Introducción a la energía solar fotovoltaica

Transcripción

1 Introducción a la energía solar fotovoltaica Por Ing. Juárez Guerra, gerente general de Finder El sol es la principal fuente de energía de nuestro planeta. Siguiendo una tendencia que ya está presente en diversas partes del mundo, los usuarios brasileros ahora van a comenzar a producir su propia electricidad a partir de la luz solar con los sistemas fotovoltaicos. Pero de qué se trata esto? Los sistemas fotovoltaicos están basados en paneles o módulos compuestos de células fotovoltaicas, dispositivos que captan la energía de la luz solar y producen corriente eléctrica. Esa corriente producida por los módulos fotovoltaicos es recolectada y procesada por inversores electrónicos, pudiendo ser utilizada para reducir la cuenta de electricidad o mismo hacer al consumidor totalmente independiente en energía eléctrica. Los sistemas de autoproducción de electricidad con energía fotovoltaica son muy ventajosos frente a la inflación de las tarifas de electricidad. Una residencia o una empresa, al instalar un sistema fotovoltaico, es inmune a los aumentos del precio de la energía y garantiza el abastecimiento de electricidad por lo menos por 25 años, que es el tiempo mínimo de vida de un sistema fotovoltaico. La inversión en el sistema se paga en pocos años con la energía producida. El sistema de créditos de energía fue creado en Brasil con la publicación, en abril de 2012, de la resolución N 482 de la Agencia Nacional de Energía Eléctrica (ANEEL). Esta resolución autorizó la micro y minigeneración de energía eléctrica para el consumo propio a partir de fuentes renovables y alternativas con sistemas de generación conectados a las redes eléctricas de baja tensión, o sea, directamente a las residencias, escuelas, empresas, etc. La publicación de la resolución N 482 constituyó un marco regulatorio en Brasil, beneficiando a la población y obligando a las concesionarias de energía eléctrica a aceptar la entrada de sistemas propios de generación fotovoltaica en sus redes de distribución de electricidad. La resolución establece que cada ciudadano brasilero o empresa podrá tener su propia planta fotovoltaica produciendo electricidad para consumo propio, y determina las condiciones para la implantación de los sistemas de autoproducción de electricidad. Conectados a la red eléctrica, ofrecen electricidad para el consumidor junto a ésta. Toda la electricidad producida a partir del Sol puede usarse para el consumo 76 Ingeniería Eléctrica Abril 2013

2 propio. Cuando hay luz el consumidor puede usar su propia energía eléctrica. En los momentos en que no hay, el consumidor continúa abasteciéndose normalmente por la red eléctrica pública. En los momentos en que el consumo es bajo puede haber un excedente de energía (o sea, el sistema fotovoltaico produce más energía de lo que el consumidor necesita). En este caso, el consumidor exporta energía a la red pública, convirtiéndose en un generador de electricidad, y recibe un crédito de energía. Este crédito puede utilizarse posteriormente por un descuento en la cuenta de electricidad del próximo mes, pudiendo también acumularlo en meses posteriores si no se utiliza. Toda la energía generada por el sistema fotovoltaico es inmediatamente enviada a la red eléctrica, siendo consumida internamente o exportada a la concesionaria, de acuerdo con los niveles de generación y consumo instantáneos. La instalación de un sistema fotovoltaico conectado a la red es rápida y simple. El sistema es dimensionado de acuerdo con las necesidades del consumidor, pudiendo tener potencias pico desde algunos kilowatts (para consumidores residenciales) hasta 1 MV (para comercios e industrias), de acuerdo con las reglas de la micro y de la minigeneración de electricidad. Normalmente, en losas o techos, la fijación de las estructuras de los módulos fotovoltaicos debe ser hecha por un equipo especializado, tomando los cuidados necesarios para trabajos en altura. Las instalaciones eléctricas necesarias para la implantación del sistema fotovoltaico pueden añadirse fácilmente a construcciones ya existentes, industriales o residenciales, o pueden ser previstas todavía en la etapa de proyecto. Células fotovoltaicas El efecto fotovoltaico ocurre cuando la luz del sol incide sobre una célula constituida de material semiconductor. Una célula fotovoltaica está compuesta por dos capas de material semiconductor de los tipos P y N, una red de colectores y una base metálica. La célula tiene también una capa de material antirreflexivo para aumentar la absorción de luz. Una célula fotovoltaica está compuesta por dos capas de material semiconductor de los tipos P y N, una red de colectores y una base metálica Las células pueden ser fabricadas con diferentes materiales. Las más comunes disponibles comercialmente son constituidas de silicio monocristalino, policristalino o amorfo. Silicio monocristalino Las células monocristalinas están fabricadas a partir de lingotes de silicio puro, como se ve en la imagen. Esos lingotes se obtienen a partir del mineral cuarzo, muy abundante en la corteza terrestre. Las células monocristalinas están fabricadas a partir de lingotes de silicio puro El lingote de silicio monocristalino está constituido de una estructura cristalina única, por eso posee aspecto brillante y uniforme. Éste se corta en rodajas para producir láminas de silicio, que son sometidas a procesos de dopaje durante los cuales se forman las capas P y N que originan las propiedades fotovoltaicas. La lámina dopada recibe después los electrodos y un tratamiento antirreflexivo, dando origen a la célula fotovoltaica. Ingeniería Eléctrica Abril

3 Una célula monocristalina tiene aspecto uniforme, pudiendo tener color azulado o plateado, dependiendo del tipo de tratamiento antirreflexivo empleado. Los módulos fotovoltaicos construidos de células monocristalinas normalmente tienen eficiencia de un 16%. Una célula monocristalina tiene aspecto uniforme, pudiendo tener color azulado o plateado, dependiendo del tipo de tratamiento antirreflexivo empleado Silicio policristalino El silicio policristalino tiene un proceso de fabricación más simple, que utiliza temperaturas más bajas que las empleadas en la fabricación del silicio monocristalino. El lingote de silicio policristalino está formado por un aglomerado de muchos cristales, con tamaños y orientaciones espaciales diferentes. Las láminas policristalinas, así como las células terminadas, poseen apariencia hetereogénea y un aspecto bastante distinto al del silicio monocristalino Las láminas policristalinas, así como las células terminadas, poseen apariencia hetereogénea y un aspecto bastante distinto al del silicio monocristalino. Los módulos fotovoltaicos policristalinos tienen una eficiencia ligeramente inferior a las de sus competidores monocristalinos, sin embargo, las dos tecnologías coexisten en el mercado y tienen relaciones costo-beneficio muy similar. Films finos Los dispositivos de films delgados son fabricados por la pulverización de finas capas de silicio sobre una base hecha de material rígido o flexible. Su costo es menor, pues en su fabricación no se cortan lingotes, teniendo menos desperdicio de material y menor consumo de energía, pues los procesos de fabricación emplean temperaturas menores a las utilizadas en la fabricación del silicio Los dispositivos de films delgados son fabricados por la pulverización de finas capas de silicio sobre una base hecha de material rígido o flexible cristalino. Además de eso, la fabricación es menos compleja, haciendo más simple la automatización de los procesos y facilitando la producción en gran volumen. Los dispositivos de films finos son producidos en cualquier dimensión y la única restricción es el área de base para la fabricación del módulo. Están constituidos de una única célula, y, a pesar del bajo costo de fabricación, tienen baja eficiencia y exigen mayor área instalada para producir la misma energía que producen las tecnologías cristalinas, elevando los costos de instalación. Una ventaja de los films delgados es su bajo coeficiente de reducción de potencia con el aumento de la temperatura, lo que los hace más adecuados para lugares con temperaturas muy altas. Los módulos de films finos se degradan de manera más rápida que los cristalinos, lo que puede ser un aspecto negativo para esta tecnología. Son usados para diferentes tecnologías, como silicio amorfo, o silicio microcristalino, la tecnología de telururo de cadmio (CdTe) y la tecnología CIGS (cobre, indio, galeo y selenio), estas dos últimas, con poca presencia en el mercado. Silicio amorfo La eficiencia de los módulos de silicio amorfo es muy baja, en- 78 Ingeniería Eléctrica Abril 2013

4 tre 5 y 8%. Su eficiencia disminuye durante los primeros 6 a 12 meses de funcionamiento debido a la degradación inducida por la luz, hasta llegar a un valor estable. Silicio microcristalino Una alternativa prometedora para el futuro de los módulos de films finos son las células microcristalinas. Presentan simultáneamente las ventajas del silicio cristalino y de la tecnología de fabricación de films finos, como la producción en masa, la elevada automatización, el menor desperdicio de material y el reducido consumo de energía en la fabricación. Son fabricadas en dos procesos, uno en alta y otro en baja temperatura. El proceso en alta temperatura utiliza la deposición de silicio de elevada calidad a temperaturas situadas entre 900 y 1000 C, creando estructuras microcristalinas semejantes al del silicio policristalino. En el segundo proceso, en bajas temperaturas, entre 200 y 500 C, se producen films de silicio con estructura microcristalinas de granos muy finos. Las bajas temperaturas permiten la utilización de materiales baratos, sobre los cuales la célula es fabricada (vidrio, metal o plástico). Los procesos de deposición son similares a los de la tecnología de silicio amorfo. Las células microcristalinas presentan eficiencias comerciales de hasta 8,5%. CdTe y CIGS Las células de telururo de cadmio (CdTe) y CIGS (cobre, indio, galeo y selenio) son las más eficientes dentro de la familia de los films finos. Sin embargo, todavía no alcanzaron la producción a gran escala como las otras. Las células CdTe no están difundidas a gran escala debido a la toxicidad del cadmio (Cd) y la escacez del telurio (Te), un material raro. Las células CIGS no emplean materiales tóxicos, pero su costo es muy elevado y su inserción en el mercado es pequeña. Comparación entre las diferentes tecnologías de células Las tecnologías de fabricación y los distintos materiales dan origen a células y módulos fotovoltaicos con diferentes características Material de la célula fotovoltaica Eficiencia de la célula en laboratorio y eficiencias mayores o menores. Algunas tecnologías tienen costo reducido, por eso presentan menor eficiencia. La tabla 1 presenta una comparación entre algunas de las tecnologías de células fotovoltaicas existentes. Se observa que las células y los módulos de silicio mono y policristalino, con excepción de las células híbridas, son las que presentan las mayores eficiencias de conversión, tanto en las versiones de laboratorio (obtenidas a partir de procesos de fabricación mejorados) como en los productos comercialmente disponibles (originados en procesos de fabricación a gran escala). Módulos fotovoltaicos La célula fotovoltaica es el menor dispositivo fotovoltaico existente. Una célula produce poca electricidad, entonces varias células se conectan en serie para producir paneles o módulos fotovoltaicos. Eficiencia de la célula comercial Eficiencia de los módulos comerciales Silicio monocristalino 24,7% 18% 14% Silicio policristalino 19,8% 15% 13% Silicio cristalino film fino 19,2% 9,5% 7,9% Silicio amorfo 13% 10,5% 7,5% Silicio micromorfo 12% 10,7% 9,1% Célula solar híbrida 20,1% 17,3% 15,2% CIS, CIGS 18,8% 14% 10% Telururo de cadmio 16,4% 10% 9% Tabla 1 Ingeniería Eléctrica Abril

5 Un módulo fotovoltaico está compuesto de un número de células colocadas sobre una estructura rígida, y conectadas eléctricamente en serie para proporcionar tensiones de salida mayores. Los módulos fotovoltaicos de cristalino encontrados en el mercado presentan potencias pico entre 85 y 255 W. Sus tensiones máximas de salida en círculo abierto van hasta aproximadamente 37 V y pueden entregar alrededor de 8,5 A de corriente eléctrica. Los módulos de film finos están formados por una célula única con las dimensiones del propio módulo. En general tienen una potencia de alrededor de 50 y 100 W, presentan tensiones de salida mayores, de hasta 70 V aproximadamente, y son más difíciles de emplear, pues sus corrientes de salida son pequeñas y exigen un gran número de conjuntos en paralelo para alcanzar la producción de energía deseada. Imagen 6. Un módulo fotovoltaico está compuesto de un número de células colocadas sobre una estructura rígida, y conectadas eléctricamente en serie para proporcionar tensiones de salida mayores 80 Ingeniería Eléctrica Abril 2013