Fundamentos de Conversión

Transcripción

1 Fundamentos de Conversión Solar FV Prof. Rodrigo Valdovinos F Fundamentos FV - IDMA 1

2 Conversión de la Energía Solar Uso Directo Iluminación Ciclo hidrológico, vientos, efecto invernadero de la Tierra. Conversión Biológica Fotosíntesis Conversión Directa FV Conversión Térmica Natural Artificial Efecto Invernadero: colectores planos, tubos al vacío, destiladores, deshidratadores. Concentración: hornos solares, centrales de potencia, calor industrial. Arquitectura Solar: sistemas de climatización activa y pasiva Fundamentos FV - IDMA 2

3 Métodos de Conversión de la Energía Solar La radiación solar propiamente tal la podemos utilizar en forma directa solo como iluminación. Si queremos aprovecharla con otros fines, típicamente la misma se debe convertir en otra forma de energía. Los tres métodos de conversión de la energía solar son: Conversión biológica: es lo que hacen las plantas por medio de la fotosíntesis. Las hojas de las plantas (más bien su clorofila) captan los fotones de la radiación solar y aprovechan esta energía para fabricar productos químicos. Así absorben radiación y convierten Carbono e Hidrógeno (Carbono proveniente del CO2 e Hidrógeno proveniente del agua) en Carbohidratos, azúcares y otros compuestos (por ejemplo celulosa). Como subproducto liberan oxígeno a la atmósfera. El proceso de conversión biológica es lo que permite la existencia de la vida en la tierra como la conocemos. Antes de que existieran las plantas fotosintéticas existía vida en la tierra (solo en los mares), pero la atmósfera no tenía oxígeno y el UV bombardeaba la superficie terrestre. La presencia de oxígeno en la atmósfera permite la existencia de los animales. En efecto, los animales absorben el oxígeno atmosférico, liberan CO2 y se comen a las plantas (u otros animales), sacando de allí la energía para sobrevivir. Así que las plantas son verdaderas factorías energéticas. 3

4 Métodos de Conversión de la Energía Solar Conversión térmica: en este caso la radiación solar simplemente se transforma en calor. Es el método de conversión más sencillo que existe. Está detrás del ciclo hidrológico y el ciclo de los vientos. Pero con tecnología podemos aumentar mucho su eficacia y además lograr temperaturas de trabajo muy elevadas. Conversión Directa: es el más reciente método de conversión de la energía solar. Consiste en transformar la misma directamente en energía eléctrica. También se conoce como fenómeno fotoeléctrico. Solo se descubrió a fines del Siglo XIX y su explicación física data de los trabajos de Albert Einstein a inicios del siglo XX (donde se introduce el concepto de fotón). La primera fotoceldapráctica data recién de 1954 por el descubrimiento de los Laboratorios Bell de las celdas solares. Hoy es una real opción de generación eléctrica, con una producción mundial de celdas que supera las decenas de Megawatts de capacidad al año. 4

5 Conductores Aislantes semi conductores Un material es conductor cuando los electrones de su última capa orbital están débilmente ligados al núcleo. Esto ocurre en forma natural con los metales pesados. Podemos imaginarnos el sólido conductor como átomos en posiciones estables rodeados de electrones con una gran movilidad. + - Al aplicar una diferencia de potencial, se mueven en el sólido, pudiendo conducir con facilidad la electricidad. Fundamentos FV - IDMA 5

6 Conductores Aislantes semi conductores Un material es aislante los electrones de su última capa orbital están fuertemente ligados al núcleo. Al aplicar una diferencia de potencial, los electrones no pasan a la banda de conducción. Cuando esta diferencia es muy grande, se rompen los enlaces, lo que típicamente destruye el material. + - Al aplicar una diferencia de potencial, los electrones se desplazan del punto de equilibrio. Se puede almacenar electricidad. Fundamentos FV - IDMA 6

7 Conductores Aislantes semi conductores En un semi conductor la situación es intermedia. Los electrones externos no están excesivamente ligados al núcleo, pero no es excesivamente fuerte. Con suficiente diferencia de potencial o con excitación térmica los electrones pueden pasar a la banda deconducción. Al hacerlo, dejan hueco en la estructura. Si otro electrón pasa cerca del hueco, es posible caiga en él,recombinándose. + - Un semiconductor puede conducir electricidad, pero tiene alta resistencia eléctrica. Fundamentos FV - IDMA 7

8 Conductores Aislantes semi conductores El fenómeno de ocupar nuevamente un hueco por un electrón se llama recombinación. La distancia media que puede recorrer un electrón antes de recombinarse se llama recorrido libre. + - Un material de especial interés para estos efectos es el silicio. Tiene 4 electrones en la banda de valencia y estructura tetrahedral. Fundamentos FV - IDMA 8

9 Conductores Aislantes semi conductores Si al silicio puro lo dopo con otro material, puedo cambiar sus propiedades eléctricas. Por ejemplo, si reemplazo átomos de silicio por Boro, van a sobrar huecos. + - Este se llama un material tipo P (positivo) pues sobran huecos. Fundamentos FV - IDMA 9

10 Conductores Aislantes semi conductores En cambio si lo dopo con fósforo o arsénico, quedan electrones prácticamente libres. Genero así un material tipo N. + - La cantidad de dopante es muy pequeña. Menos de 1 átomo por cada millón original. Fundamentos FV - IDMA 10

11 Diodo Si juntamos material tipo N con material tipo P, formamos un diodo. Este permite la conducción eléctrica en un sentido, pero bloquea el flujo eléctrico en el otro sentido. + - La cantidad de dopante es muy pequeña. Menos de 1 átomo por cada millón original. Veamos como funciona Fundamentos FV - IDMA 11

12 Funcionamiento Diodo Esto se debe a que en la juntura n-p los electrones del lado n migran y ocupan los huecos inmediatos al lado p. Se crea así una barrera de potencial. - + Al alimentar electrones por el lado -, estos primero deben subir la barrera de potencial, pero después el movimiento es fácil. Fundamentos FV - IDMA 12

13 Funcionamiento Diodo (2) Si quiero hacer fluir la electricidad en sentido inverso, entonces los electrones se apilan en la barrera de potencial y no pueden pasar + - Así, el diodo permite el flujo eléctrico en un solo sentido Fundamentos FV - IDMA 13

14 Funcionamiento Fotocelda En 1954, en los Laboratorios Bell, se descubrió por accidente que si se iluminaba un diodo, se generaba una fotocorriente. Esta era mucho mayor que lo previamente conocido. - + De golpe, la eficiencia del fenómeno fotoeléctrico pasa de valores inferiores al 1% a más del 5% Fundamentos FV - IDMA 14

15 Funcionamiento Fotocelda Este es un fenómeno cuántico, los fotones que constituyen la luz son los que generan la fotocorriente. Un fotón puede liberar directamente un Lambda Gap electrón o bien un fotón más un fonón (agitación térmica) pueden hacer saltar un electrón a la banda de conducción (generación indirecta). Es claro que el fenómeno implica que los fotones deben tener energía mínima para generar movimiento de electrones. Por lo tanto no se aprovecha todo el espectro solar. Por lo tanto el rendimiento será función del espectro de luz y del gap o salto que es propio del diodo. A medida que el gap crece, se requieren fotones de más energía, es decir de longitudes de onda más cortas. Fundamentos FV - IDMA 15

16 Rendimiento Fotocelda Si la celda se ilumina con luz monocromática, el rendimiento de conversión podría ser 100%. Pero al usar luz solar, el rendimiento es inferior. La figura de la izquierda representa el rendimiento máximo teórico en función del Gap de voltaje de la juntura (expresada en electrón volts). También aparecen varios semiconductores que se utilizan para fabricar celdas solares. Vemos que el Silicio tiene un rendimiento máximo de 21%. Esto se debe a que le gusta la energía más cargada al infrarrojo. Fundamentos FV - IDMA 16

17 Puntos claves en Fotocelda En la figura se observa la curva I-V característica de una fotocelda. Voc es el voltaje en circuito abierto. Isc es la corriente en cortocircuito. En una fotocelda el voltaje es poco sensible a la intensidad de la radiación solar, pero la corriente es muy sensible a esta. Existe un punto donde el producto IxV se maximiza, este es el punto de máxima potencia (para una intensidad de radiación dada). En ese punto tenemos la intensidad de corriente Im y el voltaje Vm. Se llama factor de relleno (FF) al cuociente entre: FF = I I m sc V V m oc Fundamentos FV - IDMA 17

18 Producción de Fotocelda La corriente que produce la fotocelda aumenta con la intensidad de radiación solar. En efecto, pues más radiación implica más fotones. El ideal sería que el lugar geométrico que une los puntos de máxima potencia fuera una recta vertical. En general, el doble de intensidad de radiación significa el doble de corriente. Las características de las celdas se obtienen a 25ºC. Fundamentos FV - IDMA 18

19 Celdas Módulos -Sistemas Celda solar: es el elemento básico donde se convierte la energía solar en electricidad. Debe tener algunas características muy importantes: Gran superficie: la intensidad de la radiación es del orden de los 100 mw/cm2. Una grilla en la superficie para captar los electrones. Ser delgada de manera de utilizar poco material. Reflejar poca radiación solar. Fundamentos FV - IDMA 19

20 Celdas Módulos -Sistemas Veamos el aspecto que tienen en realidad. También algunas de sus características. Esta es monocristalina, vemos la cara delantera. Se observa la grilla y los dos conductores principales. Por detrás está el segundo conductor. Este cubre toda la base. Esta celda tiene 10 cm de diámetro. Actualmente se fabrican de 15 centímetros. La superficie tiene tratamiento antireflectante. Grilla Conducto r Fundamentos FV - IDMA 20

21 Celdas Módulos -Sistemas Diodo de bloqueo Al interconectar varias celdas entre sí formamos un módulo. Con el módulo se obtienen las características de voltaje y corriente que se desean. Cada celda de Si genera aproximadamente 0,5 V. Por lo tanto un módulo tiene al menos 26 a 30 celdas en serie. Puede darse que también se dispongan en paralelo para aumentar la corriente. Es esencial que las celdas de un módulo estén bien hermanadas. Esto significa que deben tener características I-V casi iguales. fusible Fundamentos FV - IDMA 21

22 Celdas Módulos -Sistemas Al conectar celdas en serie los voltajes se suman y la corriente queda limitada a la corriente que genera la celda con menor corriente. En el caso de hileras de celdas en serie y dos hileras en paralelo entre sí, entonces las corrientes se suman y el voltaje queda limitado a la hilera de menor voltaje. Lo anterior también es válido para paneles que se conecten en serie o paralelo entre sí. Esto es muy importante, pues el exceso de energía se disipa internamente en las celdas. Veamos que ocurre en curvas I-V. Fundamentos FV - IDMA 22

23 Celdas Módulos Sistemas Serie Paralelo Aquí tenemos el caso de 3 celdas que dan la misma intensidad de corriente y el mismo voltaje de circuito abierto. Pero son distintos su punto de potencia máxima. Al conectarse en paralelo, su corriente sesumó, pero el voltaje en el punto de máxima potencia quedó limitado all de la peor celda. Fundamentos FV - IDMA 23

24 Celdas Módulos Sistemas Serie Paralelo Fundamentos FV - IDMA 24

25 Tipos de Módulos Hoy día los módulos se dividen en dos grandes familias: Aquellos fabricados con celdas monocristalinas y, Los que se fabrican con celdas policristalinas. Todos los módulos tienen sus características en cuanto a curvas I-V. Es esencial conocer e interpretar adecuadamente estas curvas para diseñar bien el sistema y no gastar dinero demás. Veamos a continuación algunas de estas curvas. Fundamentos FV - IDMA 25

26 Tipos de Celdas Celdas de Silicio Amorfo. El silicio durante su transformación, produce un gas que se proyecta sobre una lámina de vidrio. Típica de las calculadoras y relojes «solares». Ventajas: Funciona con una luz difusa baja (incluso en días nublados), Un poco menos costosa que otras tecnologías, Integración sobre soporte flexible o rígido. Inconvenientes: Rendimiento a pleno sol bajo, del 5% al 7%, Rendimiento decreciente con el tiempo (~7%). Fundamentos FV - IDMA 26

27 Celdas de Silicio Monocristalina. Tipos de Celdas Al enfriarse, el silicio fundido se solidifica formando solo un único cristal de grandes dimensiones. Luego se corta el cristal en delgadas capas que dan lugar a las células. Estas células generalmente son un azul uniforme. Ventajas: Buen rendimiento de 14% al 16%. Buena relación Wp m² (~150 WC/m², lo que ahorra espacio en caso necesario Número de fabricantes elevado. Inconvenientes: Costo elevado Fundamentos FV - IDMA 27

28 Tipos de Celdas Celdas Policristalinas. Durante el enfriamiento del silicio en un molde se forman varios cristales, la celda es de aspecto Azulado y se distinguen diferentes colores y cristales Ventajas: Células cuadradas que permite un mejor funcionamiento en un módulo. Eficiencia de conversión óptima, alrededor de 100 Wp/m² > SM. Inconveniente Bajo rendimiento en condiciones de iluminación baja. Fundamentos FV - IDMA 28

29 Tipos de Celdas Tecnologías Multicapa. (Tándem, Multiunión, semiconductores) Ventajas Alta sensibilidad en un amplio rango de longitudes de onda. Excelente rendimiento. Desventaja El costo es alto debido a la superposición de dos células. GaAs, Ge y GaInP2. La técnica consiste en depositar un material semiconductor que contiene cobre, galio, indio y selenio sobre un soporte. Fundamentos FV - IDMA 29

30 Curvas de Módulos Fundamentos FV - IDMA 30

31 Curvas de Módulos Influencia de la Radiación Influencia de la Temperatura Fundamentos FV - IDMA 31

32 Curvas de Módulos Las curvas se especifican a temperatura de CELDA de 25ºC: Por efecto de la radiación solar, la temperatura de celda suele ser bastante mayor. Para determinarlo, es bueno realizar algunas pruebas. El efecto de una mayor temperatura es que baja el voltaje de operación del módulo. Típicamente se produce una caída de rendimiento del orden de 0,5% por grado de aumento de temperatura de celda. Fundamentos FV - IDMA 32

33 Curvas de Módulos Para módulos más pequeños, lo que en general cambia es la intensidad de corriente nominal. No olvidar que se suelen especificar a intensidad de radiación de 1000 W/m2. Tampoco olvidar que es diferente un panel para clima tropical que para clima moderado o bien frío. Fundamentos FV - IDMA 33

34 Curvas de Módulos Fundamentos FV - IDMA 34

35 El Sistema Fotovoltaico Autónomo Módulos Control y Acondicionamiento de Potencia Carga Acumulación de energía Un sistema fotovoltaico tiene algunos componentes que son básicos. Veamos cuales son: En primer lugar los paneles o módulos donde se convierte la energía solar en electricidad. Luego un sistema de acumulación de energía para almacenar esta para el momento en que se necesite. Luego un sistema de control y acondicionamiento de potencia. Este sirve para evitar sobrecargas o bien descargas profundas en baterías. Además puede ser más inteligente aún. Fundamentos FV - IDMA 35

36 El Sistema Fotovoltaico Generación Distribuida La tecnología se ha ido desarrollando desde hace más de 40 años. Actualmente: Sistemas distribuidos: existen centenares de miles instalados en Europa y USA. Permite reforzar redes eléctricas, en especial en el caso de alta demanda de verano. Costos: Actualmente los paneles están en torno a los US$4 el Watt nominal en Chile. Costo de sistema un 50% superior Acumulación de energía: la necesidad de vehículo eléctrico está produciendo grandes avances en acumulación de energía. No olvidar los Supercondensadores. Costo de generación: en el caso de Chile, se puede generar energía eléctrica a un costo igual o menor al que le cuesta la energía al usuario. Fundamentos FV - IDMA 36

37 Casa con sistema integrado a red En Alemania hay más de casas que funcionan así 37

38 Sistema de gran tamaño Para los grandes sistemas, y cielo puro, conviene utilizar seguimiento del sol 38

39 Sistema de gran tamaño 39

40 Sistema de gran tamaño 40

41 Sistema de gran tamaño SFV Conectado Combarbala Alumnos IDMA 41

42 Conclusiones del Capítulo En este capítulo hemos visto aspectos que conciernen a como las celdas se interconectan formando paneles o módulos. En particular: Características de una celda y su curva I-V. Como se asocian celdas en serie para formar paneles Necesidad de hermanar celdas para que características del panel sean óptimas. Curvas I-V de paneles. Efectos de la temperatura en la curva I-V. Componentes básicos de un sistema. Fundamentos FV - IDMA 42