Curso Energía Solar Fotovoltaica. Funcionamiento de la Energía Fotovoltaica

Transcripción

1 Curso Energía Solar Fotovoltaica Funcionamiento de la Energía Fotovoltaica

2 Temario El Efecto Fotovoltaico Semiconductores P y N Célula Solar Característica I-V Potencia máxima y Eficiencia Efectos de la Irradiancia y Temperatura Células Solares Nuevos Conceptos Comparación de Células Solares

3 El Efecto Fotovoltaico ü Las células solares se fabrican con semiconductores. ü Los semiconductores son elementos sólidos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. ü El semiconductor másutilizado es el silicio. Los átomos de silicio tienen su orbital externo incompleto con solo cuatro electrones denominados electrones de valencia. Estos átomos forman una red cristalina en la que cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con los cuatro átomos vecinos formando enlaces covalentes.

4 El Efecto Fotovoltaico Cualquier aporte de energía, como una elevación de la temperatura o la iluminación del semiconductor, provoca que algunos electrones de valencia absorban suficiente energía para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina una vacante (hueco) que con respecto a los electrones circundantes tiene efectos similares a los que provocaría una carga positiva. A las vacantes así producidas se las llama huecos con carga positiva. La energía mínima necesaria para romper un enlace y generar un par electrón hueco esuna cantidad constante, característicadel material semiconductor, que se denomina energía de enlace. Para el silicio, la energía necesaria para generar un par electrón-hueco es 1,12 ev.

5 El Efecto Fotovoltaico La luz solar estáformada por fotones que se pueden definir como partículas sin masa con una determinada cantidad de energía. Las diferentes energías de los fotones corresponden a las diferentes longitudes de onda quecomponen el espectro electromagnético solar. 200<λ<380 nm 3,1 ev Ultravioleta Luz Visible 380<λ<780 nm 3,1 ev a 1,6 ev 780<λ<2500 nm 1,6 ev λ>1100nm <1,2 ev Infrarrojo

6 El Efecto Fotovoltaico Los electrones y huecos que se generan al iluminar un semiconductor se mueven por su interior aleatoriamente, cada vez que un electrón encuentra un hueco, lo ocupa y libera la energía adquirida previamente en forma de calor, esto se llama recombinación de un par electrón-hueco. Este proceso no tiene ninguna utilidad si no se consigue separar los electrones y los huecos de manera que se agrupen en diferentes zonas para formar un campo eléctrico, de forma que el semiconductor se comporte como un generador eléctrico. Si de alguna forma se consigue mantener esta separación y se mantiene constante la iluminación aparece una diferencia de potencial. Esta conversión de luz en diferencia de potencial recibe el nombre de efecto fotovoltaico. Para conseguir la separación de electrones y huecos se utiliza una unión de semiconductores P y N.

7 Semiconductores P y N Para mejorar la conductividad eléctrica de los semiconductores se utilizan impurezas añadidas voluntariamente, operación denominada dopado, que pueden ser de dos tipos: Impurezas pentavalentes. Son elementos cuyos átomos tienen cinco electrones de valencia en su orbital externo. Entre ellos se encuentran el fósforo, el antimonio y el arsénico. Impurezas trivalentes. Sonelementos cuyos átomos tienen tres electrones de valencia en su orbital externo. Entre ellos se encuentran el boro, el galio y el indio. Impurezas Pentavalentes (Fosforo). Semiconductor tipo N Impurezas trivalentes (Boro). Semiconductor tipo P

8 Semiconductores P y N Unión PN Por la atracción entre cargas positivas y negativas, los electrones libres de la región N más próximos a la región P se difunden en esta, produciéndose la recombinación con los huecos más próximos de dicha región. En la región N se crean iones positivos En la región P se crean iones negativos. Por el hecho de formar parte de una red cristalina, los iones mencionados no se pueden mover y por lo tanto no son libres para recombinarse. Esta distribución de cargas en la unión establece un campo eléctrico o barrera de potencial que impide el paso del resto de electrones de la región N a la región P, deteniendo la difusión y manteniendo separados a los portadores de carga de cada región. Una unión PN no conectada a un circuito exterior queda bloqueada y en equilibrio electrónico a temperatura constante.

9 Célula Solar Una célula solar básica es una unión PN con un contacto en la región P y otro en la región N que permiten el conexionado con un circuito eléctrico. Si se ilumina la célula, a los electrones y huecos generados los separa la barrera de potencial de la unión PN, acumulando huecos en la región P y electrones en la región N. La acumulación de cargas produce una diferencia de potencial, que aumenta cuando aumenta la iluminación. Esta diferencia de potencial se opone a la generadapor la barrera de potencial de la unión PN, empujando a los electrones hacia la región P y a los huecos hacia la región N, recombinando los pares electrón-hueco generados. Por lo tanto, la acumulación de electrones y huecos tendrá un límite, que dependerá de la dificultad de las cargas para encontrarse de nuevo en el interior del semiconductor. La diferencia de potencialque se alcanza recibe el nombrede tensión de circuito abierto, U oc.

10 Célula Solar Si cortocircuitamos la célula uniendo las regiones P y N con un conductor exterior de resistencia nula, los electrones de la región N se desplazan a través del conductor y se recombinan con los huecos de la zona P. La corriente que circulará por el conductor se mantendrá mientras que esté iluminado, siendo esta corriente proporcional a dicha iluminación. Esta corriente recibe el nombre de corriente de cortocircuito, I sc.

11 Célula Solar Si se conecta un receptor en el circuito exterior la resistencia de dicho receptor condicionará la diferencia de potencial generada por la célula. De las cargas generadas por la iluminación de la unión PN, una parte circulará por el receptor produciendo un trabajo y otra se recombinará en el interior de la célula produciendo calor. Si R, habrá una acumulación mayor de portadores en la unión PN, aumentando U L e incrementando la recombinación de portadores en la célula. Si R 0, la mayoría de los portadores circularán por el circuito exterior, reduciendo la acumulación de portadores en la unión PN y disminuyendo U L.

12 Característica I-V La características i u y p u de una célula solar con irradiancia y temperatura constantes. Sobre la característica i u se sitúa el punto de trabajo de la célula, por ejemplo el punto B, donde la corriente aportada por la célula I L y la resistencia R del receptor, fijan el valor de la tensión U L, de acuerdo con la ley de Ohm: ( Ω) R : Resistencia del receptor UL = IL R I L: Intensidad suministrada por la célula ( A) U L : Tensión del receptor conectado a la célula V La potencia PL entregada por la célula se representa en la característica p u por el punto B y tiene como valor: ( ) ( ) P L : Potencia entregada por la célula W PL = UL IL I L: Intensidad suministrada por la célula A U L : Tensión del receptor conectado a la célula V ( ) ( )

13 Potencia Máxima y Eficiencia Potencia máxima. Punto dela característica i u en el quela potencia entregada por la célula es máxima. Este punto, representado por A, tiene su correspondiente punto A en la característica p u de la célula. Se cumple que: mpp ( ) ( ) ( ) P máx : Potencia máxima de la célula W Pmáx = Umpp Impp I mpp: Intensidad máxima de la célula A U : Tensión máxima de la célula V Este producto es la potencia máxima que la célula es capaz de suministrar a un receptor, está representado por el área del rectángulo sombreado con vértice en A y siempre es inferior al área del rectángulo representado por la corriente de cortocircuito I sc y la tensión de circuito abierto U oc. El cociente entre ambas áreas se denomina factor de forma (FF):

14 Potencia Máxima y Eficiencia FF FF : Factor de forma, sin unidades U I P P máx : Potencia máxima ( W ) Uoc Isc Uoc Isc I sc: Intensidad de cortocircuito A U oc : Tensión de circuito abierto V mpp mpp máx = = ( ) ( ) El factor de forma FF siempre es inferior a la unidad. Es un indicador de la calidad de la célula que será mejor cuanto más cerca esté FF de la unidad.

15 Potencia Máxima y Eficiencia Eficiencia. También denominada rendimiento de conversión, η, indica el porcentaje de energía solar recibida sobre la superficie de la célula que se convierte en energía eléctrica. Se calcula con el cociente entre la potencia eléctrica máxima, P máx, y el producto del área superficial de la célula, A c, por la irradiancia incidente G en condiciones estandar de medida (CEM): P máx η= G Ac ( ) η : eficiencia % P máx : Potencia máxima W ( ) 2 ( ) 2 ( ) G : irradiancia en condiciones CEM 1000 Wm A c : Área superficial de la célula m

16 Efectos de la Irradiancia y Temperatura La figura muestra el efecto de la irradiancia en la característica i u de una célula solar. Como se puede ver, la intensidad de cortocircuito, Isc, varía con la irradiancia, siendo esta variación lineal, de acuerdo con la expresión: I : intensidad de cortocircuito para una irradianción G A sc G I sc( CEM) Isc( G) = G I sc( STC) : intensidad de cortocircuito en condiciones CEM ( A) G : irradiancia ( W m ) ( ) ( ) La tensión de circuito abierto, U oc, varía muy poco con la irradiancia, los valores de U oc para diferentes irradiancias se agrupan en una zonamuypequeña sobre el eje deabscisas, por lo tanto, a efectos prácticos, se puede considerar como constante. La potencia eléctrica de una célula solar será mayor o menor en función de la irradiancia de la radiación solar.

17 Efectos de la Irradiancia y Temperatura La figura muestra el efecto de la temperatura de la célula sobre la característica i u. Se puede ver que la tensión de circuito abierto disminuye cuando aumenta la temperatura. La intensidad de cortocircuito aumenta cuando aumenta la temperatura, aunque la variación es muy pequeña y a efectos prácticos se considera constante. Es evidente que si la tensión de la célula disminuye cuando aumenta la temperatura y la intensidad prácticamente se mantiene constante, la potencia entregada por la célula, producto de la tensión por la intensidad, disminuirá cuando aumente la temperatura.

18 Efectos de la Irradiancia y Temperatura Se aprecia que la potencia máxima es inferior al 90 % con temperaturas de la célula próximas a 50 C, valor que se puede alcanzar con una temperatura ambiente de 30 C. La temperatura de una célula, que forma parte de un módulo fotovoltaico, alcanza unos 20 C por encima de la temperatura ambiente, pero en condiciones de mala disipación del calor. Malas condiciones se generan cuando los módulos que contienen las células se integran en fachadas, la temperatura de la célula puede alcanzar valores superiores a 75 C que reduce la potencia por debajo del 80 %.

19 Efectos de la Irradiancia y Temperatura La temperatura de trabajo de una célula solar depende de la temperatura ambiente y de la irradiancia. Aproximadamente se calcula con la fórmula: ( C) T c : Temperatura de trabajo de la célula TONC 20 T a : Temperatura ambiente ( C ) Tc = Ta + G 800 TONC : Temperatura de operación nominal de la célula C 2 G : Irradiancia ( W m ) El valor de la temperatura de operación nominal de la célula (TONC) es un parámetro que se obtiene de las hojas de características de los módulos fotovoltaicos, toma valores que van de 43 a 49 C y si no se dispone de él se puede tomar 45 C como un valor razonable. ( )

20 Constitución de una Célula Solar Una célula solar convencional está construida a partir de una oblea de material semiconductor como el silicio, de un espesor aproximado de entre 100 y 500 μm, en la que se ha difundido boro (impureza trivalente, región P) y sobre la que se difunde una capa muy fina, de 0,2 a 0,5 μm, de fósforo (impureza pentavalente, región N), para obtener una unión PN.

21 Constitución de una Célula Solar Para aumentar el rendimiento de la célula, la cara que va a recibir la luz solar se somete a un proceso, denominado texturización, que crea micropirámides superficiales para reducir la reflexión en la superficie de la célula. Sobre esta superficie se dispone una rejilla metálica que proporciona una buena conexión eléctrica dejando al descubierto la mayor cantidad posible de superficie receptora de la luz solar. Esto se consigue disponiendo láminas metálicas en forma de peine, muy finas, con anchuras que van de 20 a 150 mm según la técnica de implantación utilizada. La rejilla descrita es el terminal negativo de la célula, el terminal positivo se consigue con la metalización de la cara posterior. La célula se completa depositando una capa antirreflexiva en la cara frontal que facilita la absorción de fotones.

22 Células Solares Tipos de Células Células Cristalinas Células de Capa Fina Células de Estructura Nano Silicio monocristalinas Policristalinas EFG Contacto Posterior Silicio Amorfas CIS de Estructura Nano Silicio estándar - Dopaje P Silicio de Capa Fina (micromorfas) Poliméricas Alto rendimiento - Dopaje N CIS (Cu(In,Ga)Se 2 Materia Colorante Contacto posterior CIS de Franjas/CIS de Esferas/CuInS2 Esferas Telurio de Cadmio (CdTe) Franjas (Sliver cells) Células Hibrídas (HIT) Concentradoras

23 Células Solares

24 Células de Silicio Monocristalinas Descripción Detalle Eficiencia : 15 18% Forma : Redonda, Semi-cuadrada, Cuadrada Tamaño en cm x cm : d=10; 12,5; 15; mayormente (10x10) cm 2 ó (12,5x12,5) cm 2 Grosor : 0,14 a 0,3 mm Estructura : Homogénea Color : Azul oscuro hasta negro

25 Células de Silicio Policristalinas Descripción Detalle Eficiencia : 13 16% Forma : Redonda, Semi-cuadrada, Cuadrada Tamaño en cm x cm : d=10; 12,5; 15; mayormente (12,5x12,5); (15,6x15,6);(20x20) cm2 Grosor : 0,14 a 0,3 mm Estructura : De Flor de Escarcha Color : Azul (con AR), gris plata (sin AR)

26 Células de Silicio Policristalinas TRATAMIENTO ANTIREFLEJANTE Verde : 11,8% Dorado : 12% La capa de grosor determina el comportamiento del fenómeno de reflexión y el color Marrón : 12,5% Violeta : 13,2% Sin AR : 13,2%

27 Células de Capa Fina Comparación del grosor de las células, el consumo de material y el gasto de energía para la producción de células de silicio de capa fina (izquierda) y células cristalinas (derecha)

28 Células de Silicio Amorfas ü ü ü ü Bajos Costos. Ideal para cubierta de superficies. Vida más corta Eficiencia 8%

29 Células de Silicio Amorfas PILA DE CÉLULAS AMORFAS Long. Onda Corta Long. Onda Media Long. Onda larga Células de triple unión Fabricante UniSolar (USA) Eficiencia 5 al 7% Celda absorbe azul Celda absorbe Verde Celda absorbe Roja Capa Reflectora Substrato (Vidrio) Sensibilidad de una célula amorfa de triple unión y de sus células individuales superpuestas

30 Células de cobre, indio y selenio (CIS) ü Son unos de la más alta eficiencia de más bajo costo, de paneles solares de película delgada. ü No utiliza silicio cristalino para hacer las células solares. ü Mientras que los paneles solares de silicio cristalino en la actualidad representan más del 85 por ciento de la infraestructura actual solar CIGS se está convirtiendo cada vez más aceptada como la solución más rentable y eficiente. ü CIGS tiene el mayor potencial de materiales alternativas conocidos de silicio cristalino. ü El aprovechamiento de CIGS potencial en una película delgada permite un alto rendimiento y menores costos. ü Eficiencia 9-12%

31 Células de cobre, indio y selenio (CIS) NUEVAS TECNOLOGÍAS Células de Cobre-IndioBisulfuro Células de esferas CIS Células CIS de franjas Células CIS de nano estructura Células CIS de Folios Metálicos

32 Células de Telurio de Cadmio (CdTe) ü Menos del 2% del contenido equivalente de semiconductores de silicio cristalino. ü Elevado rendimiento energético. ü La eficacia de CdTe, el semiconductor utilizado, es menos susceptible a las variaciones de temperatura de la célula de semiconductores tradicionales. ü CdTe convierte la luz baja y difusa a la electricidad de manera más eficiente que las células convencionales. ü Eficiencia 9-18%

33 Células de Concentración Solar Hasta 46% de Eficiencia Instalación de CPV Minera Centinela Oxidos

34 Células de Concentración Solar

35 Concentrator Photovoltaic Thermal (CPVT) Células de Concentración Solar Receptor Concentrador

36 Nuevos Conceptos: Células de Material Colorante Panel Comercial de una producción de pequeña envergadura STA, Australia

37 Nuevos Conceptos: Células Orgánicas

38 Comparación de Células Solares

39 Comparación de Células Solares Instalación FV de 1 kwp de diferentes tecnologías: Policristalino, monocristalino, CIS, Silicio Amorfo, CdTe (de izquierda a derecha)

40 Comparación de Células Solares