UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS
Para optar el Título Profesional de Ingeniero Químico del Gas Natural y Energía
PRESENTADA POR LAS BACHILLERES:
DE LA CRUZ MONTAÑEZ, JOSMEL WILLIAM BASTIDAS GUZMÁN, YUBICA MARGARITA
HUANCAYO-PERÚ 2020
EVALUACIÓN DE TRES MODELOS MATEMÁTICOS DE LA EFICIENCIA DE UN
PANEL FOTOVOLTAICO
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ASESOR:
Dr. WILDER EFRAÍN EUFRACIO ARIAS
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DEDICATORIA
A Dios por la vida, la salud y las fuerzas que me da para servirle.
A mi mamá Sonia, mi papá Jorge y mi mamita Celestina por apoyarme en todo lo que me he trazado en la vida.
A mis tíos y tías por su apoyo incondicional
William
A Dios por cuidar, proteger y guiarme a mí por el buen camino y darme fuerzas para seguir adelante.
A mis padres Rodolfo y Margarita por su apoyo, comprensión y amor. Me han dado todo lo que soy como persona para poder conseguir mis objetivos.
A mi familia por confiar en mí y gracias por ser parte de mi vida.
Yubica
AGRADECIMIENTO
En primer lugar, agradecemos a Dios por darnos salud, fuerza, guiarnos en esta vida y la motivación suficiente para culminar este gran paso para nuestro desarrollo profesional.
A la facultad de Ingeniería Química y a los catedráticos que forman parte de ella, por los conocimientos impartidos durante nuestra estadía en la universidad.
A nuestro asesor de tesis el Dr. Wilder Efraín Eufracio Arias por su paciencia y su apoyo en el desarrollo de este trabajo de investigación. A nuestros familiares, por su comprensión, apoyo y ser el soporte emocional a lo largo de nuestra vida.
A todos ellos gracias por habernos brindado parte de su incondicional tiempo.
William y Yubica
RESUMEN
El potencial de la energía solar es tal que puede satisfacer el requerimiento de energía del mundo, queda pendiente el desarrollo de tecnologías para su aprovechamiento. Aprovechar esta energía con paneles fotovoltaicos es factible, pero es necesario diseñar correctamente estos sistemas y ello involucra modelos matemáticos validados de la temperatura y eficiencia del panel. Por lo cual se evaluó sietes modelos matemáticos empíricos de la eficiencia de un panel fotovoltaico a las condiciones de la región que requieren la medición de la temperatura del panel e irradiancia solar. Para las estimaciones de las correlaciones y comparaciones con lo experimental se utilizó el lenguaje de programación Matlab.
En las experimentaciones se utilizó un panel fotovoltaico de 200 W al cual se conectó una resistencia (reóstato) de 10 Ω. Fueron 9 días de experimentos (1854 mediciones) y se consideró tres condiciones de radiación solar: día soleado, parcialmente nublado y nublado.
La evaluación experimental se centró en las correlaciones de Evans &
Florschuetz (1977), Anis et al. (1983) y Gaglia et al. (2017), la eficiencia promedio estimada por el modelo matemático de Evans & Florschuetz (1977), Anis et al.
(1983) y Gaglia et al. (2017) son 8.84%, 8.84% y 8.03%, y el experimental es 8.63%, para un día soleado. Por lo cual se concluye que los modelos predicen convenientemente la eficiencia promedio y la instantánea cuando la variación de la irradiancia solar no es brusca. Esta condición es predecible por modelos matemáticos y se considera para el diseño y optimización de estos sistemas. La estimación de la eficiencia no es confiable para un día parcialmente nublado y nublado.
INTRODUCCIÓN
La energía es fundamental para el ser humano y su requerimiento cada vez es mayor por el mismo desarrollo y progreso. Así “la electricidad es una parte muy importante de la vida moderna. La demanda de electricidad aumenta día a día ya que la mayoría de los equipos dependen de la electricidad para su funcionamiento (Diner, 2011)” (Srivastava, Tiwari, & Giri, 2020). Frente a ello, la generación de energía eléctrica con paneles fotovoltaicos es viable porque se aprovecha la energía solar que es renovable, disponible, limpia, no se contamina el ambiente y es la energía más potencial de ser utilizado en el futuro.
La eficiencia de los módulos o paneles fotovoltaicos juegan un papel central en el proceso de diseño, control y optimización para las diversas aplicaciones, porque el voltaje e intensidad de corriente y, por consiguiente, la potencia de salida disminuye con el incremento de la temperatura del módulo y con ello la eficiencia.
En la literatura existen diversos modelos matemáticos empíricos para la estimación de la eficiencia de un panel fotovoltaico, con menor o mayor error entre el estimado y el experimental, a diversas condiciones ambientales, de experimentación y para diferentes lugares del mundo. Por lo cual en la investigación se evaluó tres modelos matemáticos empíricos de la eficiencia de un panel fotovoltaico a las condiciones de la región, para ello se evaluó la eficiencia en función a la condición de la radiación solar y se determinó las medidas de desviación que mide el grado de predicción de los modelos matemáticos.
El informe presente preliminarmente el resumen e introducción, luego en el primer capítulo desarrolla la revisión bibliográfica (antecedentes, bases teóricas y marco conceptual). En el segundo capítulo se presenta los materiales, instrumentos y procedimiento de las experimentaciones y en el último capítulo se incluye el tratamiento de datos y discusión de resultados de la investigación. Finalmente, se presentan las conclusiones, recomendaciones, bibliografía y anexos.
OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL
Evaluar tres modelos matemáticos empíricos de la eficiencia de un panel fotovoltaico a las condiciones de la región.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Evaluar la eficiencia de un panel fotovoltaico en función a la condición de la radiación solar
Determinar las medidas de desviación: Coeficiente de Determinación del Modelo, Coeficiente de Error y Desviación Cuadrática Media respecto a los tres modelos matemáticos empíricos.
SIMBOLOGÍA
RES = Renewable Energy Source (Fuentes de energía renovables)
FV = Fotovoltaica PV = Fotovoltaica
FPV = Energía fotovoltaica flotante m-Si = Célula de silicio multicristalino a-Si = Célula de silicio amorfo
p-Si = Célula de silicio policristalino mono-Si = Celda de silicio monocristalino PSC = Células solares de perovskita
STC = Standard test conditions (condiciones de prueba estándar)
β = Ángulo de inclinación °
Tc = Temperatura de la célula solar °C o K
Quad = Unidad de energía equivalente a 1.055 × 1018 J J
Sd = Densidad de flujo solar W/m2
L = Luminosidad solar W
d = Distancia media de la Tierra al Sol m
S = Constante solar (1367 W/m2) W/m2
IL = Corriente generada por fotones A
Rs = Resistencia en serie que representa las pérdidas
debidas a los contactos y conexiones Ω
Rsh = Resistencia en paralelo de derivación Ω
Isc = Corriente de cortocircuito A
Voc = Voltaje de circuito abierto V
Ropt = Valor óptimo de resistencia de carga Ω
Id = Corriente del diodo A
IL = Corriente generada por la luz A
np = Número de celdas conectadas en paralelo adimensional
Vd = Voltaje del diodo V
Ad = Constante de idealidad del diodo adimensional
Ios = Corriente de saturación inversa A
q = Carga de electrones (1.60217×10–19 C) C
k = Constante de Boltzmann (1.38×10–23 J/K) J/K ns = Número de células conectadas en serie adimensional
Icell = Corriente de la célula solar A
Rs = Resistencia en serie Ω
T = Temperatura de la celda K
V = Voltaje de salida del módulo V
I0 = Corriente de saturación inversa A
n = Factor de idealidad adimensional
Vmp = Voltaje generado donde la potencia es máxima V Imp = Corriente generado donde la potencia es máxima A
V = Voltaje generado en un instante t V
I = Corriente generado en un instante t A
FF = Factor de relleno adimensional
Pin = Potencia incidente dependiendo del espectro de
luz incidente en la celda PV W
η = Eficiencia del módulo fotovoltaico adimensional
G = Irradiancia solar en el instante t W/m2
AFV = Área de incidencia de la irradiancia solar del
módulo fotovoltaico m2
ηFV = Eficiencia instantánea del módulo fotovoltaico % Ns = Número de células solares que se conectan en
serie adimensional
Np = Número de células solares que se conectan en
paralelas adimensional
Edc = Energía producida por un sistema FV durante un
período de tiempo determinado kWh
A = Área de incidencia de la irradiancia solar del
módulo fotovoltaico m2
H = Irradiancia solar total que alcanza el colector kWh/m2 η = Eficiencia del panel fotovoltaico adimensional
ηTref = Eficiencia eléctrica del módulo a Tref y una
radiación solar de 1000 W/m2 adimensional ηnom = Eficiencia del panel fotovoltaico (adimensional) adimensional βref = Coeficiente de eficiencia de temperatura °C–1
T = Temperatura del panel fotovoltaico °C
Tc = Temperatura del panel fotovoltaico °C
Tpv = Temperatura del panel fotovoltaico °C
Tref = Temperatura de la celda de referencia °C
γ = Coeficiente de radiación solar m2/W
I(t) = Irradiancia solar en la superficie del panel
fotovoltaico W/m2
C = Coeficiente de Error adimensional
CD = Coeficiente de Determinación del Modelo adimensional
EA = Error Absoluto °C
ER = Error Relativo %
RMSD = Desviación Cuadrática Media adimensional
RS = Irradiancia solar en la superficie del panel
fotovoltaico W/m2
ηexp = Eficiencia experimental del panel fotovoltaico % ηest = Eficiencia estimado del panel fotovoltaico %
ÍNDICE
ASESOR ... ii
DEDICATORIA ... iii
AGRADECIMIENTO ... iv
RESUMEN ... v
INTRODUCCIÓN ... vi
OBJETIVOS ... vii
OBJETIVO GENERAL ... vii
OBJETIVOS ESPECIFICOS ... vii
SIMBOLOGÍA ... viii
ÍNDICE ... xi
INDICE DE TABLAS ... xiv
INDICE DE FIGURAS ... xv
CAPITULO I REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 1.1. Antecedentes ... 17
1.2. Bases Teóricas ... 19
1.2.1. Tendencias y perspectivas futuras de la energía. ... 19
1.2.2. Energía Solar. ... 28
1.2.3. Radiación solar. ... 30
a) Espectro solar. 34 b) Tipos de radiación solar. 35 1.2.4. Células solares. ... 36
a) Materiales de las células solares. 38 1.2.5. Clasificación de las células solares. ... 41
a) Primera generación de células solares. 44 b) Segunda generación de células solares. 46 c) Tercera generación de las células solares. 47 d) Cuarta generación de las células solares. 47 1.2.6. Paneles solares o fotovoltaicos. ... 48
1.2.7. Rendimiento (eficiencia) de sistemas fotovoltaicas. ... 58
a) Razón de rendimiento. 60
b) Material del panel fotovoltaico. 61 c) Ángulo de inclinación del panel fotovoltaico y posición. 63
1.2.8. Sistemas fotovoltaicos independientes o conectados a red. ... 64
a) Sistemas fotovoltaicos independientes. 64 b) Sistemas conectados a la red. 66 1.2.9. Modelamiento matemático. ... 67
a) Modelos matemáticos. 67 1.2.10. Modelos matemáticos empíricos de la eficiencia de un panel fotovoltaico considerados en la investigación ... 69
1. Modelo matemático de Evans & Florschuetz (1977). 69 2. Modelo matemático de Notton et al. (2005). 69 3. Modelo matemático de Anis et al. (1983). 69 4. Modelo matemático de Ravindra & Srivastava (1979). 69 5. Modelo matemático de Yamaguchi et al. (2003). 69 6. Modelo matemático de Gaglia, Lykoudis, Argiriou, Balaras, & Dialynas (2017). 70 7. Modelo matemático de Kaldellis et al. (2014). 70 1.3. Marco Conceptual ... 70
CAPITULO II PARTE EXPERIMENTAL 2.1. Materiales ... 72
2.2. Equipos e instrumentos ... 73
2.3. Procedimiento ... 74
2.3.1 Procedimiento de la investigación. ... 74
2.3.2 Procedimiento de recolección de datos. ... 75
CAPITULO III TRATAMIENTO DE DATOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 3.1 Presentación, análisis e interpretación de los datos ... 77
3.1.1 Mediciones y estadísticos descriptivos de la eficiencia del panel fotovoltaico. ... 77
3.1.2 Estimación de la eficiencia de referencia de la celda y coeficiente de eficiencia de temperatura del panel fotovoltaico. ... 81
a) Eficiencia de referencia de la celda (ηTref). 81 b) Coeficiente de eficiencia de temperatura (βTref). 83 c) Coeficiente γ del modelo matemático de Notton et al. (2005) 84 d) Coeficiente a2 del modelo matemático de Anis et al. (1983). 85 3.1.3 Estimación de la eficiencia del panel fotovoltaico con los modelos
matemáticos empíricos ... 86
3.1.4 Medidas de desviación respecto a los modelos matemáticos empíricos .... 89
3.2 Proceso de la prueba de hipótesis ... 90
3.3 Discusión de resultados ... 92
CONCLUSIONES ... 97
RECOMENDACIONES ... 98
BIBLIOGRAFÍA ... 99
ANEXOS ... 104
Anexo A: Diagrama de la parte experimental ... 105
Anexo B: Pantallas del programa ... 106
Anexo C: Especificaciones del solarímetro SL100 ... 108
INDICE DE TABLAS
Tabla 1. Instalación fotovoltaica (en MWp) para los principales países y pronóstico
para 2023 23
Tabla 2. Características de los módulos solares fotovoltaicos 58 Tabla 3. Características típicas de módulos fotovoltaicos comerciales 58 Tabla 4. Características principales del solarímetro 74
Tabla 5. Datos de las experimentaciones 76
Tabla 6. Promedios de las mediciones y eficiencia del panel fotovoltaico 80 Tabla 7. Coeficientes de correlación de eficiencia de FV de la ecuación de Evans y
Florschuetz (1977) 81
Tabla 8. Evaluación de ηTref con las medidas de desviación 82 Tabla 9. Evaluación de βTref con las medidas de desviación 83 Tabla 10. Evaluación de βTref con las medidas de desviación 84 Tabla 11. Evaluación de a2 con las medidas de desviación 85 Tabla 12. Eficiencia del panel fotovoltaico experimental y estimada con los
modelos matemáticos empíricos 86
Tabla 13. Eficiencia del panel fotovoltaico experimental y estimada con los modelos matemáticos empíricos en función con la condición de la radiación solar
87 Tabla 14. Medidas de desviación respecto a la eficiencia del panel fotovoltaico para
un día claro o soleado y los modelos matemáticos 89
Tabla 15. Medidas de desviación respecto a la eficiencia del panel fotovoltaico para un día parcialmente nublado y los modelos matemáticos 89 Tabla 16. Medidas de desviación respecto a la eficiencia del panel fotovoltaico para
un día nublado y los modelos matemáticos 90
Tabla 17. Medidas de desviación respecto a la eficiencia del panel fotovoltaico y
los modelos matemáticos 90
Tabla 18. Prueba de muestras independientes para la eficiencia experimental y
estimada por los modelos matemáticos empíricos 91
INDICE DE FIGURAS
Figura 1. Generación mundial de electricidad por fuente. Escala en PWh/año (1000
TWh/año) 22
Figura 2. Velocidad de crecimiento del sector energético de fuentes de energía renovables hasta 2030. El valor de la energía fotovoltaica flotante (FPV) se ha
calculado utilizando los últimos 10 años 24
Figura 3. Tendencia logarítmica de las principales contribuciones a la producción de electricidad. FPV, flotante fotovoltaica; FV, fotovoltaica 25
Figura 4. Distribución del espectro solar 34
Figura 5. Efecto fotovoltaico en las células fotovoltaicas 37 Figura 6. Representación esquemática de las generaciones de la tecnología de las
células solares (Amu, 2014) 41
Figura 7. Clasificación de la tecnología fotovoltaica (Amu, 2014) 48
Figura 8. Diagrama de circuito del modelo FV 50
Figura 9. Características I-V de la célula solar con línea de carga 51 Figura 10. Modelo de circuito del módulo fotovoltaico 56 Figura 11. Celdas fotovoltaicas, módulos, paneles y matriz 57 Figura 12. Dependencia de la temperatura de la correlación de eficiencia
fotovoltaica (FV) 60
Figura 13. Material FV vs. razón de rendimiento 63
Figura 14. Sistemas solares fotovoltaicos domésticos para cargas DC 66 Figura 15. Sistemas solares fotovoltaicos domésticos para cargas AC 66 Figura 16. Sistemas solares fotovoltaicos básico conectada a red 67 Figura 17. Vista frontal del panel fotovoltaico de 200 W 72 Figura 18. Vista posterior del panel fotovoltaico de 200 W 73 Figura 19. Especificaciones técnicas del panel fotovoltaico de 200 W 73 Figura 20. Irradiancia solar para un día claro o soleado 77 Figura 21. Temperatura del panel fotovoltaico para un día claro o soleado 78 Figura 22. Irradiancia solar para un día parcialmente nublado 78 Figura 23. Temperatura del panel fotovoltaico para un día parcialmente nublado 79
Figura 24. Irradiancia solar para un día nublado 79
Figura 25. Temperatura del panel fotovoltaico para un día nublado 80
Figura 26. Eficiencia del panel fotovoltaico para un día claro o soleado 87 Figura 27. Eficiencia del panel fotovoltaico para un día parcialmente nublado 88 Figura 28. Eficiencia del panel fotovoltaico para un día nublado 88
CAPITULO I
1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 1.1. Antecedentes
Gaglia, Lykoudis, Argiriou, Balaras & Dialynas (2017) evaluaron experimentalmente la eficiencia de energía y características de operación de paneles fotovoltaicos policristalinos en condiciones exteriores reales en una instalación experimental ubicada al norte de Atenas, Grecia. Utilizaron mediciones de los períodos de verano e invierno y varias correlaciones para facilitar la estimación del rendimiento fotovoltaico real con parámetros locales fácilmente disponibles (temperatura ambiente y velocidad del viento). Encontraron que la eficiencia del FV era aproximadamente un 18.1%, que es menor que en condiciones de prueba estándar de laboratorio (STC: irradiancia solar de 1000 W/m2, temperatura de celda de 25 °C y masa de aire AM de 1.5), en condiciones de operación similares. La eficiencia media durante los períodos de verano e invierno varió entre 6.2% y 10.4%, con un valor medio anual de 8.7%, el cual es menor a las de condiciones técnicas de STC (9.58% y 11.31%), porque las condiciones exteriores son significativamente diferentes a las condiciones de STC. Además, concluyen que la temperatura del FV es el parámetro más importante que afecta su eficiencia y, en consecuencia, causa altas variaciones en la potencia de salida real.
Rawat, Kaushik & Lamba (2016) presentan una revisión exhaustiva sobre modelado, metodología de diseño y optimización de tamaño de bombeo de agua basado en energía fotovoltaica, sistema independiente y conectado a la red.
Específicamente presentan ecuaciones de modelado para simular la potencia FV, temperatura de celda, eficiencia FV y estado de carga de la batería. Además, destacan la utilización de estas ecuaciones de modelado para simulaciones, optimización de tamaño técnico-económico y estudios de prefactibilidad de sistemas fotovoltaicos solares. En relación a la investigación, presentan tres correlaciones para estimar la eficiencia del módulo solar fotovoltaico, la primera que es utilizada por Notton, Cristofari, Mattei & Poggi (2005); Tina, Tang & Mahdi (2011); Mattei & Notton (2006); Silva, Nofuentes & Munoz (2010) y Evans (1981).
Las otras dos correlaciones son de Ravindra & Srivastava (1979) y Siegel, Klein &
Beckman (1981). En la publicación no se evalúa estas relaciones matemáticas.
Kaldellis, Kapsali & Kavadias (2014) evaluaron la influencia de la temperatura y velocidad del viento en la eficiencia de instalaciones fotovoltaicas que operan en el sur de Grecia. Evaluaron datos de un año a condiciones reales de operación de dos sistemas fotovoltaicos comerciales (policristalinos), uno integrado en un edificio sin ventilación (Chania-Crete, 81 kWp) y uno montado en rack abierto (Ligourio-Peloponnesus, 150 kWp) con un ángulo de inclinación de 12° y 30°, respectivamente. En los sistemas fotovoltaicos, midieron la temperatura de la superficie del módulo y del ambiente, velocidad del viento, irradiancia solar y la energía eléctrica producida. De los resultados obtenidos, obtuvieron correlaciones de la eficiencia en función de la temperatura de celda para ambos sistemas fotovoltaicos y encontraron negativo el coeficiente de temperatura de eficiencia, con valores absolutos entre 0.30% y 0.45% °C–1, con los valores más bajos correspondientes para el sistema ventilado, por lo que demuestran la importancia de adoptar medidas de enfriamiento.
Dubey, Sarvaiya & Seshadri (2013) presentan una revision de diferentes correlaciones de la eficiencia fotovoltaica (FV) dependiente de la temperatura y su efecto en la producción FV en el mundo. Destacan que la eficiencia eléctrica y la potencia de salida de un módulo fotovoltaico dependen linealmente de la temperatura de operación y la relación es inversa. Las correlaciones de la literatura que detallan se aplican a conjuntos fotovoltaicos montados libremente, a colectores fotovoltaicos/térmicos y a instalaciones BIPV, y se caracterizan que implican variables ambientales básicas, y que los parámetros numéricos no solo dependen del material sino también del sistema. Por lo tanto, se debe tener cuidado al aplicar una expresión particular para la eficiencia de un módulo fotovoltaico porque las ecuaciones disponibles se han desarrollado teniendo en cuenta una geometría de montaje específica o un nivel de integración del edificio. En la investigación muestran datos experimentales.
Skoplaki & Palyvos (2009) presentan una revisión de correlaciones de eficiencia y potencia y su dependencia con la temperatura del módulo fotovoltaico basados en silicio de grado comercial. Proporcionan tabulaciones adecuadas para la mayoría de las formas algebraicas conocidas que expresan la dependencia de la temperatura de la eficiencia eléctrica solar y, de manera equivalente, la energía eléctrica
producida. Estas correlaciones pueden ser utilizados para cualquier sistema que involucra módulos fotovoltaicos. Finalmente, discuten brevemente los aspectos térmicos de los principales métodos de clasificación de potencia/energía.
Durisch et al. (2007) propusieron un nuevo método para el cálculo de eficiencia anual para módulos fotovoltaicos y demostraron su aplicación a la estimación del rendimiento energético. Para lo cual utilizaron datos meteorológicos específicos y mediciones de la temperatura de la celda solar, irradiancia solar y masa relativa de aire, los experimentos lo realizaron en las instalaciones de prueba del Instituto Paul Scherrer (Suiza) en condiciones reales de operación. Estos rendimientos son indispensables para calcular el costo esperado de la generación de electricidad para diferentes módulos, lo que permite seleccionar el tipo de módulo con la relación rendimiento/costo más alto para un sitio de instalación específico. A partir del modelo, las eficiencias de las celdas y los módulos se pueden calcular en todas las condiciones operativas. Realizaron cálculos de rendimiento para cinco módulos comerciales: BP Solar BP 585 F (mono-Si), Kyocera LA361K54S (p-Si), Uni-Solar UPM-US-30 (a-Si), Siemens CIS ST40 (CuInSe2) y Wuerth WS11003 (CuInSe2) para un sitio soleado en Jordania (Al Qawairah) para el cual utilizaron datos meteorológicos confiables y la eficiencia anual de los módulos fueron 11.6%, 9.57%, 5.98%, 8.94% y 9.51%, respectivamente. Estos representan módulos fotovoltaicos de silicio monocristalino, policristalino y amorfo, así como de diselenuro de cobre-indio, por lo que demostraron que el modelo se puede aplicar para módulos fabricados con diferentes materiales.
1.2. Bases Teóricas
1.2.1. Tendencias y perspectivas futuras de la energía.
El consumo de combustibles fósiles convencionales está aumentando y la contaminación climática se exacerba debido a la proliferación de la globalización económica y la modernización industrial. Según la perspectiva de datos de la Administración de Información Energética (EIA) de EE. UU., Se espera que la utilización de energía renovable aumente en promedio 2.6%
anualmente de 2012 a 2040 (Gruenspecht, 2010). También se prevé que la proporción de energía renovable aumente entre un 14% y un 22% (EIA US, 2016) a nivel mundial hasta 2035 y 2040, respectivamente, impulsada por las
políticas nacionales de energía en todo el mundo. (Pang, Cui, Zhang, Wilson,
& Yan, 2020)
La energía es básica para la vida humana y su utilización se está expandiendo con el progreso humano y la mejora industrial (BP Statistical Review of Energy, 2019) (…). Basado en el registro de las perspectivas internacionales de energía (IEO) (Administración de Información de Energía de EE. UU., 2009), la administración de información de energía (EIA) proyecta que la demanda de energía a nivel mundial aumentará en un 44% de 2006 a 2030, donde el uso de energía mundial aumento de 472 billones de Btu, o Quads, en 2006 a 678 Quads en 2030 a una tasa media anual de 1.8%. La recolección de energía, específicamente de la luz solar, se percibe progresivamente como un segmento básico sin límites en la creación de energía en todo el mundo.
La disminución de la accesibilidad de las fuentes de combustibles fósiles y el reconocimiento de los impactos negativos a largo plazo de la descarga de CO2
en el medio ambiente están impulsando la exploración de activos de energía renovable (Serrano et al., 2009). Según lo indicado por el Departamento de Energía de EE.UU., la energía luminosa que llega a la tierra en 60 minutos (aproximadamente 120000 TWh) es mayor que la energía que utilizamos dentro de un año (~15 TWh) (Administración de información energética de EE. UU., 2006). La energía que llega a la tierra podría cambiar la gestión energética general. En consecuencia, aprovechar la energía solar es una opción atractiva y presenta una de las mejores opciones para atender la necesidad de energía de una manera limpia y sostenible. (Olaleru, Kirui, Wamwangi, Roro, & Mwakikunga, 2020)
La electricidad es una parte muy importante de la vida moderna. La demanda de electricidad aumenta día a día ya que la mayoría de los equipos dependen de la electricidad para su funcionamiento (Diner, 2011). Según el informe de International Energy Outlook, 2016, la demanda de electricidad aumentará en un 48% en los próximos 25 años (Gaede y Meadowcroft, 2016), (Kannan y Vakeesan, 2016). El aprovechamiento continuo de la energía de los recursos convencionales los llevó al borde del agotamiento, estas fuentes producen alrededor del 65% de la electricidad (Gaede y Meadowcroft, 2016), (Kannan
y Vakeesan, 2016). Tales condiciones son la fuerza impulsora en la dirección de fuentes de energía renovables y sostenibles.
La energía solar es la energía más prometedora y puede satisfacer la demanda de electricidad de todo el mundo (El Chaar, Lamont y El Zein, 2011). La energía solar se puede transformar en electricidad mediante dos tecnologías:
el sistema de concentración de energía solar y el sistema solar fotovoltaico (PV) (Liu et al., 2016). En el sistema de concentración de energía solar, la radiación solar se concentra en un fluido para aumentar su temperatura y hace funcionar una turbina; la turbina le da la energía mecánica al generador para producir electricidad (Solangi, Islam, Saidur, Rahim y Fayaz, 2011). En el sistema fotovoltaico, la luz solar incide en el panel fotovoltaico y convierte la energía fotónica en electricidad (Khare, Nema y Baredar, 2016). En el sistema fotovoltaico, el costo del panel fotovoltaico está más en el costo del sistema completo. El costo del panel fotovoltaico está disminuyendo día a día debido a los avances en la tecnología de fabricación fotovoltaica (Olatomiwa, Mekhilef, Ismail y Moghavvemi, 2016), (Hartner, Mayr, Kollmann y Haas, 2017). Según el estudio, para 2022, el sistema fotovoltaico alcanzará la paridad de la red en la mayoría de los países del mundo (Breyer y Gerlach, 2013). Significa que para 2022, el sistema solar fotovoltaico será económicamente competitivo con las otras fuentes de electricidad y el costo de la electricidad producida por el sistema fotovoltaico será igual al costo de la electricidad por otras fuentes. (Srivastava, Tiwari, & Giri, 2020)
La contribución a la producción mundial total de energía eléctrica se da en TWh por año (…). En la figura siguiente se presenta la generación mundial de electricidad:
Figura 1. Generación mundial de electricidad por fuente. Escala en PWh/año (1000 TWh/año)
Fuente: (Rosa-Clot & Tina, 2020)
Este comportamiento es generalmente aceptado por otros centros de investigación y puede resumirse, en lo que respecta a las fuentes de energía renovables (RES, Renewable Energy Source), en la tabla siguiente para la velocidad de crecimiento del sector (Sharma, 2016). Estos valores se han obtenido mediante la extrapolación del crecimiento exponencial de los cinco sectores en los últimos 5 años, y podemos suponer que este crecimiento durará en el próximo futuro durante 5 a 10 años. (Rosa-Clot & Tina, 2020)
Tabla 1
Instalación fotovoltaica (en MWp) para los principales países y pronóstico para 2023
Pais 2018
(MWp)
2023 (MWp)
Crecimiento (%)
China 175.131 448.131 21
India 27.347 116.106 34
Estados Unidos 62.127 132.426 16
Australia 12.560 45.236 29
Alemania 45.920 72.611 10
Japón 55.851 82.351 8
España 5.915 23.367 32
Corea del Sur 7.742 24.768 26
Países Bajos 4.181 20.059 37
México 3.580 19.010 40
Francia 8.920 22.259 20
Arabia Saudita 19 11.412 260
Brasil 2.346 12.505 40
Italia 19.877 29.498 8
Taiwan 2.739 12.074 35
Pakistán 1.720 8.381 37
Ucrania 2.004 7.963 32
Turquía 5.062 10.562 16
UAE 720 6.132 53
Egipto 661 5.023 50
Total 444.422 1.109.874 20
Fuente: (Rosa-Clot & Tina, 2020)
Por supuesto, esto no puede ser cierto para sectores con un aumento anual muy alto, como el sector fotovoltaico flotante. En realidad, aplicando la velocidad de crecimiento del 133% deberíamos producir en 2030 toda la energía eléctrica por FPV, lo cual no es real.
Por lo tanto, algunos de los valores citados en la figura siguiente cambian de un centro de investigación a otro, pero una comparación con otros pronósticos muestra cambios solo en el segundo dígito de los valores citados.
Figura 2. Velocidad de crecimiento del sector energético de fuentes de energía renovables hasta 2030. El valor de la energía fotovoltaica flotante (FPV) se ha calculado utilizando los últimos 10 años
Fuente: (Rosa-Clot & Tina, 2020)
Se requiere un cuidado especial para el sector fotovoltaico donde la velocidad de crecimiento muy fuerte es cuestionable. En particular, Solar Power Europe (Hemetsberger & Schmela, 2019) ofrece un análisis detallado, pero no completo, (…) sugiere un crecimiento más limitado para el sector fotovoltaico.
Para desarrollar el análisis, asumiremos la velocidad de crecimiento que se muestra en la figura anterior con una corrección para el crecimiento de PV que se supondrá que es del 25% anual (…).
Recolectando estos resultados y series históricas hasta 2018, trazamos el comportamiento de la producción de energía eléctrica para el sector en la
siguiente figura; Los resultados se dan en TWh y la energía eléctrica total producida viene dada por la línea negra.
Figura 3. Tendencia logarítmica de las principales contribuciones a la producción de electricidad. FPV, flotante fotovoltaica; FV, fotovoltaica
Fuente: (Rosa-Clot & Tina, 2020)
Debido al aumento exponencial generalizado de todas las cantidades bajo análisis, la gráfica logarítmica es obligatoria. Además, el análisis se detuvo hasta 2030 ya que los pronósticos a más largo plazo se ven afectados por factores exógenos demasiado fuertes que no podrían estar fuera de control.
• El valor de FPV se ha calculado utilizando los valores de los últimos 10 años y extrapolando con la misma velocidad de crecimiento. Para comparar la producción de energía, se ha asumido un valor promedio de 1200 kWh/año/kWp.
• El sector FPV es crítico. Una simple extrapolación de la tendencia de los últimos 5 años generaría resultados de pronóstico claramente insostenibles, y por esta razón se ha asumido una segunda línea de puntos con una velocidad de crecimiento menor del 120%.
La figura pone en evidencia el rápido aumento del sector fotovoltaico que se acercará a la producción de energía del sector eólico en el 2025 y lo superará en el 2028.
Las razones de este adelantamiento son simples: la energía solar, gracias a la dramática caída de costos de los módulos e inversores fotovoltaicos, es muy barata y muy fácil de instalar en desacuerdo con la hidroeléctrica, lo que requiere grandes estructuras y tiene un impacto muy fuerte en el medio ambiente.
Las dos tecnologías competidoras, eólica y biocombustible, tienen una velocidad de crecimiento limitada por dos razones: el viento requiere un mantenimiento mecánico bastante complejo, mientras que el sector muy importante de bioenergía todavía está buscando la solución óptima y está intrínsecamente limitado por los desechos. eliminación de material orgánico combustible. El límite principal de las tecnologías fotovoltaicas es la disponibilidad de tierra, y este problema parece resolverse con las tecnologías FPV.
Algunos factores funcionan a favor y otros en contra de este comportamiento.
A favor de este rápido aumento, hay algunos elementos:
1. La mejora de la tecnología, que será más robusta y costará menos. En realidad, incluso si es simple, y con un umbral de entrada bajo, la tecnología FPV está en sus comienzos, y creemos que están en progreso importantes reducciones del precio de la balsa y del costo logístico.
2. La comprensión por parte de los operadores de energía y del mercado de que la integración con las centrales hidroeléctricas es muy ventajosa (y esto quizás podría orientar de manera diferente las inversiones en este sector, reduciendo ligeramente la velocidad de crecimiento del sector hidroeléctrico).
3. La penetración de la tecnología en el área ecuatorial y el precio muy bajo de los kWh producidos en estas regiones (menos de 3 centavos de dólar) ayudarán a los países emergentes en su desarrollo y
ofrecerán la oportunidad de controlar los recursos naturales con impacto ambiental mínimo.
4. La extensión de la tecnología a cerca de la costa y a aguas poco profundas saladas multiplicará aún más las posibilidades de instalación de estos sistemas de energía.
Estos elementos que favorecen un fuerte aumento del sector FPV se contrastan con dos condiciones de frontera:
1. Los recursos limitantes y la producción global fotovoltaica limitada.
Una expansión del sector FPV interferirá fuertemente con el desarrollo del propio sector FV, incrementándolo de alguna manera, pero con una restricción debido a la capacidad total del mercado para suministrar los recursos técnicos y económicos necesarios.
2. La necesidad de sistemas de almacenamiento baratos y eficientes, que faltan hasta ahora. En realidad, no debemos olvidar que la energía solar es intermitente y que su disponibilidad rara vez supera las 1500 horas al año. Este es un punto muy débil que solo puede compensarse con un costo muy bajo de la energía almacenada, por debajo de 100
$/kWh.
Dados todos estos elementos, podemos modificar nuestro pronóstico y, en lugar de extrapolar un aumento muy fuerte del sector FPV, introducimos correcciones a esta tendencia.
En primer lugar, asumiremos que la introducción de FPV está sesgada por una restricción general: la contribución de FPV puede influir en todo el mercado fotovoltaico, pero solo hasta cierto punto, lo que limita la fuerte velocidad de crecimiento en un valor de dos dígitos. Al mismo tiempo, la fuerte expansión del FPV reducirá parcialmente la velocidad de crecimiento del sector fotovoltaico estándar.
En segundo lugar, sugerimos que el sector hidroeléctrico desvíe parte de la inversión (10%) en este sector hacia el FPV acoplado al sector hidroeléctrico.
Se pueden ver otras correcciones menores, pero estas están más allá del propósito de este primer análisis global.
Estas correcciones limitan a 227 TWh la energía de FPV producida en el 2025 (189 GWp de potencia instalada para comparar con el pronóstico de 205).
Estos valores deben compararse con el pronóstico de 2788 TWh para el mercado fotovoltaico estándar y sugieren que en 2025 el mercado FPV será aproximadamente el 7% del mercado fotovoltaico completo.
Este comportamiento da una idea global de la evolución del mercado, pero merece un análisis más profundo. (Rosa-Clot & Tina, 2020)
Realizando la corrección de tendencias del pronóstico hasta 2030, son tres fenómenos son importantes que se destacan:
1. La energía producida por el viento y por la planta de energía fotovoltaica será más que la producción de energía hidroeléctrica para el 2028.
2. En el mismo período, la producción de energía fotovoltaica alcanzará la misma que la de viento.
3. El FPV TWh será en el 2030, un 17% de la producción total de energía fotovoltaica.
La dinámica del sector hidroeléctrico se reduce ligeramente debido al desvío de la inversión de capital en las plantas híbridas FPV-HPP, y el sector fotovoltaico tradicional estándar (principalmente plantas con base en tierra y plantas de techo) disminuye debido a la expansión del sector FPV. Juntos, el PV completo (PV estándar + FPV) aumenta su expansión y supera la producción de energía del sector eólico en 2028.
El sector FPV registra una reducción de la velocidad de crecimiento a un valor de dos dígitos (46%) pero sigue siendo el componente más eficiente de las fuentes de energía renovables. (Rosa-Clot & Tina, 2020)
1.2.2. Energía Solar.
El continuo daño ambiental y el uso de combustibles fósiles hacen un importante llamado a la planificación de un modelo energético que satisfaga las necesidades del ser humano y permita cuidar el medio ambiente (Reyes- Caballero, Fernández-Morales & Duarte, 2016). Es por esta razón que las energías renovables han conseguido un papel importante como solución a las deficiencias energéticas y a la problemática ambiental que amenaza el
desarrollo de las principales actividades humanas (Granda- Gutiérrez et al., 2013).
La energía solar es causante de diferentes ciclos naturales que permiten la continuidad de la vida en el planeta Tierra, de los movimientos del agua y del viento, así como del crecimiento de las plantas, debido a esto es considerada como el origen de las fuentes de energía renovable (Marín, 2004). Los sistemas fotovoltaicos convierten la energía solar en energía eléctrica aprovechando el recurso aparentemente inagotable del Sol (Smets, Jäger, Isabella, Van Swaaij, & Zeman, 2016), haciendo del sector fotovoltaico uno de los de mayor crecimiento a nivel mundial (Agency, 2016). (Vera-Dávila, Delgado-Ariza, & Sepúlveda-Mora, 2018)
La energía solar es la energía electromagnética que se libera del Sol. El total de la energía solar que llega a la Tierra es insignificante en comparación con la enorme energía que se forma en el Sol. El Sol es responsable de proporcionar una temperatura adecuada para todo tipo de vida en la superficie de la Tierra y, hipotéticamente, la cantidad de energía que se puede obtener del Sol puede satisfacer fácilmente la demanda mundial de energía. Sin embargo, solo podemos extraer fracciones de la energía solar total que llega a la Tierra debido a sus bajas concentraciones y los altos costos de las unidades y dispositivos que se utilizan para aprovechar este tipo de energía.
El costo de generar energía y calor de otras energías renovables, como la marina, geotérmica, hidroeléctrica, biomasa y eólica, es menor que el costo de generar la misma cantidad de energía y calor de la energía solar. Sin embargo, el potencial del radio solar del Sol es de alrededor de 695×103 km (…). El Sol está emitiendo una cantidad estimada de energía que es mayor que todas las demás energías renovables. Se estima que la distancia entre el Sol y la Tierra es de alrededor de 1.5×108 km, la del núcleo del Sol se reduce en aproximadamente 40000000 K a alrededor de 5800 K en la zona convectiva (superficie del Sol) (…).
Las capas de la atmósfera de la Tierra suelen debilitar la radiación solar, ya sea por la absorción de esta radiación o por su dispersión. Además, las
partículas como el polvo o incluso las gotas de agua suspendidas en la atmósfera pueden debilitar la radiación solar. (Dincer & Ezzat, 2018)
Teóricamente, la energía solar posee el potencial para satisfacer adecuadamente las demandas de energía del mundo entero si las tecnologías para su cosecha y suministro estuvieran disponibles (Blaschke, Biberacher, Gadocha & Schardinger, 2013). Casi cuatro millones de exajulios (1 EJ = 1018 J) de energía solar llegan a la tierra anualmente, 5×104 EJ de los cuales se afirma que son fácilmente cosechables (World Energy Outlook, International Energy Agency, 2012). A pesar de este enorme potencial y aumento de la conciencia, la contribución de la energía solar al suministro mundial de energía sigue siendo insignificante (International Energy Agency, 2012).
(Kabir, Kumar, Kumar, Adelodun, & Kim, 2018)
La energía solar es la forma de energía más abundante y limpia y renovable (Parida, Iniyan & Goic, 2011) que se puede convertir directamente tanto en electricidad como en calor a través de células solares y colectores solares térmicos, respectivamente (Wysocki & Rappaport, 1960). (Pang et al., 2020) 1.2.3. Radiación solar.
El Sistema Solar consta de una estrella promedio: el Sol y los planetas:
Mercurio, Venus, Tierra, Marte, Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno y Plutón.
Incluye los satélites de los planetas, numerosos cometas, asteroides, meteoritos y el medio interplanetario. El Sol es la fuente más rica de energía electromagnética, principalmente en forma de calor y luz en el Sistema Solar.
El Sol contiene el 99.85% de toda la materia en el Sistema Solar. Los planetas, que se condensaron del mismo disco de material que formó el Sol, contienen solo el 0.135% de la masa del Sistema Solar. Júpiter contiene más del doble de la materia de todos los otros planetas combinados. Los satélites de los planetas, cometas, asteroides, meteoroides y el medio interplanetario constituyen el 0.015% restante.
El Sol es el centro de gravedad del Sistema Solar. La fusión termonuclear entre átomos de hidrógeno y átomos de helio tiene lugar en el núcleo del Sol sin cesar a millones de grados de temperatura. La pérdida de materia durante la fusión libera una gran cantidad de energía en forma de radiación
electromagnética. Una parte de la energía llega a la corteza de la atmósfera terrestre con una irradiancia promedio de 1367 W/m2, que varía en función de la distancia Tierra-Sol. La irradiación solar, insolación (incidente de radiación solar) es la intensidad de la radiación electromagnética solar incidente en una superficie de 1 metro cuadrado (kW/m2). La intensidad de la radiación solar se reduce antes de llegar a la Tierra, ya que atraviesa la atmósfera por absorción, difusión y reflejo de partículas en el aire y la atmósfera.
La radiación solar es la integral de la irradiancia solar durante un período de tiempo (kWh/m2). La energía llega desde el núcleo a la superficie del Sol y se libera al espacio principalmente como luz. La capa de 400 km más externa y relativamente delgada del Sol se llama fotósfera y tiene una temperatura 5770 K. Esta es la capa que emite el espectro de radiación, que es visible para el ojo humano y se denomina luz. La radiación solar de la superficie del Sol se transmite a la tierra como ondas electromagnéticas de energía luminosa a la velocidad de la luz. La velocidad de la luz es de aproximadamente 11 millones de millas/ minuto, y la luz tarda 8.45 minutos en viajar del Sol a la Tierra. La energía emitida por el Sol es de 3.72×1020 MW, lo que equivale a una potencia radiactiva de 63 MW/m2 de su superficie. A una distancia media de 150 millones de kilómetros entre la Tierra y el Sol, esta radiación llega fuera de la atmósfera de la Tierra con una intensidad de 1.367 kW que cae sobre una superficie de 1 m2 orientada normalmente a los rayos del Sol. Esto se llama la constante solar (…).
La energía radiactiva de la superficie exterior del Sol viaja como ondas electromagnéticas y llega a la tierra a través de la atmósfera. La energía de radiación varía en función de la temperatura; cuanto mayor es la temperatura, mayor es la energía. Una luminosidad solar L es el flujo de energía constante del Sol, y es L=3.9×1026 en vatios. La densidad de flujo solar en Sd es la cantidad de energía solar por unidad de área en una esfera centrada en el Sol con una distancia en d. (Ramalingam & Indulkar, 2020)
Sd= L
4πd2 (1)
La constante solar es la densidad de flujo solar que llega a la tierra. La distancia media de la Tierra al Sol es 1.50×1011 m. Por lo tanto, la constante solar S es la densidad de flujo de energía en la superficie de la tierra, y se obtiene de la ecuación (1): (Ramalingam & Indulkar, 2020)
Sd= L
4πd2 = 3.9 × 1026
4π(1.5 × 1011)2 = 1367 W
m2 (2)
Donde:
Sd = Densidad de flujo solar (W/m2) L = Luminosidad solar (W)
d = Distancia media de la Tierra al Sol (m) S = Constante solar (W/m2)
La atmósfera de la Tierra tiene una influencia considerable en la intensidad de la radiación solar que llega al suelo. Su altura es de 70 a 80 km, y se compone principalmente de nitrógeno (78%) y oxígeno (21%). Otros gases y vapor de agua juntos representan solo el 1%, pero pueden tener un gran efecto sobre el clima y el medio ambiente como gases de efecto invernadero como el metano y el dióxido de carbono (…).
La atmósfera de la Tierra está situada a 5-6 km sobre la superficie del suelo.
La radiación solar extraterrestre se reduce por la dispersión y absorción causada por las moléculas de aire, partículas de aerosol, gotas de agua y cristales de hielo en las nubes. Al pasar por la atmósfera, la dispersión de la radiación solar tiene lugar dentro de todo el rango espectral. La dispersión ocurre de las siguientes maneras:
• Dispersión por gotas de agua y/o cristales de hielo en las nubes de manera relativamente uniforme en todo el rango espectral.
• Dispersión por moléculas (dispersión de Rayleigh), predominantemente de radiación a longitudes de onda más cortas.
• Dispersión por partículas de aerosol (dispersión de Mie) a longitudes de onda que dependen del tamaño y la distribución de las partículas.
Las moléculas gaseosas y los aerosoles causan una absorción relativamente alta de energía solar. La dispersión y la absorción en la atmósfera afectan el
equilibrio espectral de la radiación solar que llega al suelo. (Ramalingam &
Indulkar, 2020)
La radiación solar es absorbida y dispersada por los gases atmosféricos, aerosoles, nubes y la superficie de la tierra (…). La fracción de la radiación solar incidente es de aproximadamente 0,31 que se refleja y dispersa al espacio se llama albedo. La dispersión de la radiación solar por las moléculas de aire es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda como se describe en la teoría de dispersión de Rayleigh. El cielo es azul porque las moléculas atmosféricas dispersan la radiación solar mucho más en el azul que en la parte roja del espectro. El cielo es visible en el proceso de dispersión. La luz azul se elimina al dispersarse durante el largo camino a través de la atmósfera al atardecer o al amanecer, dejando los colores rojizos del espectro y, por lo tanto, el cielo es rojizo durante el atardecer o el amanecer. Los gases atmosféricos absorben la radiación solar UV. El agotamiento de la radiación solar está dominado por la absorción de ozono en los rayos UV, la dispersión de Rayleigh tanto en la región UV como visible, y la absorción de vapor de agua en la región del infrarrojo cercano. Los aerosoles son una suspensión de partículas líquidas como sulfatos, carbono negro, carbono orgánico, polvo y sal marina en la atmósfera. Los aerosoles se dispersan y absorben la radiación solar y causan cambios climáticos. Las nubes reflejan la radiación solar entrante de vuelta al espacio y, por lo tanto, enfrían el sistema de atmósfera de la Tierra, el llamado efecto albedo de nubes. El enfriamiento debido al efecto albedo de la nube ocurre principalmente en la superficie. (Ramalingam & Indulkar, 2020)
El Sol proporciona más del 99.98% de toda la energía a la superficie de la tierra, el resto es energía geotérmica interna. Esto da como resultado una temperatura superficial promedio de 14 °C, aunque pueden ocurrir variaciones extremas local y temporalmente.
La Tierra tiene una forma casi esférica, y la fuerza gravitacional une la atmósfera como una concha. Por lo tanto, la intensidad de la radiación solar en un punto de la superficie está influenciada por la curvatura de la superficie y el espesor efectivo de la atmósfera.
La radiación solar alcanza su mayor intensidad cuando el Sol está en su cenit y el ángulo de incidencia es de 90 grados y el espesor de la atmósfera es mínimo. Cuando la posición del Sol en el cielo está cerca de la atmósfera, debe pasar más radiación y, por lo tanto, la atmósfera dispersa y absorbe más radiación y, por lo tanto, llega menos radiación a la superficie del suelo.
(Ramalingam & Indulkar, 2020) a) Espectro solar.
Es la distribución de la radiación solar en función de la longitud de onda.
Consiste en una emisión continua del Sol y la salida de radiación total del Sol es aproximadamente equivalente a la de un cuerpo negro a 5776 K. La radiación solar se ajusta estrechamente a la emisión del cuerpo negro en la región visible e infrarroja a esta temperatura, pero se desvía en la región UV. La constante solar es la cantidad de radiación solar recibida fuera de la atmósfera terrestre en una superficie normal a la radiación incidente por unidad de tiempo y por unidad de área a la distancia media de la Tierra del Sol. La constante solar medida es de 1367 W/m2 con región (>0.70 μm), 43% en la región visible (0.40-0.70 μm) y aproximadamente 3 W/m2. La energía radiante del Sol se encuentra en un 47% en el infrarrojo del 10%
en la región UV (<0,40 μm). (Ramalingam & Indulkar, 2020)
Figura 4. Distribución del espectro solar Fuente: (Ramalingam & Indulkar, 2020)
La energía de la radiación solar a la Tierra se transmite por ondas electromagnéticas en un amplio rango de longitudes de onda a intensidades variables. La radiación solar electromagnética que incide en el borde superior de la atmósfera se llama radiación extraterrestre. La integral media para el espectro completo es 1367 W/m2, que se llama constante solar.
El espectro completo comprende las longitudes de onda ultravioleta (UV), visible (Vis) e infrarroja (IR). Sin embargo, estos rangos de longitud de onda deben subdividirse según los campos de aplicación individuales. Los más conocidos son los colores prismáticos de la luz visible, los colores del arco iris. IR se divide en infrarrojo cercano (NIR) e infrarrojo lejano (FIR). La radiación UV normalmente se subdivide en radiación UV-A, UV-B y UV-C.
Aproximadamente el 6% de la radiación solar total que cae sobre la tierra es UV. Las longitudes de onda más cortas a mayor frecuencia tienen mayor energía, lo que aumenta el efecto sobre los sistemas biológicos y químicos.
La medida normal de la longitud de onda de la radiación solar y atmosférica es el nanómetro (nm, 10–9 m) y para la radiación infrarroja es el micrómetro (μm, 10–6 m). (Ramalingam & Indulkar, 2020)
b) Tipos de radiación solar.
La radiación solar directa es recibida directamente del Sol por la tierra. La radiación solar difusa es la radiación dispersa que proviene de todas las demás direcciones. La radiación solar global es la suma de ambos componentes recibidos en una superficie horizontal. Las variaciones de la presión del aire y la temperatura dentro de la atmósfera influyen en la absorción y, por lo tanto, afectan el espectro al nivel del mar y a diferentes alturas sobre el nivel del mar.
La cantidad y el tipo de radiación que cae sobre la superficie del suelo dependen de las características cambiantes de la atmósfera. Otros factores importantes son el tamaño del planeta y su ubicación dentro del espacio, pero el factor crucial para la cantidad de radiación absorbida por la tierra, o reflejada por ella, es la composición de la superficie del suelo.
(Ramalingam & Indulkar, 2020)
La radiación reflejada es la reflejada por la superficie terrestre (incluye los objetos en la superficie.
1.2.4. Células solares.
Los dispositivos fotovoltaicos (FV) producen electricidad a partir de la luz solar por medio de un proceso electrónico que ocurre naturalmente usando un material semiconductor. Por lo tanto, la investigación y el desarrollo de la tecnología fotovoltaica económica es fundamental para actualizar la producción de energía solar a gran escala a corto plazo. La investigación avanzada de células solares se está realizando en los campos de tintas líquidas, conversión ascendente, tintes absorbentes de luz, puntos cuánticos, células solares orgánicas/de polímero, células adaptativas y células solares de perovskitas. Entre estos, la célula solar de perovskita sigue siendo una clase importante de desarrollo fotovoltaico (Supreeth & Shreya, 2016). La buena noticia para la energía solar fotovoltaica es que el costo por unidad de potencia disminuye exponencialmente a lo largo de los años (…) (US Energy Information Administration, 2015). Del mismo modo, la cifra indica que, si seguimos avanzando con nuestro ritmo actual para 2030, el costo de la energía solar fotovoltaica puede reducirse considerablemente al precio más bajo en comparación con cualquier otra fuente de energía.
El progreso en la innovación de células solares se caracteriza por un objetivo final específico para ofrecer una célula solar barata, de alta eficiencia y larga vida útil que sea una alternativa superior al combustible fósil. La investigación sobre nuevos materiales y nuevas estrategias de dispositivos en células solares ha sido impulsada principalmente por el deseo de lograr estos objetivos de tríada en innovación fotovoltaica. (Olaleru et al., 2020)
“Las células solares o fotovoltaicas hechas de materiales semiconductores convierten la energía de la luz en energía eléctrica mediante un proceso llamado efecto fotoeléctrico” (Ramalingam & Indulkar, 2020) o fotovoltaico.
Para comprender el funcionamiento de una célula fotovoltaica, es necesario tener en cuenta tanto la naturaleza del material como la naturaleza de la luz solar. Las células fotovoltaicas consisten en dos tipos de material; silicio tipo p y silicio tipo n. La luz de ciertas longitudes de onda es capaz de ionizar los
átomos en el silicio y el campo interno producido por la unión separa algunas de las cargas positivas (huecos) de las cargas negativas (electrones) dentro del dispositivo fotovoltaico. Los huecos se barren en la capa p y los electrones se barren en la capa n. Aunque estas cargas opuestas se atraen entre sí, la mayoría de ellas solo pueden recombinarse al pasar a través de un circuito externo fuera del material debido a la barrera de energía potencial interna. Por lo tanto, si un circuito como se muestra en la figura (…) está compuesto, se puede producir energía a partir de las celdas bajo iluminación, ya que los electrones libres tienen que pasar a través de la carga para recombinarse con los huecos positivos
(http://www.esdalcollege.nl/eos/vakken/na/zonnecel.htm). (Meral & Diner, 2011)
Figura 5. Efecto fotovoltaico en las células fotovoltaicas Fuente: (Meral & Diner, 2011)
Las células solares están compuestas de varios materiales semiconductores que se vuelven eléctricamente conductores cuando se les suministra calor o luz. La mayoría de las células solares de primera generación producidas están compuestas de silicio (Si), que existe en cantidades suficientes. Sin embargo, más del 95% de estas celdas tienen una eficiencia de conversión de energía de alrededor del 17%, mientras que las celdas solares que se desarrollaron durante la última década en entornos de laboratorio tienen una eficiencia de hasta el 31%. Todas las tecnologías relacionadas con la captura de energía solar para ser utilizadas como generador de electricidad directa se describen como tecnología fotovoltaica, que se subdivide en cristalina, película delgada y nanotecnología.
La técnica de dopaje se utiliza para obtener un exceso de portadores de carga positiva (tipo p) o un excedente de portadores de carga negativa (tipo n).
Cuando dos capas de dopaje diferentes están en contacto, se forma una unión p-n en el límite.
Se forma un campo eléctrico interno que causa la separación de los portadores de carga liberados por la luz, liberando electrones dentro de la proximidad del campo eléctrico, que luego impulsa los electrones del lado p al lado n (…).
(Vásquez & Vásquez, 2018)
a) Materiales de las células solares.
Las células solares están hechas de materiales semiconductores que tienen características materiales especiales para convertir la energía de la luz solar en energía eléctrica. Ciertos tipos de materiales tienen propiedades especiales con su estructura atómica y cristalina, y configuraciones de electrones que exhiben efectos fotoeléctricos para absorber la energía de la luz y convertirla en electricidad (…).
Las propiedades de los materiales pueden modificarse mediante tratamiento térmico y adición de otras sustancias. Se desarrollan diferentes materiales nuevos, como compuestos y materiales avanzados, con características especializadas mediante la adopción de tecnologías desarrolladas para el procesamiento a fin de satisfacer las necesidades de una sociedad moderna y compleja. La estructura de un material
generalmente se relaciona con la disposición interna de los componentes.
La estructura subatómica involucra electrones dentro de átomos individuales e interacciones con sus núcleos. La estructura del material abarca la organización de átomos o moléculas entre sí. La propiedad de un material es un tipo de respuesta cuando se somete a estímulos externos, como la deformación del material cuando se le aplica una carga o una superficie metálica pulida que refleja la luz cuando se expone a la luz. Una propiedad son las características del material independientemente de su forma y tamaño en términos del tipo y la magnitud de la respuesta a estímulos impuestos específicamente. Las propiedades importantes de los materiales sólidos se agrupan en seis categorías diferentes. Son propiedades mecánicas de la deformación sobre estímulos de imposición de una fuerza, propiedades eléctricas de conductividad eléctrica y constante dieléctrica para estímulos de un campo eléctrico, comportamiento térmico en términos de capacidad térmica y conductividad térmica, propiedades magnéticas de estímulos por campo magnético, propiedades ópticas sobre estímulos. por radiación electromagnética o de luz, y propiedades de deterioro en estímulos por reactividad química de materiales.
Además de la estructura y las propiedades del material, hay dos componentes más importantes del procesamiento y el rendimiento de los materiales. La estructura de los materiales depende del procesamiento y el rendimiento es función de las propiedades. Las relaciones entre los cuatro componentes anteriores son importantes en el diseño, producción y utilización de materiales.
Los materiales sólidos se clasifican principalmente en función de su composición química y estructura atómica, en tres grupos: metales, cerámicas y polímeros. Además, están los compuestos, que son una combinación de dos o más de las tres clases básicas anteriores. La mayoría de los materiales con algunos intermediarios se encuentran en cualquiera de las clases anteriores. Otra clasificación son los materiales avanzados que se utilizan en aplicaciones de alta tecnología. Los metales están
compuestos de uno o más elementos metálicos como el cobre, el hierro o el oro y algunos elementos no metálicos como el carbono, el nitrógeno o el oxígeno en cantidades relativamente pequeñas.
Los átomos en metales y aleaciones están dispuestos de manera muy ordenada y son relativamente más densos y fuertes que los otros dos grupos. Las cerámicas son compuestos entre elementos metálicos y no metálicos como óxidos, nitruros y carburos. Los materiales cerámicos son alúmina, sílice y nitruro de silicio y cerámicas tradicionales, como minerales de arcilla, porcelana, cemento y vidrio. Los polímeros son los compuestos orgánicos químicamente basados en carbono, hidrógeno y otros elementos no metálicos (oxígeno, nitrógeno y silicio) como plásticos, cloruro de polivinilo (PVC) y materiales de caucho. Los compuestos están compuestos de dos o más materiales individuales que provienen, a saber, metales, cerámicas y polímeros para lograr una combinación de propiedades superiores y con las mejores características del grupo, que de otro modo no puede lograrse con un solo material (…).
Es importante tener en cuenta que las propiedades y características de los cuatro grupos varían ampliamente en términos de los siguientes parámetros: densidad, rigidez, resistencia y conductividad eléctrica.
Los materiales avanzados se utilizan en aplicaciones de alta tecnología como equipos electrónicos, computadoras, aviones, naves espaciales, sistemas de fibra óptica y cohetes militares. Estos son materiales tradicionales que han sido desarrollados recientemente, materiales caros de alto rendimiento con propiedades mejoradas. Los materiales avanzados incluyen semiconductores, biomateriales, materiales inteligentes y materiales de nanoingeniería. Los semiconductores tienen propiedades eléctricas intermedias entre buenos conductores eléctricos de metal y aislantes. El uso de semiconductores en la electrónica y la industria informática ha revolucionado la última tecnología emergente de células solares para la generación de energía (…). El advenimiento del microscopio de sonda de exploración ha demostrado la capacidad de observar, manipular y mover los átomos o moléculas individuales para
formar nuevas estructuras y diseñar nuevos materiales. La capacidad de organizar cuidadosamente los átomos brinda oportunidades para desarrollar materiales con propiedades mecánicas, eléctricas, ópticas y de otro tipo que de otro modo no serían posibles. El estudio de las propiedades de tales materiales se llama nanotecnología (…). Algunos desafíos son el desarrollo de materiales (…) que son altamente eficientes y menos costosos en la conversión de energía luminosa en energía eléctrica por energía solar. (Ramalingam & Indulkar, 2020)
1.2.5. Clasificación de las células solares.
Las células solares se clasifican en cuatro categorías o generaciones respecto al momento de aparición en el mercado:
Figura 6. Representación esquemática de las generaciones de la tecnología de las células solares (Amu, 2014)
Fuente: (Amu, 2014) (Olaleru et al., 2020)
La conversión de energía solar a eléctrica está a la vanguardia de los avances humanos para un mundo asegurado por la energía con un entorno limpio. En consecuencia, la mejora del rendimiento y la reducción del costo de las tecnologías actuales de células solares, así como la búsqueda de nuevos protocolos de conversión de energía solar se han convertido en un área dinámica para la investigación de energía limpia y sostenible.
El logro de estos objetivos requiere la optimización de los materiales y la configuración de las células solares para que, (i) los materiales fotoactivos tengan una sección transversal de alta absorción de fotones, (ii) los electrones
1raGeneración
2daGeneración
3raGeneración
4taGeneración
Basado en Si
Película delgada Nuevo concepto Materiales orgánicos Inorgánico en orgánico
