Sistema solar fotovoltaico
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¿Cómo funciona el sistema solar fotovoltaico?

La gran magnitud de la energía térmica del Sol la convierte en una fuente de energía muy atractiva. Esta energía puede convertirse directamente en electricidad de corriente continua y en energía térmica. La energía solar es una fuente de energía renovable, limpia, abundante e inagotable disponible en la tierra. Los paneles solares o sistemas solares fotovoltaicos mediante paneles (SPV) se disponen en los tejados o en las huertas solares de forma que la radiación solar incida sobre los paneles solares fotovoltaicos para facilitar una reacción que convierta la radiación luminosa del sol en electricidad.

La energía solar puede utilizarse para alimentar un solo edificio o a escala industrial. Cuando se utiliza a pequeña escala, la electricidad extra puede almacenarse en una batería o alimentar la red eléctrica. La energía solar es ilimitada y la única limitación es nuestra capacidad para convertirla en electricidad de forma rentable. Diminutos paneles solares fotovoltaicos alimentan calculadoras, juguetes y cabinas telefónicas.

Definición de sistema solar fotovoltaico

Un sistema solar fotovoltaico convierte la energía solar en energía eléctrica, al igual que una batería convierte la energía química en energía eléctrica o un motor de automóvil convierte la energía química en energía mecánica o un motor eléctrico (en un vehículo eléctrico, EV) convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Una célula SPV convierte la energía solar en energía eléctrica. Una célula solar no produce electricidad utilizando el calor del sol, sino que los rayos de luz incidentes interactúan con los materiales semiconductores para producir electricidad.

La electricidad puede definirse como el flujo de electrones. ¿Cómo crean este flujo los sistemas solares fotovoltaicos? Por lo general, hay que suministrar energía para alejar los electrones del núcleo de los átomos. Los electrones de valencia (es decir, los que se encuentran en la capa exterior del átomo) tienen los niveles de energía más altos de los electrones que aún están ligados a sus átomos madre, (ya que están lejos del núcleo, en comparación con los electrones de la capa interior). Se requiere energía adicional para eliminar completamente un electrón del átomo, por lo que los electrones libres tienen niveles de energía más altos que los electrones de valencia.

Fig1. Energy band diagram

La figura anterior representa un diagrama de bandas de energía, que muestra dos niveles de energía, una banda de valencia y una banda de conducción. Los electrones de valencia se encuentran en la banda de valencia y los electrones libres en la banda de conducción superior. En los semiconductores, hay un hueco entre las bandas de valencia y de conducción. Por tanto, hay que suministrar energía para que los electrones de valencia pasen a la banda de conducción. Esto significa que se debe suministrar energía para eliminar los electrones de valencia de sus átomos padres para convertirse en electrones libres.

¿Qué son los sistemas solares fotovoltaicos?

Cuando el silicio puro está a una temperatura de 0 K (0 grados Kelvin es – 273°C ), todas las posiciones de las capas externas de electrones están ocupadas, debido a los enlaces covalentes entre los átomos y no hay electrones libres. Por lo tanto, la banda de valencia está completamente llena y la banda de conducción está completamente vacía. Aunque los electrones de valencia tienen la mayor energía, son los que menos energía necesitan para salir del átomo (energía de ionización). Esto se puede ilustrar con un ejemplo de un átomo de plomo. Aquí la energía de ionización (de un átomo gaseoso) de la eliminación del primer electrón es de 716 kJ/mol y la necesaria para el segundo electrón es de 1450 kJ/mol. Los valores equivalentes para el Si son 786 y 1577 kJ/mol.

Cada electrón que se desplaza a la banda de conducción deja un sitio vacante(denominado agujero) en el enlace de valencia. Este proceso se denomina generación de pares electrón-hueco. Un agujero en un cristal de silicio puede, como un electrón libre, moverse por el cristal. El medio por el que se mueve el agujero es el siguiente: Un electrón de un enlace cercano a un agujero puede saltar fácilmente al agujero, dejando atrás un enlace incompleto, es decir, un nuevo agujero. Esto ocurre de forma rápida y frecuente: los electrones de los enlaces cercanos cambian de posición con los agujeros, enviando éstos de forma aleatoria y errática por todo el sólido; cuanto mayor es la temperatura del material, más se agitan los electrones y los agujeros y más se mueven.

La generación de electrones y huecos por la luz es el proceso central del efecto fotovoltaico global, pero no produce por sí mismo una corriente. Si no hubiera ningún otro mecanismo en una célula solar, los electrones y huecos generados por la luz vagarían por el cristal de forma aleatoria durante un tiempo y luego perderían su energía térmicamente al volver a las posiciones de valencia. Para aprovechar los electrones y los huecos para producir una fuerza eléctrica y una corriente, se necesita otro mecanismo: una barrera de “potencial” incorporada*. Una célula fotovoltaica tiene dos finas obleas de silicio intercaladas y unidas a cables metálicos.

Durante la fabricación de los lingotes, el silicio es predopado antes de ser cortado y enviado. El dopaje no es más que la adición de impurezas en la oblea de silicio cristalino para hacerla conductora de la electricidad. El silicio tiene 4 electrones en la capa exterior. Estos materiales de dopaje positivo (tipo p ) son invariablemente el Boro, que tiene 3 electrones (trivalente) se llama portador positivo (Aceptante) Dopante. El dopante negativo (tipo n ) es el fósforo, que tiene 5 electrones (pentavalente) se llama Dopanteportador negativo (Donante)

Una célula fotovoltaica contiene una capa de barrera formada por cargas eléctricas opuestas enfrentadas a ambos lados de una línea divisoria. Esta barrera de potencial separa selectivamente los electrones y los huecos generados por la luz, enviando más electrones a un lado de la célula y más huecos al otro. Al estar separados, es menos probable que los electrones y los huecos se vuelvan a unir y pierdan su energía eléctrica. Esta separación de cargas establece una diferencia de tensión entre ambos extremos de la célula, que puede utilizarse para impulsar una corriente eléctrica en un circuito externo.

Cuando una célula fotovoltaica se expone a la luz solar, los haces de energía luminosa conocidos como fotones pueden sacar de sus órbitas a algunos de los electrones de la capa P inferior a través del campo eléctrico establecido en la unión P-N y hacia la capa N. La capa N, con su exceso de electrones, desarrolla una corriente de exceso de electrones, que produce una fuerza eléctrica para empujar los electrones adicionales. Estos electrones sobrantes, a su vez, son empujados hacia el hilo metálico de vuelta a la capa P inferior, que ha perdido algunos de sus electrones. Así, la corriente eléctrica seguirá fluyendo hasta que los rayos del sol incidan en los paneles.

El sistema solar fotovoltaico puede ser poco eficiente energéticamente

Las células de los sistemas solares fotovoltaicos actuales sólo convierten entre el 10 y el 14% de la energía radiante en energía eléctrica. En cambio, las centrales de combustibles fósiles convierten entre el 30 y el 40% de la energía química de su combustible en energía eléctrica. La eficiencia de conversión de las fuentes de energía electroquímica es mucho mayor, hasta el 90 o el 95 %.

¿Qué es la eficiencia de conversión de un sistema solar fotovoltaico?

Eficiencia de un dispositivo = Producción de energía útil / Entrada de energía

En el caso del sistema solar fotovoltaico la eficiencia es de alrededor del 15%, lo que significa que si tenemos una superficie de células de 1m2 por cada 100 W/m2 de radiación incidente, sólo se entregarían 15 W al circuito.

Eficiencia de la célula SPV = 15 W/m2/ 100 W/m2 = 15 %.

En el caso de las baterías de plomo-ácido podemos diferenciar dos tipos de eficiencia, la eficiencia culombiana (o Ah o amperios-hora) y la eficiencia energética (o Wh o vatios-hora). Durante un proceso de carga que convierte la energía eléctrica en energía química, el rendimiento Ah es de aproximadamente el 90 % y el rendimiento energético es de aproximadamente el 75 %.

Principio de funcionamiento del sistema solar fotovoltaico

Fabricación de células de sistemas solares fotovoltaicos

La materia prima es el segundo cuarzo (arena) más abundante. El cuarzo es un mineral ampliamente distribuido. Tiene muchas variedades que consisten principalmente en sílice o dióxido de silicio (SiO2) con pequeñas fracciones de impurezas como litio, sodio, potasio y titanio.
El proceso de fabricación de una célula solar a partir de una oblea de silicio implica tres tipos de industrias
a.) Industrias que producen células solares de cuarzo
b.) Industrias que producen obleas de silicio de cuarzo y
c.) Industrias que producen células solares a partir de obleas de silicio

¿Cómo se fabrican las obleas de silicio en el sistema solar fotovoltaico?

Como primer paso, el silicio puro se produce por reducción y purificación del dióxido de silicio impuro en el cuarzo. Proceso Czochralski (Cz): La industria fotovoltaica utiliza actualmente dos rutas principales para convertir la materia prima de polisilicio en obleas terminadas: la ruta monocristalina mediante el proceso Czochralski (Cz) y la ruta multicristalina mediante el proceso de solidificación direccional (DS). Las principales diferencias entre estos dos enfoques radican en la forma en que se funde el polisilicio, en cómo se forma un lingote, en el tamaño del lingote y en cómo se da forma a los lingotes para el corte de obleas

  • Proceso Czochralski (Cz): El método Cz crea un lingote cilíndrico, al que siguen múltiples pasos de sierra de cinta y de hilo para producir obleas. Para un crisol típico de 24 pulgadas de diámetro cargado con un peso de carga inicial de unos 180 kg, se necesitan aproximadamente 35 horas para fundir el polisilicio en un crisol de Cz, sumergir el cristal semilla en la fusión y extraer el cuello, el hombro, el cuerpo y el cono final. El resultado es un lingote cilíndrico de Cz con una masa de 150-200 kg. Para dejar los metales y otros contaminantes, es necesario dejar de 2 a 4 kg de chatarra en el crisol.
  • Proceso de solidificación direccional (DS): Las obleas multicristalinas DS se fabrican a partir de lingotes más cortos pero mucho más anchos y pesados -alrededor de 800 kg- que adoptan una forma cúbica cuando el polisilicio se funde dentro de un crisol de cuarzo. Una vez fundido el polisilicio, se induce el proceso de DS creando un gradiente de temperatura en el que la superficie inferior del crisol se enfría a una velocidad determinada. Al igual que en el caso de los lingotes de Cz, las secciones de lingotes de DS producidas durante el recorte y el escuadrado pueden volver a fundirse para posteriores generaciones de lingotes. Sin embargo, en el caso de los lingotes DS, la sección superior no suele reciclarse debido a la alta concentración de impurezas.

Dado que el proceso comienza con un crisol de fusión en forma de cubo, los lingotes y las obleas de DS tienen una forma naturalmente cuadrada, lo que facilita la creación de células de base multicristalina que pueden ocupar esencialmente toda el área de un módulo completo. Se necesitan unas 76 horas para producir un lingote típico de silicio DS, que se sierra en 36 ladrillos a partir de un recorte de 6 x 6. Un ladrillo acabado típico tiene una sección transversal totalmente cuadrada de 156,75 mm x 156,75 mm (246 cm2 de superficie) y una altura de 286 mm, lo que produce 1.040 obleas por ladrillo cuando el grosor de la oblea es de 180 µm y hay 95 µm de pérdida de corte por oblea. Así, se producen entre 35.000 y 40.000 obleas por lingote DS.

Bibliografía
1. https://sinovoltaics.com/solar-basics/solar-cell-production-from-silicon-wafer-to-cell/
2. Principios y métodos básicos de la energía fotovoltaica NTIS USA 1982 https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc1060377/
3. http://www.madehow.com/Volume-1/Solar-Cell.html#:~:text=To%20make%20solar%20cells%2C%20the,carbon%20dioxide%20and%20molten%20silicon.
4. Woodhouse, Michael. Brittany Smith, Ashwin Ramdas y Robert Margolis. 2019. Costes de fabricación de módulos fotovoltaicos de silicio cristalino y precios sostenibles: Benchmark del 1S 2018 y hoja de ruta de reducción de costes. Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory. https://www.nrel.gov/docs/fy19osti/72134.pdf. pp. 15 y ss.

Diferentes tipos de sistemas solares fotovoltaicos

A medida que los precios de los combustibles fósiles sigan subiendo y las normas de emisión sigan siendo más estrictas en todo el mundo, la demanda de energías renovables, como la solar y la eólica, y de soluciones de almacenamiento de energía seguirá aumentando.

El término solar se refiere al sol. Las baterías solares son las que se utilizan para almacenar la energía convertida de la irradiación solar o energía luminosa en electricidad mediante células solares (también llamadas células solares fotovoltaicas, o células FV) a través de los efectos fotovoltaicos. No implican reacciones químicas como en las baterías. La célula fotovoltaica está compuesta por material semiconductor, que combina algunas propiedades de los metales y otras de los aislantes, lo que la hace capaz de convertir la luz en electricidad.

Cuando la luz es absorbida por un semiconductor, los fotones de la luz pueden transferir su energía a los electrones, generando un flujo de éstos. ¿Qué es la corriente eléctrica? Es el flujo de electrones. Esta corriente fluye fuera del semiconductor hacia los cables de salida. Estos cables se conectan a la batería o a la red a través de unos circuitos electrónicos y un inversor para controlar y generar la corriente alterna.

Métodos de utilización de la energía del sistema solar fotovoltaico

Sistema SPV autónomo (o sin red):

En este caso, la energía solar se utiliza para una sola vivienda o una unidad industrial o una pequeña comunidad. La energía producida por los paneles solares se envía a la batería mediante un controlador electrónico y las baterías almacenan la energía. La corriente continua de la batería se invierte en corriente alterna; las cargas eléctricas toman su electricidad de estas baterías. Normalmente, una instalación solar en el tejado de 1 kW requiere 10 m2. metros de superficie libre de sombras. Sin embargo, el tamaño real depende de los factores locales de la radiación solar y las condiciones meteorológicas, la eficiencia del módulo solar, la forma del tejado, etc.

Fig. 2. Un sencillo sistema solar sin conexión a la red
Fig. 2. Un sencillo sistema solar sin conexión a la red

Sistema solar fotovoltaico conectado a la red (o sistema conectado a la red)

En un sistema directo conectado a la red (o Grid-tied system), los paneles SPV se conectarán a las líneas públicas de distribución de energía a través de un controlador y un contador de energía. Aquí
No se utilizan baterías.
La electricidad se utiliza primero para alimentar las necesidades eléctricas inmediatas de la casa. Cuando se satisfacen esas necesidades, la electricidad adicional se envía a la red a través del contador de energía. Con un sistema de energía solar conectado a la red, cuando la casa necesita más energía de la que producen los paneles solares, el resto de la electricidad necesaria es suministrada por la red eléctrica.

Así, por ejemplo, si la carga eléctrica de la casa consume 20 amperios de corriente y la energía solar sólo puede generar 12 amperios, se extraerían 8 amperios de la red. Evidentemente, por la noche todas las necesidades eléctricas son suministradas por la red, ya que con un sistema de conexión a la red no se almacena la energía que se genera durante el día.

Una de las desventajas de este tipo de sistemas es que cuando se va la luz, también lo hace el sistema. Esto es por razones de seguridad, ya que los técnicos que trabajan en las líneas eléctricas necesitan saber que no hay ninguna fuente que alimente la red. Los inversores conectados a la red tienen que desconectarse automáticamente cuando no detectan la red. Esto significa que no puede proporcionar energía durante un apagón o una emergencia y que no puede almacenar energía para su uso posterior. Tampoco puedes controlar cuándo utilizas la energía de tu sistema, por ejemplo, en las horas de máxima demanda.

Sistema solar fotovoltaico interactivo o conectado a la red (híbrido)

Hay otro sistema en el que podemos abastecer al sistema de red. Podemos ganar dinero o recuperar la energía suministrada por nosotros siempre que sea necesario.

Sistema solar fotovoltaico sin batería - Interactivo o conectado a la red (híbrido)

Estos sistemas SPV generan electricidad solar y suministran a las cargas internas y al sistema de distribución local. Este tipo de componentes del sistema SPV es (a) Panel SPV y (b) Inversor. El sistema conectado a la red es similar a un sistema de alimentación eléctrica normal, salvo que parte o toda la electricidad procede del sol. El inconveniente de estos sistemas sin almacenamiento en baterías es que no tienen suministro de energía durante los cortes de electricidad.

Ventajas del sistema solar fotovoltaico conectado a la red (híbrido) sin almacenamiento en baterías

Es el sistema menos costoso y con un mantenimiento insignificante
Si el sistema produce más energía de la que necesita la casa, la energía extra se intercambia con la red eléctrica
Los sistemas directos a la red tienen una mayor eficiencia porque no intervienen las baterías.
Un mayor voltaje implica un menor tamaño de los cables.
El coste aproximado de los sistemas solares sobre tejado conectados a la red para el ejercicio 2018-19 varió entre 53 rupias por vatio y 60 rupias por vatio.

Esquema del sistema solar fotovoltaico Fig. 3. Energía solar conectada a la red sin batería
Fig. 3. Energía solar conectada a la red sin batería
Fig 4. Grid tied solar with battery storage
Fig 4. Grid tied solar with battery storage

Sistema solar fotovoltaico interactivo o vinculado a la red (híbrido) con almacenamiento en batería

Este tipo de sistema solar fotovoltaico está conectado a la red y puede optar a incentivos estatales, al tiempo que reduce su factura de servicios. Al mismo tiempo, si hay un corte de energía, este sistema tiene energía de respaldo. Los sistemas basados en baterías conectadas a la red proporcionan energía durante un apagón y pueden almacenar energía para utilizarla en caso de emergencia. Las cargas esenciales, como la iluminación y los electrodomésticos, también cuentan con energía de reserva cuando se corta la electricidad. También se puede utilizar la energía durante las horas de máxima demanda porque la energía se ha almacenado en el banco de baterías para su uso posterior.

Los principales inconvenientes de este sistema solar fotovoltaico son que su coste es más elevado que el de los sistemas básicos conectados a la red y que es menos eficiente. También hay componentes añadidos. La incorporación de las baterías también requiere un controlador de carga para protegerlas. También debe haber un subpanel que contenga las cargas importantes de las que se quiere hacer una copia de seguridad. No todas las cargas que la casa utiliza en la red se respaldan con el sistema. Cargas importantes que se necesitan cuando hay un corte de energía. Están aislados en un subpanel de respaldo.

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