio (BIPV). Las correlaciones propuestas ignoran la convección libre, que es pequeña para todas las velocidades del viento, y la radiación, que es importante solo a velocidades del viento de 1 m/s y, por lo tanto, debe usarse para velocidades del viento de 1 m/s. La desviación promedio de los valores de Tc pronosticados del experimento es inferior a 3 ºC sobre el rango de velocidad del viento estudiado, es decir, 1-15 m/s. En el caso de matrices independientes, esta diferencia puede reducirse a aproximadamente 1,6 ºC o 6,5% en el rango de velocidad del viento de 1,2-4 m/s, para valores de irradiancia entre 600 y 1100 W/m2.
Chenni, Makhlouf, Kerbache & Bouzid (2007) investigaron un proceso de modelado que configura un modelo de simulación por computadora, capaz de demostrar las características de salida de la célula en términos de irradiancia y cambios en el ambiente de temperatura.
El método de modelado se basa en los datos de especificación proporcionados en las hojas de datos de los fabricantes, para demostrar la eficiencia del enfoque propuesto. Modelaron y evaluaron tres tipos de módulos solares (película delgada CIS, m-Si y c-Si). La precisión del modelo también se analiza mediante la comparación entre los datos del producto y los resultados de la simulación. La evaluación demuestra la eficiencia de este método de modelado basado en el modelo de cuatro parámetros.
Jones & Underwood (2001) propusieron un modelo térmico para sistemas fotovoltaicos.
El balance energético de las células fotovoltaicas (PV) fueron modeladas en función de las
variables climáticas. Las expresiones teóricas modelan los procesos de transferencia de energía involucrados: radiación de onda corta, radiación de onda larga, convección y producción de energía eléctrica. Encontraron que el modelo combinado está de acuerdo con la respuesta de la temperatura medida del modelo a los cambios transitorios en la irradiancia.
También, que el ajuste más preciso a los datos medidos se obtiene ajustando el valor del coeficiente de convección forzada para la convección del módulo. Los valores ajustados de este coeficiente fueron encontrados dentro del rango predicho en anteriores trabajos. Aunque encuentran que el modelo es exacto dentro de 6 K de los valores de temperatura medidos el 95% del tiempo en condiciones nubosas, la mejor precisión se obtiene en condiciones claras y nubladas cuando la irradiancia está sujeta a una menor fluctuación.
1.2 Bases teóricas 1.2.1 Energía solar.
“La energía solar es la fuente de energía más antigua jamás utilizada. El sol fue adorado por muchas civilizaciones antiguas como un dios poderoso. La primera aplicación práctica conocida fue en el secado para conservar alimentos” (Kalogirou, 2004).
Probablemente la aplicación a gran escala más antigua que conocemos es la quema de la flota romana en la bahía de Siracusa por parte de Arquímedes, el matemático y filósofo griego (287-212 AC). Los científicos discutieron este evento durante siglos.
Desde el 100 AC hasta el 1100 DC, los autores hicieron referencia a este evento, aunque más tarde fue criticado como un mito porque en ese momento no existía tecnología para fabricar espejos (Delyannis, 1967). La pregunta básica era si Arquímedes sabía lo suficiente sobre la ciencia de la óptica para idear una forma sencilla de concentrar la luz solar en un punto en el que los barcos pudieran quemarse desde cierta distancia (Kalogirou, 2014).
Sorprendentemente, las primeras aplicaciones de la energía solar se refieren al uso de colectores concentradores, que son, por su naturaleza (construcción de forma precisa) y el requisito de seguir al sol, más “difíciles” de aplicar. Durante el siglo XVIII, los hornos solares capaces de fundir hierro, cobre y otros metales se estaban construyendo con hierro pulido, lentes de vidrio y espejos. Los hornos se utilizaron en toda Europa y Oriente Medio. Una de las primeras aplicaciones a gran escala fue el horno solar construido por el conocido químico francés Lavoisier, quien, alrededor de 1774, construyó poderosas lentes para concentrar la radiación solar. Esto alcanzó la temperatura notable de 1750 °C. El horno usó una lente de 1,32 m más una lente
secundaria de 0,2 m para obtener dicha temperatura, que resultó ser la máxima alcanzada durante 100 años. Otra aplicación de la utilización de energía solar en este siglo fue llevada a cabo por el naturalista francés Boufon (1747-1748), quien experimentó con varios dispositivos que describió como “espejos calientes que se queman a larga distancia” (Delyannis, 2003).
Figura 1. Horno solar utilizado por Lavoisier en 1774 Fuente: (Kalogirou, 2014)
Más energía de la luz solar golpea la Tierra en 1 hora que toda la energía consumida por los humanos en un año entero. De hecho, el recurso de energía solar empequeñece todos los demás recursos energéticos renovables y basados en fósiles combinados (1).
Con una atención cada vez mayor hacia la producción de energía neutra en carbono, la electricidad solar o la tecnología fotovoltaica (PV) están recibiendo una mayor atención como un enfoque potencialmente generalizado para la producción de energía sostenible (Lewis, 2007).
La disponibilidad de energía barata y abundante con los riesgos ambientales y ecológicos mínimos asociados con su producción y uso es uno de los factores importantes para la mejora deseada en la calidad de vida de las personas. La creciente escasez de combustibles fósiles ha aumentado el interés mundial en el aprovechamiento de la energía solar. La energía solar es un tipo de energía con un gran potencial futuro, aunque en la actualidad cubre solo una pequeña parte de las demandas mundiales de energía (Solangi, Islam, Saidur, Rahim, & Fayaz, 2011).
“Esto se debe a que la energía solar aún se considera el tipo de energía renovable más caro. Sin embargo, en regiones remotas de la Tierra puede muy bien constituir la mejor
solución actual para un suministro de energía descentralizado” (Solangi, Islam, Saidur, Rahim, & Fayaz, 2011).
Muchos observadores de la industria energética consideran que la energía solar es una solución teóricamente elegante pero poco realista a la brecha inminente entre la oferta y la demanda de energía global. Todos están de acuerdo en que la energía limpia, ilimitada y gratuita del cielo parece ideal, pero las consideraciones más prácticas, como el costo relativo y la magnitud de la infraestructura energética actual, parecen condenar la energía solar al estado de seguidor en los próximos años. Otras fuentes de energía, tanto convencionales como renovables (incluidas la eólica, la geotérmica y la biomasa), parecen ser más baratas, más fáciles de implementar y mejor financiadas, y actualmente cuentan con el apoyo popular en los medios de comunicación y los círculos de defensa de las energías renovables. Los rápidos cambios en la industria fotovoltaica, la tecnología y los actores institucionales en la última década han alterado drásticamente la viabilidad económica de la energía fotovoltaica y han transformado fundamentalmente el panorama competitivo de la industria energética. Hoy, la energía solar y la fotovoltaica comprenden una industria global multimillonaria que proporciona energía rentable a millones de personas en todo el mundo en muchos mercados grandes y en crecimiento. Al igual que con la mayoría de las tecnologías, el cálculo de costo-beneficio varía según cada usuario potencial y aplicación, lo que dificulta las generalizaciones simples. Como resultado, el mayor obstáculo restante para la adopción continua de energía solar es la falta de información confiable y actual sobre sus verdaderas características económicas. Este capítulo pone en perspectiva a esta creciente industria global al destacar su historia: sus raíces, sus fuerzas impulsoras y características, el estado actual de su desarrollo y las metodologías para estimar cómo cambiará el costo de producir PV a medida que la industria madure y crezca (Vinoth Kanna & Pinky, 2018).
Figura 2. Mapa mundial de energía solar.
Fuente: (Shah, Mithulananthan, Bansal, & Ramachandaramurthy, 2015) a. Tipos de energía solar.
En términos generales, la energía solar podría usarse para describir cualquier fenómeno creado por fuentes solares y aprovechado en forma de energía, directa o indirectamente, desde la fotosíntesis a la fotovoltaica. Muchos de los ambientalistas de hoy en día usan el término energía solar en su sentido más amplio para incluir ciertas nuevas tecnologías de energía renovable como la energía eólica y la biomasa, argumentando que estas fuentes derivan energía del sol, aunque sea indirectamente. Los usos más conservadores del término, como el que emplea este libro, analizan las fuentes solares directas, ya sean activas, pasivas, térmicas o eléctricas, es decir, fuentes de energía que pueden atribuirse directamente a la luz del sol o la luz solar. Calor que genera la luz del sol. Esta clasificación más restrictiva es útil porque una caracterización más general de la energía solar que incluye el viento y otras tecnologías tiende a ocultar varias tendencias aisladas dentro de la industria más amplia de la energía renovable (Vinoth Kanna & Pinky, 2018).
Muchas tecnologías de energía renovable a veces agrupadas bajo energía solar tienen características económicas muy diferentes, lo que hace difícil sacar conclusiones significativas sobre ellas. Comprender la energía solar directa requiere examinar tres métodos para aprovecharla (Vinoth Kanna & Pinky, 2018):
Pasivo y activo.
La energía solar pasiva requiere un diseño de edificio destinado a capturar el calor y la luz del sol. En el diseño solar pasivo, el calor y la luz no se convierten en otras formas de energía; simplemente se recogen. Esto se hace a través de varios métodos de diseño y construcción. La conceptualización más simple del diseño pasivo de energía solar para la construcción se encuentra en un invernadero, un diseño que permite que la luz solar pase al interior y luego capture el calor que genera para mantener las condiciones de crecimiento durante todo el año. Características solares pasivas, algunas de las cuales se han utilizado en la construcción. La energía solar pasiva es una forma elegante de aprovechar la energía del sol, pero generalmente debe diseñarse en los planos originales del edificio para que sea rentable. Una vez que el diseño de un edificio se ha finalizado con ubicación, orientación y elementos estructurales, a menudo es prohibitivo cambiar o modernizar la instalación para capturar beneficios pasivos adicionales de energía solar.
La energía solar activa se refiere al aprovechamiento de la energía del sol para almacenarla o convertirla para otras aplicaciones. Estas aplicaciones incluyen la captura de calor para el agua caliente que se puede usar para cocinar, limpiar, calentar o purificar; produciendo calor industrial para fundir; o generando electricidad directamente o a través de turbinas de vapor. La característica común es la recolección y redirección activa e intencional de la energía solar.
Térmica y fotovoltaica.
Las aplicaciones térmicas incluyen todos los usos de la energía del sol en mecanismos accionados por calor, como calentar agua o algún otro fluido conductor, cocción solar y secado agrícola u otras aplicaciones industriales de recolección de calor, para procesos tan variados como el tratamiento de agua o la generación de hidrógeno a través de Descomposición del agua. Las aplicaciones térmicas solares más potentes se utilizan para sobrecalentar el agua y convertirla en vapor, que luego se utiliza para alimentar un motor de vapor convencional para la generación de electricidad térmica.
La energía solar fotovoltaica es el estado del arte en la generación activa de electricidad solar. Al capturar la energía fotónica de la luz en materiales de una estructura molecular específica, se produce una corriente eléctrica directa. El efecto fotoeléctrico permite crear una carga eléctrica sobre un sustrato
semiconductor que se ha creado. Dopado con aditivos químicos para crear capas opuestas positivas y negativas. Los fotones de luz solar que golpean esta superficie facilitan que un electrón se mueva desde la capa cargada positivamente hacia la negativa, creando una corriente eléctrica. Este desplazamiento de electrones en la generación de energía fotovoltaica se produce sin la necesidad de mover partes y en proporción a la cantidad de luz que incide sobre la superficie. Las aplicaciones terrestres basadas en material de silicio para células fotovoltaicas a menudo están garantizadas por los fabricantes durante veinticinco años o más, aunque la vida útil esperada es mucho más larga.
Concentrado y no concentrada.
Las aplicaciones solares concentradas usan espejos o lentes para enfocar la luz solar. La concentración puede aumentar significativamente la intensidad de la luz en el área de enfoque, similar a la forma en que una lupa quema un agujero en una hoja. La concentración a escala industrial se puede lograr mediante el método del canal, en el que un canal largo, como el espejo parabólico, enfoca la luz solar a lo largo de una tubería llena de líquido suspendida sobre el espejo.
La concentración a gran escala también se puede crear a través de una serie de espejos de seguimiento solar dispuestos para enfocar la luz solar en un punto central para uso térmico o fotovoltaico. Las matrices de lentes pueden concentrar energía en las células fotovoltaicas, que tienden a funcionar de manera más eficiente (es decir, convertir más luz solar que las golpea en electricidad) cuando la luz es más brillante. Los sistemas de concentración son, por su naturaleza, más complicados de construir y administrar que los sistemas no concentradores y contienen equipos con partes móviles que sufren desgaste y problemas relacionados con el calor significativo generado por ellos. Los sistemas no concentradores, que permiten que la luz del sol caiga sobre sus partes de acumulación de energía sin la concentración de lentes o espejos, suelen ser más sencillos y, por lo tanto, menos costosos de mantener; sin embargo, logran intensidades y temperaturas correspondientemente más bajas. Los sistemas que no se concentran incluyen aquellos que usan la luz solar directa para calentar las tuberías cerradas (como en un sistema de agua caliente doméstica) o en aguas abiertas (como una piscina), así como la mayoría de los paneles PV que se ven comúnmente en los techos de las casas y en señalización e iluminación autónoma.
1.2.2 Sistemas fotovoltaicos.
Los sistemas fotovoltaicos (PV) son dispositivos de estado sólido que convierten la luz solar, la fuente de energía más abundante en el planeta, directamente en electricidad sin la intervención de un motor térmico o equipo rotatorio. El equipo fotovoltaico no tiene partes móviles y, como resultado, requiere un mantenimiento mínimo y tiene una larga vida útil. Genera electricidad sin producir emisiones de efecto invernadero ni ningún otro gas y su funcionamiento es prácticamente silencioso. Los sistemas fotovoltaicos pueden construirse en prácticamente cualquier tamaño, desde milivatios hasta megavatios, son modulares, es decir, se pueden agregar más paneles para aumentar la producción. Los sistemas fotovoltaicos son altamente confiables y requieren poco mantenimiento. También se pueden configurar como sistemas independientes.
Una célula fotovoltaica consta de dos o más capas delgadas de material semiconductor, comúnmente de silicio. Cuando el silicio se expone a la luz, se generan cargas eléctricas; y esto puede ser conducido por contactos de metal como corriente continua.
La salida eléctrica de una sola celda es pequeña, por lo que varias celdas están conectadas y encapsuladas (generalmente cubiertas de vidrio) para formar un módulo (también llamado panel). El panel fotovoltaico es el bloque de construcción principal de un sistema fotovoltaico, y cualquier número de paneles puede conectarse entre sí para obtener la salida eléctrica deseada. Esta estructura modular es una ventaja considerable del sistema fotovoltaico, donde se pueden agregar paneles adicionales a un sistema existente según sea necesario.
Becquerel descubrió el efecto de PV en selenio en 1839. La eficiencia de conversión de las “nuevas” células de silicio, desarrolladas en 1958, fue del 11%, aunque el costo fue prohibitivamente alto (1000 $/W). La primera aplicación práctica de células solares fue en el espacio, donde el costo no era una barrera, ya que no hay otra fuente de energía disponible. La investigación realizada en la década de 1960 dio como resultado el descubrimiento de otros materiales fotovoltaicos como el arseniuro de galio (GaAs).
Estos podrían funcionar a temperaturas más altas que el silicio, pero eran mucho más caros. La capacidad instalada global de energía fotovoltaica a finales de 2011 era de 67 GWp (Photon, 2012). Las celdas fotovoltaicas están hechas de varios semiconductores, que son materiales que solo son conductores de electricidad moderadamente buenos. Los materiales más utilizados son el silicio (Si) y los
compuestos de sulfuro de cadmio (CdS), sulfuro cuproso (Cu2S) y arseniuro de galio (GaAs).
a. Semiconductores.
De acuerdo con la mecánica cuántica, los electrones de un átomo aislado pueden tener solo niveles específicos de energía discreta o cuantificada. En los elementos que tienen electrones en orbitales múltiples, los electrones más internos tienen la energía mínima (máximo negativo) y, por lo tanto, requieren una gran cantidad de energía para superar la atracción del núcleo y liberarse. Cuando los átomos se acercan, la energía electrónica de los átomos individuales se altera y los niveles de energía se agrupan en bandas de energía. En algunas bandas de energía, los electrones pueden existir, y en otras bandas los electrones están prohibidos. Los electrones en la capa más externa son los únicos que interactúan con otros átomos.
Esta es la banda más alta normalmente llena, que corresponde al estado fundamental de los electrones de valencia en un átomo y se denomina banda de valencia. Los electrones en la banda de valencia están ligeramente unidos al núcleo del átomo y, por lo tanto, pueden unirse más fácilmente a un átomo vecino, lo que le da una carga negativa a ese átomo y deja el átomo original como un ion cargado positivo.
Algunos electrones en la banda de valencia pueden poseer mucha energía, lo que les permite saltar a una banda superior. Estos electrones son responsables de la conducción de la electricidad y el calor, y esta banda se denomina banda de conducción. La diferencia en la energía de un electrón en la banda de valencia y la capa más interna de la banda de conducción se denomina brecha de energía.
Los materiales cuya brecha de valencia está llena y cuya banda de conducción está vacía tienen brechas de energía muy altas y se denominan aislantes porque los electrones no pueden transportar corriente en la banda llena y la brecha de energía es tan grande que, en circunstancias normales, un electrón de valencia no puede aceptar energía, ya que los estados vacíos en la banda de conducción son inaccesibles para ella. El espacio entre bandas en estos materiales es superior a 3 eV.
Los materiales que tienen bandas de valencia relativamente vacías y pueden tener algunos electrones en la banda de conducción se denominan conductores. En este caso, la valencia y las bandas de conducción se superponen. Los electrones de valencia pueden aceptar energía de un campo externo y pasar a un estado permitido desocupado a niveles de energía ligeramente más altos dentro de la misma banda.
Los metales se encuentran en esta categoría, y los electrones de valencia en un metal pueden emitirse fácilmente fuera de la estructura atómica y quedar libres para conducir electricidad.
Los materiales con espacios de valencia parcialmente llenos tienen espacios de banda intermedios y se denominan semiconductores. El espacio entre bandas en estos materiales es menor que 3 eV. Tienen la misma estructura de banda que los aisladores, pero su brecha de energía es mucho más estrecha. Los dos tipos de semiconductores son los puros, llamados semiconductores intrínsecos, y los dopados con pequeñas cantidades de impurezas, llamados semiconductores extrínsecos. En los semiconductores intrínsecos, los electrones de valencia pueden excitarse fácilmente por medios térmicos u ópticos y saltar la brecha de energía estrecha hacia la banda de conducción, donde los electrones no tienen enlace atómico y, por lo tanto, pueden moverse libremente a través del cristal.
Figura 3. Diagramas esquemáticos de bandas de energía para materiales típicos. (a) Aislante. (b) Conductor (metal). (c) Semiconductor.
Fuente: (Kalogirou, 2014) b. Efecto fotovoltaico.
Cuando un fotón entra en un material fotovoltaico, puede ser reflejado, absorbido o transmitido. Cuando este fotón es absorbido por un electrón de valencia de un átomo, la energía del electrón aumenta por la cantidad de energía del fotón. Si, ahora, la energía del fotón es mayor que la brecha de energía del semiconductor, el
electrón, que tiene un exceso de energía, saltará a la banda de conducción, donde puede moverse libremente. Por lo tanto, cuando el fotón es absorbido, un electrón se suelta del átomo. El electrón puede eliminarse mediante un campo eléctrico en la parte frontal y posterior del material fotovoltaico, y esto se logra con la ayuda de una unión p-n. En ausencia de un campo, el electrón se recombina con el átomo;
mientras que cuando hay un campo, fluye a través, creando así una corriente. Si la energía del fotón es menor que la del intervalo de banda, el electrón no tendrá suficiente energía para saltar a la banda de conducción, y el exceso de energía se convierte en energía cinética de los electrones, lo que conduce a un aumento de la temperatura. Cabe señalar que, independientemente de la intensidad de la energía del fotón en relación con la energía del intervalo de banda, solo se puede liberar un electrón. Esta es la razón de la baja eficiencia de las células fotovoltaicas (Kalogirou, 2014).
Figura 4. Efecto fotovoltaico.
Fuente: (Kalogirou, 2014)
En la figura anterior de muestra el funcionamiento de una célula fotovoltaica. Estas células solares contienen una unión de un tipo p y un semiconductor de tipo n, es decir, una unión p-n. Hasta cierto punto, los electrones y los agujeros se difunden a través del límite de esta unión, creando un campo eléctrico a través de él. Los electrones libres se generan en la capa n por la acción de los fotones. Cuando los fotones de la luz solar chocan contra la superficie de una célula solar y son absorbidos por el semiconductor, algunos de ellos crean pares de electrones y agujeros. Si estos pares están lo suficientemente cerca de la unión p-n, su campo eléctrico hace que las cargas se separen, los electrones se mueven hacia el lado de
tipo n y los agujeros hacia el lado de tipo p. Si los dos lados de la celda solar ahora están conectados a través de una carga, una corriente eléctrica fluirá mientras la luz solar golpee la celda (Kalogirou, 2014).
El grosor de la capa de tipo n en una celda de silicio cristalina típica es de aproximadamente 0,5 mm, mientras que el de la capa de tipo p es de aproximadamente 0,25 mm. La energía contenida en un fotón, 𝐸𝑝, está dada por:
Ep = h𝑣 Donde:
h = Constante de Planck (6,6625×10–34 J.s) 𝑣 = Frecuencia (s–1)
Una célula fotovoltaica consiste en el material fotovoltaico activo, rejillas metálicas, recubrimientos antirreflectantes y material de soporte. La celda completa está optimizada para maximizar tanto la cantidad de luz solar que entra en la celda como la potencia que sale de la celda. El material fotovoltaico puede ser uno de varios compuestos. Las rejillas metálicas mejoran la colección actual desde la parte frontal y posterior de la célula solar. El recubrimiento antirreflectante se aplica a la parte superior de la celda para maximizar la luz que ingresa a la celda.
Normalmente, este recubrimiento es una capa única optimizada para la luz solar.
Como resultado, las células fotovoltaicas varían en color de negro a azul. En algunos tipos de células fotovoltaicas, la parte superior de la célula está cubierta por un conductor semitransparente que funciona tanto como el colector de corriente como el revestimiento antirreflectante. Una célula fotovoltaica completa es un dispositivo de dos terminales con conductores positivos y negativos (Kalogirou, 2014).
El silicio es un elemento químico abundante que cubre el 25% de la corteza terrestre. Los minerales de silicio son baratos, pero las celdas de silicio aún deben fabricarse individualmente mediante un proceso largo y complicado que incluye purificar el silicio, extraer un cristal largo de un fundido a alta temperatura, cortar el cristal en obleas y diseminar impurezas en las obleas. y aplicando diversos recubrimientos y conductos eléctricos. El trabajo ahora representa casi todo el costo de una célula de silicio. Se espera que las técnicas de fabricación más la automatización del proceso de fabricación reduzcan radicalmente el precio en los próximos años (Kalogirou, 2014).
c. Características de la celda fotovoltaica.
Un generador fotovoltaico fotovoltaico es principalmente un conjunto de células solares, conexiones, piezas de protección y soportes. Como ya se vio, las células solares están hechas de materiales semiconductores, generalmente de silicio, y están especialmente tratadas para formar un campo eléctrico con positivo en un lado (parte posterior) y negativo en el otro lado (cara frontal orientada hacia el sol).
Cuando la energía solar (fotones) golpea la célula solar, los electrones se desprenden de los átomos del material semiconductor, creando pares de electrones y agujeros. Si los conductores eléctricos están unidos a los lados positivo y negativo, formando un circuito eléctrico, los electrones se capturan en forma de corriente eléctrica, llamada fotocorriente, Iph. Como puede entenderse a partir de esta descripción, durante la oscuridad, la célula solar no está activa y funciona como un diodo, es decir, una unión p-n que no produce corriente ni voltaje. Sin embargo, si está conectado a una fuente externa de gran voltaje, genera una ID., llamada diodo o corriente oscura. Una célula solar suele estar representada por un modelo eléctrico equivalente de un diodo (Lorenzo, 1994). Este circuito se puede utilizar para una celda individual, un módulo que consta de varias celdas o una matriz que consta de varios módulos.
Figura 5. Modelo de célula solar única Fuente: (Kalogirou, 2014)
d. Panel fotovoltaico.
Los módulos fotovoltaicos están diseñados para uso en exteriores en condiciones tan duras como ambientes marinos, tropicales, árticos y desérticos. La elección del material fotovoltaicamente activo puede tener efectos importantes en el diseño y el rendimiento del sistema. Tanto la composición del material como su estructura atómica son influyentes. Los materiales fotovoltaicos incluyen silicio, arseniuro de galio, diselenuro de indio y cobre, teluro de cadmio, fosfuro de indio y muchos otros. La estructura atómica de una célula fotovoltaica puede ser un cristal único,
policristalino o amorfo. El material fotovoltaico más comúnmente producido es el silicio cristalino, ya sea de cristal único o policristalino (Kalogirou, 2014).
Las células normalmente se agrupan en módulos, que se encapsulan con diversos materiales para proteger las células y los conectores eléctricos del entorno (Hansen et al., 2000). Como se muestra en la siguiente figura, los módulos de células fotovoltaicas constan de ramas paralelas NPM y cada rama tiene células solares NSM
en serie. En el siguiente análisis, el superíndice M se refiere al módulo fotovoltaico y el superíndice C se refiere a la célula solar. Por lo tanto, el voltaje aplicado en los terminales del módulo se indica por VM, mientras que la corriente total generada se indica por IM.
Figura 6. Diagrama esquemático de un módulo fotovoltaico que consta de ramas paralelas NPM, cada una con celdas NSM en serie.
Fuente: (Kalogirou, 2014)
Se puede obtener un modelo del módulo fotovoltaico reemplazando cada celda. El modelo, desarrollado por Lorenzo (1994), tiene la ventaja de que se puede utilizar aplicando solo los datos estándar proporcionados por el fabricante para los módulos y las celdas.
e. Tipos de tecnología fotovoltaica.
Muchos tipos de células fotovoltaicas están disponibles en la actualidad. Los principales tipos son el silicio cristalino, que representa aproximadamente el 80%
del mercado fotovoltaico; películas delgadas, que se han expandido a alrededor del 20% del mercado; y células de triple unión, que se utilizan en el campo emergente
de concentración de PV. Esta sección proporciona detalles de las tecnologías fotovoltaicas de placa plana comercializadas y una descripción general de las células que se encuentran actualmente en la etapa de investigación y desarrollo.
La elección entre módulos fotovoltaicos cristalinos o de película delgada para un proyecto determinado depende en gran medida del clima y el espacio. Como veremos a continuación, los módulos cristalinos son más eficientes (es decir, dan mayor potencia de potencia por unidad de área de módulo), mientras que los módulos de película delgada tienden a tener un mayor rendimiento (es decir, dan una mayor producción de energía para una potencia nominal determinada) especialmente en Altas temperaturas (RENI, 2012). Asumiendo el mismo precio de módulo ($/W), los módulos cristalinos son adecuados para proyectos con limitaciones de espacio en climas moderados y de película delgada para climas cálidos y abundante espacio.
Células de silicio monocristalinas.
Estas células están hechas de silicio monocristalino puro. En estas células, el silicio tiene una única estructura de red cristalina continua casi sin defectos ni impurezas. La principal ventaja de las células monocristalinas es su alta eficiencia, que suele ser de alrededor de 14-15%. Los módulos premium están disponibles en el mercado con eficiencias de poco más del 20% (RENI, 2012).
Una desventaja de estas células es el complicado proceso de fabricación que conduce a costos relativamente altos, aunque la mayor capacidad de producción de su materia prima ha disminuido notablemente su precio en los últimos años, lo que lo hace (y el silicio multicristalino) más competitivo con los módulos de película delgada. En comparación con las tecnologías de película delgada, la potencia de salida del silicio cristalino disminuye más rápidamente a medida que aumenta la temperatura de la celda, su coeficiente de temperatura es de alrededor de menos 0.4-0.5%/C. Además, la eficiencia del silicio cristalino disminuye algo en condiciones de poca luz, mientras que La eficiencia de los módulos de película delgada permanece aproximadamente constante (Marion, 2008). Siendo relativamente caros, los módulos monocristalinos se usan con mayor frecuencia donde se requiere la mayor potencia posible de un espacio confinado, como los techos residenciales y comerciales.
Células de silicio multicristalino.
Las células multicristalinas, también conocidas como células policristalinas, se producen utilizando numerosos granos de silicio monocristalino. En el proceso de fabricación, el silicio policristalino fundido se moldea en lingotes, que posteriormente se cortan en obleas muy finas y se ensamblan en celdas completas. Las células multicristalinas son más baratas de producir que las monocristalinas debido al proceso de fabricación más simple requerido. Sin embargo, son un poco menos eficientes, con las eficiencias típicas de los módulos en torno al 13-15% (Price y Margolis, 2010) y los productos de gama alta hasta el 17% (RENI, 2010). Comparten el coeficiente de temperatura relativamente alto de las células monocristalinas. Con una larga trayectoria, alta eficiencia y costo moderado, los módulos multicristalinos se usan ampliamente en una amplia variedad de aplicaciones que incluyen arreglos montados en el techo y en el suelo (Kalogirou, 2014).
Silicio amorfo.
A diferencia de las células mono- y multicristalinas, los átomos de silicio en las células de silicio amorfo (a-Si) se disponen en una capa delgada y homogénea.
El silicio amorfo absorbe la luz más efectivamente que el silicio cristalino, lo que conduce a células más delgadas, dando lugar al nombre de fotovoltaica de película delgada.
La eficiencia de los módulos a-Si es de solo 6 a 7% (Price y Margolis, 2010).
Debido a su bajo costo, se aplican en una amplia variedad de sistemas fotovoltaicos; sin embargo, enfrentan una competencia cada vez mayor de otras tecnologías de película delgada con mayor eficiencia (consulte los siguientes dos tipos a continuación). Para aumentar su eficiencia, a-Si se combina cada vez más con capas de silicio multicristalino o una variante, silicio microcristalino. Las propiedades de dichos módulos “híbridos” se encuentran entre el a-Si puro y el silicio cristalino, con eficiencias en torno al 9-10%. Algunos grandes fabricantes de equipos fotovoltaicos han eliminado las líneas de productos puros de a-Si y los han reemplazado con diseños híbridos. Quizás la mayor ventaja de estas células es que el silicio amorfo se puede depositar en una amplia gama de sustratos, tanto rígidos como flexibles. Hoy en día, los paneles hechos de celdas solares de silicio amorfo vienen en una variedad de formas, tales como tejas, que
pueden reemplazar las tejas cerámicas normales en un techo solar (Kalogirou, 2014).
Teluro de cadmio (CdTe).
El mercado fotovoltaico de película delgada fue desarrollado en gran parte por un solo fabricante, First Solar. En 2008, representó el 59% del mercado mundial de películas delgadas (Schreiber, 2009), como resultado del bajo costo (fue la primera compañía en fabricar módulos fotovoltaicos a menos de $ 1 por vatio) y una gran capacidad de producción (Runyon, 2012). Aunque la ventaja de precio de CdTe ha disminuido con la aparición de la producción de silicio cristalino de bajo costo en China, mantiene una presencia considerable en el mercado con un costo de fabricación inferior a $ 0,75/W (Runyon, 2012) y alrededor de 2 GW de capacidad de producción anual.
Al igual que el silicio amorfo, el CdTe es relativamente tolerante al calor (su coeficiente de temperatura es de alrededor de menos 0.25 a 0.35%/C), pero tiene una eficiencia más alta de 10 a 11%. Esta combinación de bajo costo, eficiencia moderada y gran volumen de fabricación ha hecho que CdTe ayude a crear un nuevo mercado para la energía fotovoltaica en los últimos años, el de las plantas de energía solar a escala de servicios públicos. Si bien los módulos CdTe son adecuados para grandes arreglos montados en el suelo para la producción de electricidad comercial, también se implementan en techos comerciales.
Selenuro de galio, indio y galio (CIGS).
La tecnología de película delgada más reciente que se comercializará es la familia CIGS. Al igual que las otras películas delgadas, puede fabricarse a bajo costo y alto volumen en un proceso de fabricación continuo (en oposición a un proceso por lotes). CIGS también es el principal candidato para el desarrollo comercial de módulos que no usan vidrio, lo que los hace flexibles y muy livianos. Sus propiedades eléctricas se encuentran entre el silicio cristalino y el CdTe, con una eficiencia de conversión de alrededor de 10-13% y un coeficiente de temperatura moderada de menos 0,3 a 0,4% /°C.
La eficiencia moderada, el bajo costo y el peso ligero de CIGS hacen que sean ideales para instalaciones en techos, tanto residenciales como comerciales.
También son una tecnología prometedora para productos fotovoltaicos integrados en edificios (BIPV). Se han establecido numerosas empresas para fabricar módulos CIGS en los últimos años (Schreiber, 2009), aunque son
nuevas en el mercado y aún no se han implementado a gran escala de las otras tecnologías mencionadas anteriormente (RENI, 2010).
Termofotovoltaica.
Estos son dispositivos fotovoltaicos que, en lugar de la luz solar, utilizan la región infrarroja de la radiación, es decir, la radiación térmica. Un sistema termofotovoltaico (TPV) completo incluye un combustible, un quemador, un radiador, un mecanismo de recuperación de fotones de onda larga, una célula fotovoltaica y un sistema de recuperación de calor residual (Kazmerski, 1997).
Los dispositivos de TPV convierten la radiación utilizando exactamente los mismos principios que los dispositivos fotovoltaicos, descritos en las secciones anteriores. Las diferencias clave entre la conversión de PV y TPV son las temperaturas de los radiadores y las geometrías del sistema. En una célula solar, la radiación se recibe del sol, que está a una temperatura de aproximadamente 6000 K y una distancia de aproximadamente 150×106 km. Sin embargo, un dispositivo de TPV recibe radiación, ya sea en la banda ancha o estrecha, desde una superficie a una temperatura mucho más baja de aproximadamente 1300- 1800 K y una distancia de solo unos centímetros. Aunque la potencia del cuerpo negro irradiada por una superficie varía en la cuarta potencia de la temperatura absoluta, la dependencia de la ley del cuadrado inverso de la potencia recibida por los detectores domina. Por lo tanto, aunque la potencia recibida por una célula solar no concentradora es del orden de 0.1 W/cm2, la que recibe un convertidor de TPV es probable que sea de 5-30 W/cm2, dependiendo de la temperatura del radiador. En consecuencia, se espera que la salida de densidad de potencia de un convertidor de TPV sea significativamente mayor que la de un convertidor PV sin concentrador. Se pueden encontrar más detalles sobre los TPV en el artículo de Coutts (1999).
En desarrollo se encuentran polímeros y células solares orgánicas. El atractivo de estas tecnologías es que potencialmente ofrecen una producción rápida a bajo costo en comparación con las tecnologías de silicio cristalino, aunque típicamente tienen menores eficiencias, alrededor del 5% (Price y Margolis, 2010), y a pesar de la demostración de vidas operativas y Estabilidades oscuras bajo condiciones inertes durante miles de horas, sufren problemas de estabilidad y degradación. Los materiales orgánicos son atractivos, principalmente debido a la perspectiva de una fabricación de alto rendimiento que utiliza la deposición
de bobina a bobina. Otras características atractivas son las posibilidades de dispositivos ultrafinos y flexibles, que pueden integrarse en aparatos o materiales de construcción, y el ajuste del color a través de la estructura química (Nelson, 2002).
Otro tipo de dispositivo que se está desarrollando es el nano-PV, considerado el PV de tercera generación; La primera generación son las células de silicio cristalino y la segunda generación de películas delgadas. En lugar de materiales conductores y un sustrato de vidrio, las tecnologías nano-fotovoltaicas se basan en el recubrimiento o la mezcla de sustratos de polímeros flexibles y
“imprimibles” con nanomateriales eléctricamente conductores. Se espera que este tipo de energía fotovoltaica esté disponible comercialmente en los próximos años, reduciendo enormemente el costo de las células fotovoltaicas (Kalogirou, 2014).
f. Equipos relacionados.
Los módulos fotovoltaicos pueden montarse en el suelo o en el techo de un edificio o pueden incluirse como parte de la estructura del edificio, generalmente la fachada.
La carga de viento y nieve son consideraciones importantes de diseño. Los módulos fotovoltaicos pueden durar más de 25 años, en cuyo caso las estructuras de soporte y el edificio deben diseñarse durante al menos la misma vida útil. El equipo relacionado incluye baterías, controladores de carga, inversores y rastreadores de potencia máxima.
Baterías.
Se requieren baterías en muchos sistemas fotovoltaicos para suministrar energía durante la noche o cuando el sistema fotovoltaico no puede satisfacer la demanda. La selección del tipo y tamaño de la batería depende principalmente de los requisitos de carga y disponibilidad. Cuando se usan baterías, deben ubicarse en un área sin temperaturas extremas, y el espacio donde se ubican las baterías debe estar adecuadamente ventilado.
Los principales tipos de baterías disponibles en la actualidad incluyen ácido de plomo, níquel cadmio, hidruro de níquel y litio. Las baterías de plomo-ácido de ciclo profundo son las más utilizadas. Estas baterías pueden ser inundadas o reguladas por válvulas y están disponibles comercialmente en una variedad de tamaños. Las baterías inundadas (o húmedas) requieren un mayor
mantenimiento, pero, con el cuidado adecuado, pueden durar más, mientras que las baterías reguladas por válvulas requieren menos mantenimiento.
El principal requisito de las baterías para un sistema fotovoltaico es que deben poder aceptar una carga y descarga profundas y repetidas sin daños. Aunque las baterías fotovoltaicas tienen una apariencia similar a las baterías de automóviles, estas últimas no están diseñadas para descargas profundas repetidas y no deben usarse. Para una mayor capacidad, las baterías se pueden organizar en paralelo.
Las baterías se utilizan principalmente en sistemas fotovoltaicos independientes para almacenar la energía eléctrica producida durante las horas en que el sistema fotovoltaico cubre la carga completamente y hay exceso o cuando hay luz solar pero no se requiere carga. Durante la noche o durante períodos de baja irradiación solar, la batería puede suministrar la energía a la carga. Además, se requieren baterías en dicho sistema debido a la naturaleza fluctuante de la salida del sistema fotovoltaico.
Inversores.
Se utiliza un inversor para convertir la corriente continua en electricidad de corriente alterna. La salida del inversor puede ser monofásica o trifásica. Los inversores se clasifican por la capacidad de potencia total, que va desde cientos de vatios hasta megavatios. Algunos inversores tienen una buena capacidad de sobretensión para arrancar motores, y otros tienen una capacidad limitada de sobretensión. El diseñador debe especificar tanto el tipo como el tamaño de la carga que el inversor está destinado a atender.
Figura 7. Diagrama esquemático de una batería.
Fuente: (Kalogirou, 2014)
La eficiencia de un inversor depende de la fracción de su potencia nominal a la que opera. Un sistema fotovoltaico funciona a alta eficiencia cuando tiene un inversor que opera con una carga lo suficientemente grande como para mantener la eficiencia máxima o es una interconexión de inversores integrados en módulos
