GENERADOR FOTOVOLTAICO

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1 GENERADOR FOTOVOLTAICO Efecto fotovoltaico Consiste en la conversión de la energía que transportan los fotones de luz, cuando inciden sobre materiales semiconductores, en energía eléctrica capaz de impulsar los electrones despedidos a través de un circuito exterior, realizando un trabajo eléctrico útil. Para que los electrones pasen por este circuito exterior realizando un trabajo útil, es necesario atraparlos antes de que se vuelvan a recombinar en el semiconductor, para ello se introducen en el semiconductor elementos químicos (dopantes) que produzcan un exceso de electrones (semiconductor tipo N) o de huecos (semiconductor tipo P). Semiconductor tipo P: Silicio (4 electrones de enlace) dopado con Aluminio (3 electrones de enlace). Cada átomo de Al se unirá con 3 átomos de Si dejando un hueco. Ver figura Pag 351 Semiconductor tipo N: Silicio (4 electrones de enlace) dopado con Antimonio (5 electrones de enlace). Cada átomo de Sb se unirá con 4 átomos de Si dejando el electrón sobrante libre. Ver figura Pag 351 En ambos casos la carga neta del material (cristal) es cero, dado que cada átomo tiene igual número de protones que de electrones. Tipo P o N hacen referencia a la carga aparente que queda libre en la red cristalina (material). Unión P-N Si se une un semiconductor tipo P con uno tipo N. Algunos electrones de la zona N pasarán a la P. En la unión la zona P quedará cargada negativamente y la N positivamente, creándose una barrera de potencial que no dejará pasar indefinidamente los electrones. En estas condiciones si incide la luz y los fotones comunican energía a los electrones del semiconductor, algunos de los electrones pueden atravesar la barrera de potencial, siendo expulsados del semiconductor a través de un circuito exterior: se produce una corriente eléctrica. Los electrones vuelven al semiconductor después de recorrer el circuito externo por Página 1 de 10

2 la cara opuesta. Ver fig pag 352 La barrera de potencial (región de agotamiento) hace que los electrones se conduzcan por el circuito exterior antes de que se puedan recombinar, y por tanto se produce la corriente eléctrica. El material semiconductor sólo transforma la energía no la almacena. Debido a que no todas las frecuencias de la luz pueden ser aprovechadas por los materiales semiconductores para producir el efecto fotovoltaico (dependiendo del material semiconductor la respuesta espectral será diferente) la eficiencia de una célula fotovoltaica comercial no supera el 17%. Es decir, la célula sólo será capaz de transformar en energía eléctrica como máximo un 17% de la energía luminosa (fotones) que le llegue. Célula fotovoltaica Formada por una unión P-N de materiales semiconductores. Al ser excitada por la luz es capaz de producir una corriente eléctrica sobre la carga que tiene conectada. Su funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico comentado anteriormente. Página 2 de 10

3 Característica I-V de una célula solar o fotovoltaica Ver fig pag 354 Corriente de cortocircuito I SC y Tensión de circuito abierto V OC : La región comprendida entre I SC y V OC corresponde al funcionamiento de la célula como generador. I M y V M se corresponden con el punto de máxima potencia (siempre la da el fabricante medida en condiciones estandares por lo que nunca se alcanzará ya que sólo por calentamiento la eficiencia de la célula disminuye, además de condiciones meteorológicas, etc) Debemos trabajar siempre con potencias o tensiones nominales del fabricante, si son máximas debemos aplicar un factor de corrección por perdidas aprox. 0,9. Factor de Forma FF=I M V M /I SC V OC, siempre es menor que la unidad, toma valores 0,7-0,8. La potencia máxima que da una célula puede escribirse como P M =FF*I SC *V OC Eficiencia (rendimiento) de conversión de la célula: Cociente entre la máxima potencia eléctrica que puede entregar a la carga y la radiación incidente PL. nu=i M V M /P L =FF*I SC *V OC /PL Factores que afectan al funcionamiento de la célula Al aumentar la irradiancia, aumenta la I SC, también aumenta la V OC pero muy ligeramente. Aumenta por tanto la P máxima y el FF. El rendimiento de la célula es mayor. Si Temperatura VOC y FF con lo que baja tensión de trabajo y P, el rendimiento es menor. La ISC aumenta ligeramente. Página 3 de 10

4 Tipos de células Monocristalino, policristalino y amorfo características en Pag 360 Proceso de creación de células de silicio monocristalino. Método de cristalización Czochralsky, CZ: a partir de sílice (arena) por un proceso de purificación se obtiene sílice puro, éste se funde con una pequeña porción de Boro a 1400º. Se introduce en el líquido (silicio fundido) un cristal germen de silicio, al que se van uniendo lentamente átomos del líquido perfectamente ordenados siguiendo la estructura del cristal. Se obtiene un monocristal cilíndrico. Una vez enfriado se corta en obleas de unas 3 décimas de milímetro de grosor. Se introduce la oblea en hornos especiales en los que se dopa el material por una de las caras. Creando así la unión P-N. Proceso antireflectante: se recubre o texturiza la superficie de la célula (pirámides o pirámides invertidas pag 358) para que los rayos que incidan sobre ella puedan volver a incidir sobre la misma (para aprovechar mejor la radiación) Se provee por último a la célula de contactos electrónicos, para que los electrones encuentren un camino fácil para entrar y salir de la misma. Para ello se deposita una rejilla de un material muy buen conductor, sin cubrir demasiada superficie de la célula. El rendimiento de una célula monocristalina de silicio no suele superar el 16%. La célula al final tendrá la mitad del rendimiento teórico del material, debido a: Pérdidas por reflexión. Fotones que inciden sobre la rejilla metálica y no sobre el semiconductor. Pérdidas por efecto Joule al circular la corriente a través de la célula (Resistencia de la rejilla y a su unión con el semiconductor) Página 4 de 10

5 El panel Fotovoltaico Características físicas: Un módulo fotovoltaico debe estar dotado de los siguientes elementos: Células fotovoltaicas: se unen mediante soldaduras especiales que unen el dorso de una célula con la cara frontal de la adyacente. Encapsulado de las células: medio protector y de estabilidad de las células.(vidrio templado-material organico adecuado, ej acetatto de etilen vinilo-las células-otra capa de sustrato orgánico-cubierta posterior, ej láminas de polímeros u otro vidrio) Recubrimiento posterior: para protección y cerramiento del módulo. Cubierta transparente: recubre el módulo a la vez que deja pasar la luz. Enmarcado y sistema de fijación: para la integración del módulo en la estructura o soporte. Conexiones eléctricas: Una o dos cajas situadas en la parte posterior del módulo, con los terminales + y del mismo. Las cajas deben ser aptas para la intemperie y disponer de prensaestopas para el cableado de interconexión del módulo. Página 5 de 10

6 Los paneles son cuadrados o rectangulares con áreas desde 0,1 a 2m 2 (1 a 1,5m 2 los rectangulares). El grueso total, sin marco, está entre los 3-4cm. Son relativamente ligeros. Deben cumplir la norma UNE-EN 61215, sienta las exigencias de cualificación, diseño y homologación de los módulos fotovoltaicos (FV) de silicio cristalino de uso terrestre. La norma UNE-EN 61646, Módulos fotovoltaicos (FV) de lámina delgada para uso terrestre. Cualificación del diseño y homologación. Características eléctricas Los módulos fotovoltaicos son por lo general de 12 o 24 V en coriente continua y ofrecen potencias entre 5 y 165 W. Su comportamiento eléctrico deriva de las células que lo componen, destacaremos las siguientes consideraciones: Para que el panel funcione debe incidir ración solar sobre él, Los rayos deben ser los más perpendiculares al mismo posible para que su funcionamiento o rendimiento se óptimo. Si el panel está en cortocircuito R=0, la corriete que circula por él es máxima y se denomina corriente de cortocircuito, I SC. I SC varía con la irradiancia recibida de forma directa y lineal. Voltaje a circuito abierto, voltaje máximo que da el panel cuando I=0, R. Varía de forma inversa con la temperatura. Tensión nominal: Hace referencia a la idoneidad el panel para su utilización en sistemas con esa tensión habitual de trabajo. No tiene nada que ver con la tensión a máxima potencia. Curva I-V: Un panel produce una determinada corriente eléctrica que fluye a través del circuito externo que posee una determinada resistencia R. La curva característica I-V de este circuito intersecta la curva característica del panel, con lo que se fija el voltaje e intensidad de trabajo del mismo. Cuando el panel está conectado a alguna carga, los valores de V e I (si no es circuito abierto o cortocirtcuito) dependen de la carga y de las características del panel. Intensidad y tensión en el punto de máxima potencia: único par de valores I M y V M para los que la potencia entregada por el panel es máxima. Decimos que un panel trabaja en condiciones de potencia máxima cuando la resistencia del circuito externo es tal que determina unos valores de corriente y voltaje (I M y V M ) tales que su producto sea máximo. Normalmente el panel no trabaja en condiciones de potencia máxima. Página 6 de 10

7 Las características eléctricas especificadas por el fabricante se obtienen bajo unas condiciones determinadas llamadas condiciones estándar de medida (CEM), son: Irradiancia incidente: 1000W/m 2 Incidencia normal Espectro radiante (densidad del aire): AM 1,5 T ra de la célula: 25ºC T ra de operación nominal de la célula, TONC, T ra que alcanza la célula en las siguientes condiciones (La temperatura de trabajo de la célula aumenta con la irradiancia y la T ra ambiente): Irradiancia incidente: 800W/m 2 Incidencia normal Espectro radiante (densidad del aire): AM 1,5 T ra ambiente: 20ºC Velocidad del viento: 1m/s Página 7 de 10

8 Si se modifica la irradiancia o la tra ambiente la curva I-V del panel cambia: El voltaje disminuye aprox 2,3 mv por cada grado por encima de 25º y por cada cm 2 de área del panel. La corriente aumenta 15microA por cada grado por encima de 25º y por cada cm 2 de área del panel. La potencia del panel disminuye aprox un 0,5% por cada grado de temperatura por encima de los 25ºC. Podemos suponer que la T ra media de trabajo del panel es 20ºC superior a la T ra ambiente. Curva I-V de un panel fotovoltaico variando la irradiancia pag 364 Página 8 de 10

9 Interconexionado de módulos Los paneles se conectarán en serie hasta conseguir el voltaje deseado y en paralelo para obtener la intensidad deseada. El número de paneles que calculemos necesarios será redondeado al entero superior. Como todos los paneles no son iguales (ni siquiera las células que componen un solo panel), ni en todos, ni en todas sus células, va a incidir la radiación de la misma forma en todo momento, se van a producir pérdidas: Por dispersión ya que todos los generadores no generan la misma potencia (la suma de las potencias de los módulos es inferior a la potencia entregada) Por punto caliente, algunas células se convierten en cargas disipando la energía generada por las demás, elevando la T ra y dañando el panel. Una forma de reducir las pérdidas por dispersión consiste en clasificar los módulos en función del valor I M y construir cada rama en serie con módulos de la misma categoría. En el mercado actual se da por bueno cualquier módulo cuyas características eléctricas no difieren de los valores nominales en más de un 10%. Para evitar el punto caliente (sobrecalentamiento indeseado), se conectan diodos de paso en paralelo con los grupos de células asociadas en serie (Ver fig pag 368) El problema del punto caliente también puede producirse cuando se asocian en paralelo elementos con diferencias de tensión. Para evitarlo se instalan diodos de bloqueo en serie con cada elemento de asociación en paralelo. Ver fig pag 369 Las diferencias de tensión entre los elementos no suelen ser significativas y no se suelen instalar en generadores inferiores a 120V. Sin embargo estos diodos de bloqueo tienen en sistemas con acumuladores, la aplicación de evitar que durante la noche se descarguen las baterías, al ser su tensión mayor que la de los paneles, para ello se intercalan diodos de bloqueo entre los paneles y la batería. Página 9 de 10

10 Protecciones del generador fotovoltaico Página 10 de 10

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