Curso Energía Fotovoltaica. Aspectos técnicos y aplicaciones

Transcripción

1 Curso Energía Fotovoltaica Aspectos técnicos y aplicaciones Caracterización de celdas y generadores fotovoltaicos Reinhold Schmidt

2 Introducción Fuente energética Sistema fotovoltaico Bombeo Red eléctrica Electricidad, energía útil Electrificación rural

3 Como funcionan, Que características eléctricas tienen...??????

4 Historia y orígen 1 Descubrimiento del efecto fotovoltaico en celda de Selen, Físico francés Henri Becquerel 1905 Trabajos teóricos, Einstein, etc Primera celda industrial, si-mono Primeras aplicaciones extraterrestres, satélites, si-mono > Inicio de aplicaciones terrestres, Desarrollo tecnológico: - materiales - celdas - fabricación, etc. aprox. 35 GW instalado

5 Efecto fotovoltaico: Generación directa de un voltaje eléctrico en la celda mediante la absorción de radiación solar

6 Efecto fotovoltaico Silicio - Los materiales adecuados para aprovechar este efecto fotovoltaico son los semiconductores - A la fecha, silicio es el material mas utilizado para celdas solares

7 Enlace covalente Los átomos comparten uno o más electrones en un nuevo orbital Se unen a través de sus electrones en el último orbital Ejemplos: gases, no-metales, semiconductores ( Si )

8 Silicio - semiconductor Activación térmica: T = 0 K: conductividad eléctrica = 0 T > 0 K: conductividad eléctrica > 0 o: Activación óptica: conductividad eléctrica > 0, electrones libres

9 Funcionamiento celda solar

10 Esquema celda solar fotovoltaica Funcionamiento principal: Absorción de fotones Generación de portadores de carga Separación de portad. de carga Electricidad Celda = semiconductor, diodo

11 Dotación ( impurificación ) del silicio B P Dotación con boro ( 3 valencias ) Dotación con fósforo ( 5 valencias ) aumento de la cantidad de portadores de carga positiva ( huecos ) Silicio tipo p aumento de la cantidad de electrones, silicio tipo n

12 Union pn Excedentes huecos Excedentes electrones Región de carga espacial, potencial

13 Circuito eléctrico equivalente ideal de la celda solar V Isc Corriente, I Curva IV Voltaje, V

14 El generador solar 4. El generador solar Panel Celda solar Panel Generador

15 El generador solar fotovoltaico Produce electricidad de corriente continua, de alta confiabilidad, garantía > 20 años Potencia eléctrica depende de la intensidad de radiación solar Cantidad de energía eléctrica disponible es limitada Potencia peak

16 icos: a t l o v o t o f les e n a p e d s Ejemplo Silicio monocristalino Silicio policristalino Materiales Tecnologías de celdas Fabricantes

17 Tecnologías de celdas fotovoltaicas Estructura cristalina Estructura amorfa - Actualmente existe una gran variedad de diferentes métodos de fabricación de celdas y materiales - Sin embargo, la gran mayoría de paneles fv. en el mercado son fabricados por Si mono y poli

18 Tecnologías de celdas fotovoltaicas Capacidad fotovoltaica instalada, mundial MWp

19 Tecnologías de celdas fotovoltaicas Tecnologías de celdas fotovoltaicas, % 13% 4% Si cristalino a-si CdTe Otros, CIS, CPV, etc. 80%

20 Tecnologías de celdas fotovoltaicas Silicio cristalino Celdas de capa fina Otros Si mono cristalino Silicio amorfo, a-si Celdas fv de concentración Si poli - ó multicristalino Teleruro de cadmio, CdTe Celdas orgánicas Silicio en láminas ó cintas Cobre Indio Selenio, CIS Celdas flexibles Cobre, Indio, Galio y Selenio, CIGS etc. Celdas multiunión

21 Celdas fotovoltaicas monocristalino Celda final Material de base: - Se cortan planchas, láminas ó wafer de un lingote monocristalino - Espesor del wafer entre mm - Perdidas por proceso de corte - Wafer normalmente dopado tipo p - Varios procesos de fabricación: Capa n, con juntura pn Contactos eléctricos Capa de protección SiO2 y vidrio Marco hermético

22 Celdas fotovoltaicas policristalino Celda final Material de base: Silicio fundido se asienta en molde ( durante proceso de solidificación se forma la estructura policristalina ) - Se cortan planchas, láminas ó wafer del molde - Espesor del wafer entre mm - Perdidas por proceso de corte - Wafer normalmente dopado tipo p - Varios procesos de fabricación: Capa n, con juntura pn Contactos eléctricos Capa de protección SiO2 y vidrio Marco hermético

23 Celdas fotovoltaicas de capa delgada Ejemplo: Si amorfo: Material de base: - Se deposita silicio sobre un sustrato de vidrio ó otra material Deposición de capas delgadas de Si, tipo n y tipo p espesor de aprox 0.5 um Ahorro significativo de material Contactos eléctricos Capa de protección SiO2 y vidrio Marco hermético

24 : os c i a t l o v o t o les f e n a p e d Ejemplo Instalación en La Tirana, 600 Wp Resumen: - Funcionamiento de la celda fotovoltaica - Tecnologías - Características eléctricas ( V, I, Pel, Eel, temp. )

25 Características eléctricas del generador fotovoltaico Potencia peak en Watt, Pp Temperatura de la celda, Tcelda Entrada: Salida: - Irradiancia S en W/m2 - Radiación global Gdia en kwh/m2día - Temperatura ambiental, Tamb - Voltaje V en Volt, V - Corriente I en Ampere, A - Potencia eléctrica Pel en Watt, W - Energía electrica Eel en Watthoras, Wh

26 Relación corriente voltaje de la celda fotovoltaica Voc : Isc : MPP: T: Voltaje circuito abierto Corriente de cortocircuito Punto de máxima potencia, Vm, Im Temperatura de la celda Especificaciones del fabricante: Pp: Potencia máxima ó peak con: S = 1000 W/m2 T = 25 ºC celda Espectro solar AM 1.5

27 Efecto de temperatura de la celda Debido a la absorción de la radiación solar en el panel, la temperatura de la celda ( interior ) sube: Aprox. para paneles de silicio cristalino: Tcelda Tamb + 27 ºc con I = 1000 Watt/m2 Voltaje =? Corriente =? Potencia =?

28 Efecto de temperatura de la celda Los fabricantes entregan coeficientes de temperatura para voltaje, corriente y potencia: Valores aprox.: Voltaje: Corriente: Potencia: CT = % / K CT = 0.03 % / K CT = % / K

29 Curva IV Módulo 80 Wp, 36 celdas 6,0 Ejemplo: Corriente en A 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Voltaje en Volt 25 ºC 55 ºC Potencia eléctrica Módulo 80 Wp, 36 celdas Potencia en Watt Módulo de 80 Wp 5, Voltaje en Volt 25 ºC 55 ºC

30 Datos medidos: Potencia eléctrica vs. Intensidad de radiación solar Soga Pampa del Tamarugal Ppeak = 1760 W 32 paneles 8s * 4p, 55 Wp Pel.max = 1380 W 1400 Potencia generador solar (W) Intensidad de la radiación solar (W/m2)

31 Relación radiación solar y potencia eléctrica Generador solar S en W/m2 Pel. en W Pel. en W Pp 1000 S en W/m2 Pel. = Ppeak S 1000 W/m2 ( Tcelda = 25 ºC! )

32 Relación radiación solar y potencia eléctrica En realidad : Tcelda = ºC Pel. = FCp Factor de correción, FCp Ppeak S 1000 W/m2 Valores FCp : 0,8 0,9 Ejemplos...

33 Relación radiación solar y energía eléctrica General: Pel. = FCp Eel. = Eel día. = FCp Pel. t Ppeak S 1000 W/m2 Ppeak 1000 W/m2 Valores FCp : 0,8 0,9 Gd Ejemplos...

34 Diodos de by-pass

35 Diodos de by-pass Protección de las celdas en caso de sombras ( parciales ) + I1 I2 Diodos de by-pass I2 I1 I1 I2