Energía Solar Fotovoltaica ESF MODULO 3: CÉLULAS, PANELES Y GENERADORES F.V. Rafael Martín Lamaison Urioste Dept. d Enginyeria Electrònica-UPC
Célula, panel y generador F.V. 1.1. Principio fotovoltaico 1.2. Ley del diodo ideal. 1.3. Curva característica del diodo. 1.4. La célula F.V y su símbolo. 1.5. Ecuación característica de la célula F.V. 1.6. Modelo ideal de la célula F.V.. 1.7. Curva característica v x i de la célula F.V. 1.8. Eficiencia y limitaciones de la célula F.V.. 1.9. Factor de forma (FF) de la célula F.V. 1.10. Respuesta espectral de la celda F.V. 1.11. Factores que afectan el rendimiento de una célula F.V. 1.12. Circuito equivalente de la célula F.V. (real)
Célula, panel y generador F.V. 1.13. Fabricación de células solares 1.14. Tipos de células solares 1.15. El panel (módulo) solar 1.16. Curva característica del panel solar 1.17. Parámetros característicos del panel solar 1.18. El generador solar 1.19. Efecto de factores ambientales sobre las características del panel/generador solar 1.20. Punto de trabajo de un panel/generador fotovoltaico 1.21. Diodos de protección: by-pass, bloqueo y antirretorno 1.22. Factor de degradación (δ) de los paneles solares. 1.23 Temperatura de trabajo y potencia de un panel F.V. 1.24. Situación de la Energía Solar Fotovoltaica (2004)
1.1. Principio fotovoltaico Principio de funcionamiento de la celda solar Las células solares están constituidas por materiales semiconductores, principalmente silicio, y son elementos que transforman directamente parte de la energía solar que reciben en energía eléctrica. Los electrones de valencia del material semiconductor de la célula, que están ligados débilmente al núcleo de sus átomos, son arrancados por la energía de los fotones de la radiación solar que inciden sobre ella. Este fenómeno se denomina efecto fotovoltaico.
1.1. Principio fotovoltaico Principio de funcionamiento de la celda solar El proceso del principio físico de la celda solar se puede resumir en los siguientes pasos: Los fotones incidentes son absorbidos y se generan pares electrón-hueco, tanto en la región P de la unión como en la región N. Supondremos que se genera una pareja por fotón. Los electrones y huecos generados a una distancia inferior a L p o L n (longitud de difusión del hueco y electrón) de la zona de vaciamiento, llegan a ella por difusión. En la zona de vaciamiento, cada miembro de la pareja es separado por el campo eléctrico presente: los huecos se dirigen a la región P y los electrones a la región N.
1.1. Principio fotovoltaico Separación de portadores por el campo de la unión P-N Zona de vaciamiento Azul Rojo Infrarrojo P + - N E - + - +
1.1. Principio fotovoltaico Celda en circuito abierto Si la celda está en circuito abierto, la acumulación de cargas de signos diferentes en los 2 costados de la unión genera una tensión de circuito abierto V oc - V oc N P +
1.1. Principio fotovoltaico Celda en corto circuito Si la celda está cortocircuitada se genera una corriente de corto circuito I sc. Observar que el sentido de la corriente es el mismo que el de la corriente inversa de saturación. N P I sc
1.1. Principio fotovoltaico Intensidad de corriente de la celda Por tanto, si mediante una carga exterior (R) se cierra el circuito, la corriente fotovoltaica generada (I) sale de la célula hacia el circuito exterior por la región P, atraviesa la carga y entra de nuevo a la célula por la región N. - N P R + I
1.2. Ley del diodo ideal Si se aplica una tensión directa a la unión p-n, el campo eléctrico se reduce y no se puede parar el flujo de electrones y huecos. Es entonces cuando se produce una corriente. El flujo de corriente aumenta con la tensión externa aplicada, este fenómeno es conocido como la ley del diodo ideal, que se puede expresar por: I = I e 1 S qv kt I s :corriente de saturación de oscuridad V: tensión aplicada. q: carga de electrón (1,6 x 10-19 C) K: constante de Boltzmam: K= 1,38 x 10-23 J/K T: temperatura absoluta. kt/q: potencial térmico V T (para el silicio a 25ºC es igual a 25,7 mv)
1.3. Curva característica del diodo Si graficamos la expresión del diodo se obtiene la curva característica I x V que sigue: I V D 0,7 V Símbolo V V D V A (+) K (-) I
1.4. La célula F.V. y su símbolo La célula solar se puede ver como un diodo, en general de silicio, diseñada para maximizar la absorción de fotones y minimizar la reflexión. Cuando se conecta una célula solar a una resistencia de carga y se ilumina, circula una corriente I. En este caso, se puede observar que en la célula la corriente circula de cátodo a ánodo, es decir, internamente circula del semiconductor tipo N al tipo P (contrario al sentido de un diodo). + - I V R Símbolo de la celda o de un panel solar I + -
1.5. Ecuación característica de la célula F.V. La iluminación de una célula añade una corriente (fotogenerada) a la curva característica IV de modo que su ecuación característica se puede expresar por: T I = I S e 1 V m. V I I L Dónde I L es la corriente fotogenerada (generada por el efecto fotovoltaico) V La incidencia de la luz tiene el efecto de mover la curva I-V hacia abajo, en el 4º cuadrante. I L
1.6. Modelo ideal de la célula F.V. El modelo o circuito equivalente ideal de una célula fotovoltaica se representa por una fuente de corriente en paralelo con un diodo. La siguiente figura muestra el modelo ideal de una célula fotovoltaica cuando se conecta a una resistencia de carga: + I I L V - R
1.7. Curva característica I-V de la célula F.V. Por tanto, la curva I-V característica quedaría: I I L I sc I L corriente fotogenerada P m V oc V Para tener una idea del orden de magnitud, se puede decir que una célula fotovoltaica de silicio monocristalino genera un voltaje de circuito abierto (V oc ) entorno a los 0,7 V y una corriente de corto circuito (I sc ) que depende del área de la célula (aproximadamente 3 A para un área de 100 cm 2 ).
1.8. Eficiencia y limitaciones de la célula F.V. Se define el rendimiento o eficiencia (η) de una célula solar como el cociente entre la potencia máxima que puede dar a la carga y la potencia luminosa recibida por la célula. η = V mp P I L mp P L : potencia luminosa recibida por la celda.
1.9. Factor de forma de la célula F.V. Otra relación importante es el factor de forma o de relleno, FF. Este factor se define como el cociente entre la potencia máxima que la célula solar puede dar a la carga y la potencia teórica máxima definida por el punto (I sc, V oc ): Es una medida de la calidad de la unión y de la resistencia serie de la célula. Cuanto mayor es este factor, cuanto más próximo a 1, la característica I-V con iluminación se aproxima más al rectángulo de máxima potencia teórica y, por tanto, la célula es de mayor calidad. V FF = V mp oc I I mp sc
1.10. Respuesta espectral de la célula solar Se refiere a cuanta energía es capaz de suministrar cada longitud de onda (λ) o color de la luz incidente. Se puede calcular como: q flujo _ electrónico q λ SR( λ) = = eficiencia _ h c h c flujo _ fotones λ cuántica Donde q es la carga del electrón, h es la constante de Planck (h = 6,626. 10 34 J. s) y c es la velocidad de la onda. Eficiencia cuántica: se define como el número de electrones que se mueven de la banda de valencia a la de conducción por fotón incidente.
1.10. Respuesta espectral de la célula solar La fuerte dependencia de la respuesta espectral con la longitud de onda hace que el rendimiento de la célula dependa fuertemente del contenido espectral de la radiación incidente. Las células fotovoltaicas ven la luz solar de diferentes modos, dependiendo de los materiales de los que estén formadas. La respuesta espectral de una célula F.V. es una medida de la respuesta (medida en forma de corriente generada) de un dispositivo fotovoltaico expuesto a la luz solar. Un dispositivo F.V. es tanto mejor cuanto mejor respuesta espectral posee, esto es, el que mejor adapte su curva de respuesta espectral al espectro de la radiación solar.
1.11. Factores que afectan el rendimiento de una célula fotovoltaica El rendimiento de una célula viene limitado por distintos factores intrínsecos y de diseño. Estos son: Energía de los fotones incidentes: para generar los pares e - -h + es necesario que los fotones que llegan a la célula tengan una determinada energía. En la radiación solar, una parte de los fotones incidentes no tienen energía, por lo que se pierden, y otros tienen una energía mayor, por lo que se pierde ese exceso. Un 50% de la energía incidente se pierde por éste motivo. Está relacionado con la SR de la celda. Pérdidas por recombinación: el proceso de recombinación depende de los defectos de la estructura cristalina del semiconductor, cuanto más puro sea (silicio monocristalino), éstas pérdidas serán menores (+ o un 15%)
1.11. Factores que afectan el rendimiento de una célula fotovoltaica Pérdidas por reflexión parcial: Parte de la luz que incide sobre la célula es reflejada por la superficie de esta, por lo que se pierde (se perdería un 30%). Para evitar esta pérdida en la fabricación de las células se emplean capas antirreflectantes y superficies rugosas (con éstas capas las pérdidas quedan en aproximadamente 10%) Pérdidas por los contactos eléctricos: El hecho de dotar a la célula solar de unos contactos que canalicen los electrones liberados hacia el circuito exterior, hace que parte de su superficie de captación se vea tapada por esa rejilla de contactos eléctricos, que no son transparentes y, en definitiva restan iluminación. Las pérdidas por éste concepto pueden evaluarse, como media, en un 8%, ya que dependen del diseño.
1.11. Factores que afectan el rendimiento de una célula fotovoltaica Pérdidas por resistencia serie: Son debidas al efecto Joule que se produce al circular la corriente eléctrica a través del silicio, produciendo un calentamiento. Representan sobre el conjunto un 2% - 3%. La suma de todas estas pérdidas disminuye el rendimiento de la célula, lo que explica las diferencias que existen entre los rendimientos obtenidos en laboratorios y los de las células comerciales que resultan de los procesos industriales de fabricación
1.12. Circuito equivalente de la célula F.V. (real) La célula con iluminación se comporta como un generador de corriente (corriente fotovoltaica), con un diodo en paralelo para detraer la corriente de oscuridad y dos resistencias que representan las pérdidas intrínsecas al diseño y al comportamiento de los materiales de la célula. La resistencia paralelo (Rp) es debida a la no idealidad de la unión PN y a las impurezas cerca de la unión I = I L I S e V + I.r mv T s V 1 + I.r r s + I L I D p R s I R p V G -
1.13. Fabricación de células Solares 1400 C Reducción con carbono Destilaciones de compuestos clorados de Si Contactos eléctricos Método Czochralsky o técnicas de colado Creación de la unión p-n 800 100 C longitud 1 metro diámetro 20-200 mm Decapado: eliminar polvo y virutas Texturizado: para darle más absorción Espesor: 0,32 mm (2003) 0,18 mm (2007) Objetivo; 0,15 mm (2010)
1.13. Fabricación de células Solares Sílice (SiO 2 ) Silicio grado metalúrgico Pureza del 98% Silicio grado semiconductor Pureza del 99,9999% Crecimiento del monocristal (Método Czochralsky) Corte de las obleas Tratamiento químico de las obleas Formación de la unión PN Capa antirreflectante Incorporación de los contactos Pruebas finales
1.13. Fabricación de células Solares De forma muy resumida, el proceso de fabricación de una célula mono o policristalina se puede dividir en las siguientes fases: PRIMERA FASE: OBTENCIÓN DEL SILICIO A partir de las rocas ricas en cuarzo (rocas formadas principalmente por SiO 2, muy abundantes en la naturaleza) y mediante el proceso de reducción con carbono, se obtiene silicio con una pureza aproximada del 99%, que no resulta suficiente para usos electrónicos y que se suele denominar silicio de grado metalúrgico.
1.13. Fabricación de células Solares La industria de semiconductores purifica este silicio por procedimientos químicos, normalmente destilaciones de compuestos clorados de silicio, hasta que la concentración de impurezas es inferior a 0.2 partes por millón. El material así obtenido suele ser llamado silicio grado semiconductor y aunque tiene un grado de pureza superior al requerido en muchos casos por las células solares, ha constituido la base del abastecimiento de materia prima para aplicaciones solares, representando en la actualidad casi las tres cuartas partes del abastecimiento de las industrias de fabricación de células.
1.13. Fabricación de células Solares Sin embargo, para usos específicamente solares, son suficientes (dependiendo del tipo de impureza y de la técnica de cristalización), concentraciones de impurezas del orden de una parte por millón. Al material de esta concentración se le suele denominar silicio grado solar. Existen actualmente tres posibles procedimientos en distintas fases de experimentación para la obtención del silicio grado solar, que proporcionan un producto casi tan eficaz como el del grado semiconductor a un coste sensiblemente menor.
1.13. Fabricación de células Solares SEGUNDA FASE: CRISTALIZACIÓN Una vez fundido el silicio, se inicia la cristalización a partir de una semilla. Según dicha semilla es extraída del silicio fundido, este se va solidificando de forma cristalina, resultando, si el tiempo es suficiente, en un monocristal. El procedimiento más utilizado en la actualidad es el convencional por el método Czochralsky, pudiéndose emplear también técnicas de colado. El silicio cristalino así obtenido tiene forma de lingotes. También se plantean otros métodos capaces de producir directamente el silicio en láminas a partir de técnicas basadas en la epitaxia, en crecimiento sobre soporte o cristalización a partir de Si mediante matrices.
1.13. Fabricación de células Solares La diferencia principal en la obtención de estructuras monocristalinas (con un único frente de cristalización) y policristalinas (con varios frentes de cristalización, aunque con unas direcciones predominantes) radica en el grado de pureza del silicio durante el crecimiento / recristalización. TERCERA FASE: OBTENCIÓN DE OBLEAS El proceso de corte tiene gran importancia en la producción de las láminas obleas a partir del lingote, ya que supone una importante perdida de material (que puede alcanzar el 50%). El espesor de las obleas suele ser del orden de 2-4 mm.
1.13. Fabricación de células Solares CUARTA FASE: FABRICACIÓN DEL MODULO Una vez obtenida la oblea, es necesario mejorar su superficie, que presenta irregularidades y defectos debidos al corte, además de retirar de la misma los restos que puedan llevar (polvo, virutas), mediante el proceso denominado decapado. Con la oblea limpia, se procede al texturizado de la misma (siempre para células monocristalinas, ya que las células policristalinas no admiten este tipo de procesos), aprovechando las propiedades cristalinas del silicio para obtener una superficie que absorba con más eficiencia la radiación solar incidente.
1.13. Fabricación de células Solares Posteriormente se procede a la formación de una unión PN mediante deposición de distintos materiales (compuestos de fósforo para las partes N y compuestos de boro para las partes P, aunque normalmente, las obleas ya están dopadas con boro), y su integración en la estructura del silicio cristalino. El siguiente paso es la formación de los contactos metálicos de la célula, en forma de rejilla en la cara iluminada por el sol, y continuo en la cara posterior. La formación de los contactos en la cara iluminada se realiza mediante técnicas serigráficas, empleando más recientemente la tecnología láser para obtener contactos de mejor calidad y rendimiento.
1.13. Fabricación de células Solares Fabrica alemana de lingotes monocristalinos
1.14. Tipos de Células Solares Células de Silício Silicio Monocristalino: presenta una estructura completamente ordenada, cuyo comportamiento uniforme lo convierte en óptimo semiconductor, pero de fabricación onerosa. Es fácilmente reconocible por su monocromia azulada oscura y metálica Silicio Policristalino: presenta una estructura ordenada por regiones separadas, en la que los enlaces irregulares de las fronteras cristalinas disminuyen el rendimiento de la célula, al limitar la fotocorriente. Su aspecto es una composición de diferentes cristales azulados y grises metálicos
1.14. Tipos de Células Solares Silicio Amorfo: difiere de las demás estructuras cristalinas por presentar un alto grado de desorden en la estructura de los átomos, con lo cual contiene un gran número de defectos estructurales y de enlaces. Por presentar una respuesta espectral tirando más para el azul, se muestran muy eficientes bajo iluminación artificial (principalmente bajo lámparas fluorescentes) con eficiencia en este caso superior a la del silicio cristalino. Con respecto a las células cristalinas tienen un proceso de fabricación más simple y por tanto un coste muy inferior.
1.14. Tipos de Células Solares
1.14. Tipos de Células Solares Otros tipos de células Teluro de Cadmio (CdTe): es otro material policristalino de lámina delgada importante. Con un gap de 1,44 ev también posee un elevado coeficiente de absorción. Uno de sus problemas es su elevada resistividad eléctrica, solventada mediante la adición de una capa de ZnTe entre el CdTe y el contacto. Arseniuro de Galio: es un componente semiconductor mezcla de dos elementos. Tiene la ventaja sobre el silicio, que trabaja mejor a altas temperaturas, hecho de gran importancia para células que trabajan en sistemas concentradores de radiación.
1.15. El panel (módulo) solar Generalmente un panel solar está constituido por la asociación eléctrica de células solares en serie (entre 30 y 36 células). I P V P + - I P 1 8 9 16 17 24 25 32 2 7 10 15 18 23 26 31 I P 3 6 11 14 19 22 27 30 I P 4 5 12 13 20 21 28 29
1.15. El panel (módulo) solar Características constructivas del panel solar
1.15. El panel (módulo) solar Características constructivas del panel solar
1.15. El panel (módulo) solar Características constructivas del panel solar
1.15. El panel (módulo) solar Composición de coste de fabricación Item Coste $/Wp % Silicio puro Fabricación discos Subtotal discos 24 62 86 10,5 27,2 37,7 Material para contactos 16 7,0 Fabricación células 67 29,4 Subtotal células 83 36,4 Vidrio Láminas Otros Fabricación panel Subtotal panel 10 11 5 33 59 4,4 4,8 2,2 14,5 25,9 Total 228 100 Total materiales 66 28,9 Total fabricación 162 71,1
1.16. Curva característica del panel solar Ecuación característica I qv kt = I L I S e 1 I: corriente del panel. V: tensión del panel. I L : corriente fotogenerada. I S : corriente inversa de saturación. q: carga del electrón. k: constante de Boltzman. T: temperatura del semiconductor. I I Sc I m Curva característica (I-V y P-V) P mp P P max V m V oc V
1.16. Curva característica del panel solar I Corriente de corto circuito I-V P-V I SC I mp Punto de máxima potencia P P max Tensión de circuito abierto V mp V OC V
1.16. Curva característica del panel solar Influencia de la conexión de las células solares en serie o en paralelo sobre la curva I - V I (A) I (A) I (A) 6 6 + - 6 4 4 4 2 + - 2 2 V 0,6 1,2 0,6 1,2 1,8 0,6 1,2 1,8 V + - V
1.17. Parámetros característicos del panel solar Corriente de cortocircuito Tensión de circuito abierto I = I( V = 0) = SC I L kt VOC V ( I = 0) = Ln 1 + q = L I O I Punto de máxima potencia Factor de forma FF P = m I I mp SC m = V I = 0 V V mp OC mp <1 mp dp dv mp Rendimiento de la conversión η = I mp V P L mp = FF I P CC L V OC
1.18. El generador solar El generador solar está constituido por la asociación eléctrica de paneles solares en serie y/o en paralelo. I G + N S : nº de paneles en serie. N P : nº de paneles en paralelo. 1 2 Np V G : tensión del generador. I G : corriente del generador. R sg : resistencia serie del generador. 2 V G I SCG : corriente de cortocircuito del generador. V OCG : tensión de circuito abierto del generador. Ecuación característica: Ns - IG I SCG 1 e ( V V + I R ) q G OCG G = N S m k T sg
1.18. El generador solar Generador del Forum (444 kwp 2668 paneles de Si monocristalino)
1.19. Efecto de factores ambientales sobre las características del dispositivo IRRADIACIÓN SOLAR 800 W/m 2 500 W/m 2 200 W/m 2 I P V V La corriente de cortocircuito aumenta al aumentar la irradiación. La tensión de circuito abierto disminuye al aumentar la irradiación. La potencia máxima aumenta al aumentar irradiación aumenta.
1.19. Efecto de factores ambientales sobre las características del dispositivo TEMPERATURA 30 ºC 15 ºC 0 ºC I P V V La corriente de cortocircuito no depende de la temperatura. La tensión de circuito abierto disminuye al aumentar la temperatura. La potencia máxima disminuye al aumentar la temperatura
1.20. Punto de trabajo de un panel/generador F.V Interacción con una carga resistiva: I (Amp) R Baja R que implica funcionamiento a potencia máxima R Alta V (Volts) El punto de operación del módulo será el de la intersección de su curva característica con una recta que representa gráficamente la expresión I = V/R, siendo R la resistencia de carga a conectar.
1.20. Punto de trabajo de un panel/generador F.V Interacción con una batería: 3 2 I (Amp) Una batería tiene una tensión que depende de su estado de carga, antigüedad, temperatura, régimen de carga y descarga, etc. 1 12 14 20 Rango de tensión de la batería V (Volts) La batería impone su tensión a todos los elementos que están conectados a ella, incluyendo el módulo F.V
1.20. Punto de trabajo de un panel/generador F.V Interacción con un motor de corriente continua: 3 2 I (Amp) P.M.P Un motor de corriente continua tiene también una curva I-V. La intersección de ella con la curva I-V del módulo determina el punto de operación. 1 4 8 12 16 20 V (Volts) Normalmente se diseñan para operar cerca del P.M.P al mediodía. En otros momentos del día se produce un desacoplo del punto de trabajo respecto del P.M.P y el motor funciona a una potencia menor de la máxima
1.20. Punto de trabajo de un panel/generador F.V I (Amp) 3 Mediodía Es posible la utilización de un seguidor del P.M.P 2 16:00 Hs. conectado entre el motor y en módulo F.V. 1 9:00 Hs. 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 V (Volts) Con los 3 ejemplos se puede ver la importancia de un buen diseño del sistema para aumentar el rendimiento de operación, tanto que el PUNTO DE TRABAJO se adapte lo mejor posible a las variaciones del punto de máxima potencia aprovechando el máximo de energía potencialmente generada.
1.21. Diodos de protección: by bloqueo by-pass, antirretorno y (previene el flujo de corriente de otras series en paralelo)
1.21. Diodos de protección: by bloqueo by-pass, antirretorno y Se bypasean 24 células (2/3 módulo) Se anulan 18 células en caso de sombreado (1/2 módulo)
1.21. Diodos de protección: by bloqueo by-pass, antirretorno y Algunos módulos incluyen también diodos de bloqueo para evitar que la corriente fluya a través de ellos en sentido contrario al de generación y también previenen que la batería se descargue a través de ellos durante la noche. Esto no supone problemas para el módulo pero se traduce en una pérdida de energía de la batería. I G + Módulo F.V V G -
1.22. Factor de degradación (δ) Para la mayoría de los paneles F.Vs, cuando la temperatura de trabajo aumenta el valor de la potencia de salida disminuye. En la práctica, debido a la disipación de calor dentro de las celdas del panel, salvo en climas muy fríos, la temperatura de trabajo excede los 25ºC. Cuando ello ocurre, la potencia de salida nunca alcanza el valor pico especificado por el fabricante. El diseño de un sistema FV debe tener en cuenta esta degradación del panel, a fin de asegurar que los requerimientos eléctricos del sistema puedan ser satisfechos durante los días más calurosos del verano. La degradación puede ser calculada usando los valores dados por las curvas I-V a alta temperatura, pero este proceso es tedioso e impreciso, dada la pobre resolución de las curvas publicadas por los fabricantes. Por ello es mucho más conveniente usar factores de degradación dados en forma porcentual con relación a la potencia pico.
1.22. Factor de degradación (δ) Ensayo (evaluación) sobre la potencia de salida El personal técnico de la revista HOME POWER ha llevado a cabo una serie de evaluaciones, usando paneles con celdas de diferentes tipos, a temperaturas de trabajo no inferiores a los 50 ºC. La última evaluación es la más importante por dos motivos: 1. Fue llevado a cabo después de un largo tiempo de uso de los paneles puestos a prueba 2. La temperatura de trabajo es la de verano. Se han evaluado 9 paneles con 3 tipos diferentes de células: Cristalina Policristalina Amorfa
RESULTADOS: 1.22. Factor de degradación (δ) Ensayo (evaluación) sobre la potencia de salida Los resultados muestran que la mayoría de los paneles, independientemente del tipo de celda, ofrecen un δ que oscila entre 0,7 y 0,86 % Sin embargo es interesante destacar que 3 paneles no siguen esta regla: 1. El ARCO trilaminar Modelo M52L, con celdas cristalinas, exhibe un δ de 0,05 %. 2. El Siemens M52L, también con células cristalinas, su δ es de 0,32 %. 3. El Unisolar UPM880, del tipo amorfo ha presentado un δ de - 0,066 % (más salida de poder que la nominal)
1.22. Factor de degradación (δ) Ensayo (evaluación) sobre la potencia de salida La temperatura de trabajo de todos los paneles osciló entre 50 ºC y 55 ºC. La mayoría de los paneles tenían 5 años de uso, y ninguno menos que un año. La potencia nominal (V pm. I pm ) oscila entre 22 y 105 W. Para realizar cálculos, si se desconoce el δ del panel se puede intentar obtener esa información del fabricante. En caso de no conocer esa información, se puede asumir un coeficiente de degradación para la potencia de salida del 0,6 % / ºC.
1.23. Temperatura de trabajo y potencia de salida que alcanza un panel F.V CÁLCULO APROXIMADO La temperatura de trabajo (T t ) que alcanza un panel F.V obedece una relación lineal dada por la expresión: T t : Temperatura de trabajo T t = T a + K. R T a Máxima temperatura ambiente K.R: Representa el incremento de temperatura que sufre el panel sobre la máxima temperatura ambiente R : radiación solar en mw/cm 2 (varía entre 80 y 100 mw/cm 2 ). K: coeficiente que varía entre 0,2 y 0,4 ºC.cm 2 /mw dependiendo de la velocidad promedio del viento. Cuando ésta es muy baja, o inexistente, el enfriamiento del panel es pobre o nulo y K toma valores cercanos o iguales al máximo (0,4). Si la velocidad del viento produce un enfriamiento efectivo del panel, el valor de K será el mínimo (0,2).
1.23. Temperatura de trabajo y potencia de salida que alcanza un panel F.V Para calcular la Potencia de salida a la temperatura de trabajo (P t ) que alcanza un panel F.V el primer paso es calcular la temperatura de trabajo y luego se determina el incremento en la temperatura respecto a la de prueba (25 ºC). La expresión aproximada para el cálculo es: P t = P ( P. δ. T p p ) P t : Potencia de salida a la temperatura de trabajo. P p : Potencia pico del panel (25 ºC). δ : Coeficiente de degradación (0,6 % / ºC) t: Incremento de temperatura sobre los 25 ºC (T t 25ºC)
1.23. Temperatura de trabajo y potencia de salida que alcanza un panel F.V EJEMPLO: Condiciones: Máxima temperatura de verano: T a = 30 ºC Baja velocidad promedio del viento durante esa estación: K = 0,3 Radiación solar: R = 80 mw/cm 2 Potencia pico del panel: P p = 60 W. Remplazando estos valores en la expresión tendremos: T t = 30 + (03.80) = 30 + 24 = 54º C La potencia de salida a la temperatura de trabajo T t será: P t = 60 (60.0,006.29) = 60 10,44 = 49,56 W ( t = 54 25 = 29 ºC)
1.24. Situación de la Energía Solar Fotovoltaica 2004
Fabricación mundial de células FV, en el 2004 Total: 1.256 MWp China; 51,8; 4% India; 36,3; 3% EE.UU; 141,5; 11% Australia; 33,1; 3% Otros; 54,9; 4% Japón; 594,1; 48% Japón Europa EE.UU China India Australia Otros Europa; 344,1; 27% Zona;MWp; % Fuente: Photon
Fabricación mundial de células FV, en el 2004 Total: 2.536,5 MWp MWp 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Fabricación mundial de células en 2006 922,2 715,1 383,4 173,6 170,4 103,3 33,4 35,1 Otros Japón EE.UU China Australia India Taiwan Europa
Fabricación mundial de células FV, en el 2004 Total: 715 MWp 600 500 400 507,6 MWp en Europa, 2006 MWp 300 200 100 0 73,2 33,5 40 11 4,5 18 4,1 23,1 Alemania España Francia Noruega Italia Suiza Bélgica Rusia Otros
Fabricación europea de células FV, en el 2004 Total: 344 MWp Italia; 8; 2% Suecia; 10; 3% Francia; 30; 9% España; 81; 24% Bélgica; 7; 2% Rusia; 3; 1% Otros; 4; 1% Alemania; 201; 58% Alemania España Francia Suecia Italia Bélgica Rusia Otros País;MWp; % Fuente: Photon Otros: R. Checa, Croacia, Suiza y Dinamarca
Fabricación española de células FV, en el 2004 Total: 81 MWp Atersa; 4; 5% BP Solar; 24; 30% Isofotón BP Solar Atersa Isofotón; 53; 65% Empresa;MWp; % Fuente: Photon
Fabricación de células FV en el 2004 Resumen Total Mundial en el año 2004 > 1.200 MWp Silicio cristalino: 91,0 % Silicio amorfo: 4,5 % Teluro de Cadmio: 1,0 % Cobre Selenio Indio: 0,5 % Otras tecnologías: 3,0 % Total en España en el año 2004 > 80 MWp Silicio cristalino: 100 % En España, se produce aprox. el 7 % de la producción mundial. (En España, la producción industrial, en términos generales es de un orden de magnitud del 1 % mundial) Fuente: Photon
Desarrollo del mercado fotovoltaico español 12 Desarrollo del mercado fotovoltaico español (1990-2004) 40 10 35 Potencia anual instalada MWp 8 6 4 2 30 25 20 15 10 5 Potencia total instalada MWp 0 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 0 Potencia anual conectada a red Potencia anual aislada de red Potencia total instalada Fuente: Datos oficiales del IDAE
Producción mundial de células FV por tipo, año 2003 Si amorfo 7.4% Si microcristalino 1.8% otros 2.0% Si monocristalino 27.0% Si policristalino 61.8%
Producción de células en 2003 (por empresas) Fuente : Photon International 04/2004
Plan y capacidad de producción para 2004 de las 15 empresas más importantes