Marco teórico

Energías Renovables

Las energías renovables son aquellas que provienen de fuentes naturales prácticamente inagotables; muchas de ellas tienen su origen en el sol.

Las fuentes principales de energía renovable son:

Energía Solar Energía Hidráulica Energía Eólica

El sol, agua, viento y la biomasa están presentes en todo el lugar y de ellos se puede extraer energía, la cual – al transformarse adecuadamente – puede generar electricidad, calor y fuerza motriz.

Energía Solar

La situación de Bolivia, e términos geográficos, hace que la radiación solar sea uno de los recursos energéticos más importantes: se puede estimar la oferta energética solar media en Bolivia es de 6 KWh/m2/día. Esta fuente energética puede convertirse en u importante medio para solucionar el déficit de energía, principalmente en el área rural dispersa.

Sistemas fotovoltaicos

Un sistema fotovoltaico (SFV) es un conjunto de equipos que permiten aprovechar la radiación solar en forma de energía eléctrica. Esta conversión se realiza a través de paneles fotovoltaicos, que proporcionan corriente continua a un voltaje típico de 12 V. Para tener energía eléctrica disponible durante la noche, es necesario contar con acumuladores o baterías. Es importante destacar que la vida útil de un panel fotovoltaico es de 20 años. Sin embargo, los acumuladores o baterías deben ser reemplazados periódicamente (entre 2 y 4 años), hecho que genera impactos ambientales y económicos en el hogar, por ello es muy importante el cuidado y buen uso del sistema solar fotovoltaico para preservar su vida útil. Entre las aplicaciones frecuentes de la Energía Solar Fotovoltaica, puede mencionarse:

Iluminación de viviendas y energización de diversos dispositivos como radios, televisores, equipos de música, etc.

Alimentar pequeños refrigeradores para conservación de medicinas en hospitales y postas de salud rurales.

Sistemas de telecomunicaciones: estaciones repetidoras, microondas, telefonía celular, sistemas de redes, sistemas portátiles de comunicación, etc.

Señalización de carreteras Bombeo de agua

Sistema Termosolares

Los sistemas termosolares tienen la característica de convertir la radiación solar en energía térmica (calor). Estos equipos, cuya tecnología es reproducible localmente, pueden servir para calentar agua o aire y de esta manera cubrir necesidades de agua para uso sanitario (duchas, lavanderías, hospitales, etc.), así como para calentar y precalentar agua que se utiliza en procesos industriales. También se utiliza para el secado de granos, hierbas, sangre, etc.

Cocina solar

En una cocina solar de caja, los alimentos cuecen en el interior, calentándose gracias a la energía del sol. La radiación solar, tanto directa como reflejada, entra en la cocina solar a través de la parte superior de cristal o de plástico, calienta el interior debido al efecto invernadero y las ollas absorben esta energía permitiendo así la cocción de los alimentos. Existen tres tipos: cocinas de caja, de panel y la parabólica.

Energía Eólica

Los rayos solares originan cambios de temperatura en la atmosfera provocando corrientes de aire que genera viento y de esta manera otra fuente de energía llamada eólica. Desde la antigüedad, la energía eólica fue aprovechada para mover barcos impulsados por velas o transformarla en energía mecánica usando molinos.

En la actualidad se utiliza, sobre todo, para impulsar aerogeneradores. En estos, la energía eólica mueve una hélice que hace girar l rotor de un generador que produce energía eléctrica. Las turbinas eólicas suelen agruparse en concentraciones denominadas parque eólicos, sin embargo también se usan aerogeneradores de baja potencia (0.25 – 20 Kw).

Energía Hidráulica

La radiación solar también es responsable por el ciclo del agua. Cuando el sol calienta las masas de agua. Cuando el sol calienta las masas de agua, produce vapor de agua que forma nubes que son arrastradas por el viento, y producen lluvias al chocar con corrientes frías se forman ríos y caídas de agua. La fuerza del agua al recorrer ríos o caídas es la llamada energía hidráulica. La energía hidráulica se usa principalmente para producir electricidad, no produce emisiones de gases contaminantes de ningún tipo y es una de las llamadas energías renovables.

Una central hidroeléctrica es un conjunto de obras civiles e hidráulicas, equipos electromecánicos e instalaciones eléctricas, que tiene por objeto la transformación de energía hidráulica en energía eléctrica

Energía de la Biomasa

Biomasa es el término usado para describir todo material derivado de las plantas, como son los residuos forestales, agrícolas y desechos animales. Se puede usar para generar energía por combustión directa o por conversión a combustibles sólidos o líquidos. La biomasa fue utilizada como fuente de energía desde los albores de la humanidad e incluso hoy, es la mayor fuente de energía en los países en vías de desarrollo. Sin embargo, el uso de esta fuente de energía debe ser controlada y con políticas de reposición para que sea sostenible.

El dióxido de carbono (CO2), liberado a través de la combustión de la biomasa, es captado nuevamente por las plantas durante su crecimiento. Debido este ciclo, la cantidad de CO2 en la atmosfera permanecerá prácticamente constante.

El principal uso de la biomasa en Bolivia es para la cocción de alimentos (más del 70%), aunque actualmente en el oriente del país ya existen plantas térmicas de generación de electricidad que utilizan como combustible bagazo de caña de azúcar y también las cascaras de almendra. Es posible reemplazar la generación de electricidad con combustible fósil (petróleo- carbón-gas natural) por biomasa, para reducir la emisión de CO2.

Biocombustible

Están disponibles en la naturaleza algunas plantas que por sus características son susceptibles de transformarse en combustibles muy similares a los derivados del petróleo, que pueden usarse en motores de combustión interna convencionales sin ninguna adaptación en algunos casos o con modificaciones mínimas.

Biodiesel

El biodiesel es un combustible renovable producido a partir de aceites vegetales o grasas de animales que pueden ser aprovechado como sustituto o aditivo del diésel convencional, puesto que sus características fisicoquímicas son muy similares. El uso de biodiesel produce una reducción de emisiones de CO2 por que se deja de utilizar combustible fósil. Se puede decir que la producción de biodiesel tiende a provenir mayoritariamente de los aceites extraídos de plantas oleaginosas, especialmente girasol y soja; pero también hay buenas experiencias en la obtención de Biodiesel a partir de plantas como palma y el piñón.

Etanol

El etanol es un combustible renovable, producido a partir de la fermentación de los azucares que se encuentran en productos agrícolas como la remolacha, caña de azúcar, maíz, cebada, trigo, etc. Este combustible puede reemplazar totalmente a la gasolina que utilizan los automóviles. En el Brasil el estado impulso el desarrollo y uso de combustible. Actualmente están disponibles en el mercado vehículos que pueden usar una mezcla etanol-gasolina en cualquier proporción o solamente uno de los combustibles.

Sistemas fotovoltaicos

La creciente demanda de energía ha suscitado un gran interés hacia el estudio de nuevas fuentes de energía. De estas nuevas formas de generación de energía, la energía fotovoltaica es la más destacada.

Principios de funcionamiento

Un sistema fotovoltaico es el conjunto de equipos desarrollados e integrados para realizar cuatro funciones:

Transformar directa y eficientemente la energía eléctrica Almacenar adecuadamente la energía eléctrica generada Proveer adecuadamente la energía generada y almacenada Utilizar eficientemente la energía generada y almacenada.

En el orden anterior, los componentes fotovoltaicos encargados de realizar las funciones respectivas son:

Modulo o panel fotovoltaico, como el responsable de transformar la energía solar en electricidad.

Batería, es donde se almacena la energía eléctrica, proveniente del panel solar. Controlador o regulador de carga, evita la sobrecarga y sobre descarga de la batería. Cargas o consumo

Aplicaciones de los sistema fotovoltaicos

Los sistemas fotovoltaicos mayormente se instalan en áreas rurales, que se encuentran alejados de la red eléctrica. En esta situación es más económico utilizar un sistema independiente de energía solar que extender la red, especialmente en áreas dispersas. Debe aclararse que si bien es posible disponer de sistemas de energía solar en toda potencia, su alto costo obliga a usar de manera disciplinada en pequeñas aplicaciones usando dispositivos de alta eficiencia y bajo consumo.

Sistema fotovoltaicos domésticos

Se denomina sistemas domésticos a aquellos sistemas de uso individual constituidos por uno o más paneles, una batería un controlador de carga, algunos puntos de luz y una toma de corriente para radio y/o televisión; el sistema opera en general a 12 V BC.

Esta configuración se emplea en áreas rurales, es ideal en zonas con población dispersa. El tamaño de este tipo de SFV va desde los 10 Wp hasta sistema de 120 Wp dependiendo de las necesidades. Los componentes comunes de estos sistemas son:

Panel fotovoltaico Batería Controlador de carga Lámpara fluorescentes CFL, lámparas LED, radios TV eficientes, etc.

Iluminación publica

Es posible también iluminar con un sistema fotovoltaicos calle y plazas.

Además de los componentes básicos de un sistema fotovoltaico doméstico, cuenta con un sistema que opera de forma automática las luminarias, este sistema normalmente está incluido en el controlador de carga.

Panel fotovoltaico Batería Controlador de carga, con función de

iluminación automática nocturna. Algunos controladores para aplicaciones de iluminación nocturna, tiene capacidad de regular la potencia de la lámpara a determinadas horas

Luminaria

Bombeo de Agua

Un sistema de bombeo de agua fotovoltaico es similar a cualquier otro sistema de bombeo convencional y está compuesto por:

Paneles fotovoltaicos Sistema de control Bomba

Los sistemas de bombeo fotovoltaico, no tienen baterías porque la energía se almacena en forma de energía potencial en un tanque elevado de agua. Esto es ventajoso porque disminuye los costos de inversión y mantenimiento

Refrigeración solar

El desarrollo de la tecnología fotovoltaica ha hecho que los sistemas de refrigeración solar tengan en la actualidad un buen desempeño, bajos costos de operación y mantenimiento, alta confiabilidad y vida útil elevada (mayor a los refrigeradores tradicionales).

Esta y otras ventajas han hecho que instituciones como la Organización Mundial de la Salud (OMS), se hayan decidido por los sistemas fotovoltaicos de refrigeración para sus programas de salud.

Sin embargo, sistemas fotovoltaicos de refrigeración domestica no son factibles todavía por su elevado costo. Los componentes de un sistema de refrigeración domestica son:

Paneles fotovoltaicos Controlador de carga Batería Refrigerador eficiente de corriente continua

Otras Aplicaciones

Cercas eléctricas

Una cerca eléctrica no es una barrera física, se trata básicamente de una barrera psicológica, que impide el paso de los animales por la sensación de dolor que representa, es decir, que la primera descarga que el animal recibe genera un miedo tal que en las siguientes oportunidades el animal no se acercara a los alambres. Una cerca eléctrica solar tiene los siguientes componentes:

Panel fotovoltaico Batería Controlador de carga Electrificador La cerca

Conversión de la energía solar en electricidad

Principios fundamentales

El átomo es una esencia la constitución del átomo, refiriéndonos a su aspecto eléctrico, consta de un determinado de un determinado de número de protones con carga positiva en el núcleo y una cantidad igual de electrones, con carga negativa, girando en diferentes orbitas del espacio, dominado envoluta.

El número máximo de electrones que se pueden alojar en cada orbita es de 2n2, siendo “n” el número de orbitas. Los electrones giran en orbitas casi elípticas, en cada una de las cuales y según su proximidad al núcleo, solo pueden existir un número máximo de electrones. Atendiendo a la carga eléctrica como inicialmente mencionábamos, los átomos, se pueden clasificar en positivos, negativos y neutros.

Los átomos de elementos simples, cuando están completas sus orbitas son neutros, hay igual cantidad de electrones que de protones; pero dado que los electrones que la última orbita son los más alejados del núcleo y por tanto, perciben menos fuerza de atracción, pueden salirse de dicha orbita denominada de valencia, dejando al átomo cargado positivamente por contener más protones que electrones, si por el contrario el ultimo orbital del átomo hubiese alojado un electrón libre exterior al átomo habría adquirido carga negativa, a estas 2 situaciones se les denomina iones.

Átomos estables e inestables

Se llama átomo estable al que tiene completa de electrones ultima orbita o al menos dispone en ella de ocho electrones. Los átomos inestables, que son los no tienen llena su órbita de valencia ni tampoco ocho electrones en ella, tienen una gran propensión a convertirse en estable, bien desprendiéndose de electrones de valencia o bien absorbiendo del exterior de electrones libres hasta completar la última orbita; en cada caso realizaran lo que menos energía suponga.

Cuerpos conductores y aislantes

Los cuerpos conductores son aquello cuyos átomos permiten fácilmente el paso de electrones .Un buen ejemplo de conductores es el cobre (Cu) que dispone de un electrón inestable en su cuarta orbita con una gran tendencia a desprenderse.

CUERPOS SEMICONDUCTORES INTRINSECOS

Mientras que los cuerpos buenos conductores ofrecen escasa resistencia al paso de electrones, los aislantes la ofrecen elevadísima, y entre ambos extremos, se encuentran los semiconductores que presentan una resistencia intermedia.

Un ejemplo de elemento semiconductor es el Silicio (Si) la característica fundamental de los cuerpos semiconductores es la de poseer cuatro electrones en su órbita de valencia. Con esta estructura los átomos es inestable, pero para hacerse estable se le presenta un dilema: y es que le cuesta lo mismo desprenderse de cuatro electrones y quedarse sin una órbita, que absorbe otros cuatros electrones para hacerse estable al pasar a tener ocho electrones.

En estas especiales circunstancias, ciertos elementos como el silicio y el germanio (Ge) agrupan sus átomos de manera muy particular formando una estructura reticular en la que cada átomo queda rodeado por otro cuatro iguales, propiciando la formación de los llamados enlaces covalentes. En estas circunstancias, la estructura de los cuerpos semiconductores, al estabilizarse, debería trabajar como o un buen aislante, pero no es así a causa de la temperatura. Cuando mayor es la temperatura aumenta la agitación de los electrones y por consiguiente enlaces covalentes rotos, dando lugar a electrones libres y huecos (falta de electrón).

SEMI CONDUCTORES EXTRINSECOS

Como quiera que las corrientes que se producen en el seno de un semiconductor intrínseco a la temperatura ambiente son insignificante, dado el bajo valor de portadores libres, para aumentarlos se le añaden otros cuerpos, que se denominan impurezas. De esta forma es como se obtienen los semiconductores extrínsecos tan importantes en la energía solar fotovoltaica.

SEMI CONDUCTORES EXTRINSECOS TIPO N

En la figura se presenta la estructura cristalina del silicio (Si) dopado con antimonio (Sb) al introducirse un átomo de impurezas de este elemento, echo por el que recibe del nombre semiconductores extrínseco.

Como se aprecia el átomo de Sb no solo cumple con los cuatro enlaces covalentes, sino que aún le sobra un electrón, que tiende a salirse de su órbita para que quede estable el átomo de antimonio (Sb). Por cada átomo de impurezas añadido aparece un electrón libre en la estructura. Aunque se añadan impurezas en relación de uno a uno millón, en la estructura del silicio además de los 1010 electrones y 1010 huecos libres que existen por cm3, a la temperatura ambiente, hay ahora que sumar una cantidad de electrones libres equivalente a la de átomos de impurezas: En estas condiciones de silicio (Si) con impurezas de antimonio (Sb) alcanza 1016 electrones libres y 1010 huecos libres por cm3, siendo en consecuencia el número de portadores eléctricos negativos mucho mayor

que el de los positivos, por lo que los primeros reciben la denominación de portadores mayoritarios y los segundos la de portadores minoritarios y, por el mismo motivo, se le asigna a este tipo de semiconductores extrínsecos la clasificación de semiconductores extrínsecos tipo n.

SEMICONDUCTORES EXTRINSECOS TIPO P:

En la figura se presenta la estructura cristalina del silicio (Si) dopado con Aluminio (Al). Por cada átomo de impurezas trivalente que se añade al semiconductor intrínseco aparece en la estructura un hueco, o lo que es lo mismo, la falta de un electrón.

Añadiendo un átomo de impurezas trivalente por cada millón de átomos de semiconductores existen: 1016 huecos libres y 1010 electrones libres por cm3, a la temperatura ambiente. Como en este semiconductor hay mayor número de cargas positivas o huecos se les denomina a estos portadores mayoritarios; mientras que los electrones libres, únicamente propiciados por los efectos de agitación térmica son los portadores minoritarios. Por esta misma razón el semiconductor extrínseco así formado recibe el nombre semiconductor extrínseco tipo p , siendo neutro el conjunto de la estructura , al igual que sucedía con el tipo N.

UNION DEL SEMICONDUCTOR P CON EL N:

Al colocar parte del semiconductor TIPO P junto a otra parte del semiconductor TIPO N, debido a la ley de difusión los electrones de la zona N, donde hay alta concentración de estos, tienden a dirigirse a la zona P, que a penas los tiene, sucediendo lo contrario con los huecos, que tratan de dirigirse de la zona P, donde hay alta concentración de huecos, a la zona N. Eso ocasiona su

encuentro y neutralización en la zona de unión. Al encontrarse un electrón con un hueco desaparece el electrón libre, que pasa ocupar el lugar del hueco, y por lo tanto también desaparece este último, formándose en dicha zona de la unión una estructura estable y neutra.

Como quiera que la zona N era en principio neutra al colocarla junto a la zona P pierde electrones libres, hace que cada vez vaya siendo más positiva, mientras que la zona P, al perder huecos, se hace cada vez más negativa. Así aparece una diferencia de potencial entre las zonas N y P, separadas por la zona de unión que es neutra. La tensión que aparece entre las zonas, llamada barrera de potencial, se opone a la ley de difusión, puesto que el potencial positivo que se va creando en la zona N repele a los huecos que se acercan de P, y el potencial negativo de la zona P repele a los electrones de la N. cuando ambas zonas han perdido cierta cantidad de portadores mayoritarios que se han recombinado, la barrera de potencial creada impide la continuación de la difusión y por tanto la igualación de las concentraciones de ambas zonas. La barrera de potencial es del orden de 0.2V cuando el semiconductor es de germanio (ge) y de unos 0.5V cuando es de silicio (Si).

El efecto Fotovoltaico

Las aplicaciones de la energía solar fotovoltaica están basadas en el aprovechamiento del efecto fotovoltaico están basadas en el aprovechamiento del efecto fotovoltaico que tiene mucho que ver con lo explicado anteriormente. De forma, muy resumida y desde el punto de vista eléctrico, el “efecto fotovoltaico” se produce la incidir la radiación solar (fotones) sobre los materiales que definimos al principio como semiconductores extrínsecos. La energía que recibe estos provenientes de los fotones, provoca un movimiento caótico de electrones en el interior del material.

Al unir dos regiones de un semiconductor al que artificialmente se había dotado de concentraciones diferentes de electrones, mediante los elementos que denominábamos dopantes, se provocaba un campo electrostático constante que reconducía el movimiento de electrones. Recordemos que este material formado por la unión de las zonas de concentraciones diferentes de electrones la denominábamos unión PN , pues las célula solar en definitiva es esto; una unión PN en la que la parte iluminada será la tipo N y la no iluminada será la tipo P.

De esta forma, cuando sobre la célula solar incide la radiación aparecerá en ella una tensión análoga a que se produce entre los bornes de una pila. Mediante la colocación de contactos metálicos en cada una de las caras pueden “extraerse” la energía eléctrica, que se utilizara para alimentar una carga.

La célula solar

Es un dispositivo capaz de convertir la energía proveniente de3l radiación solar en energía eléctrica. La gran mayoría de las células solares que actualmente están disponibles comercialmente son de Silicio mono o policristalinos. el primer tipo se encuentra más generalizado y aunque su proceso de elaboración es más complicado, suele presentar mejores resultados en cuanto a du eficiencia.

Por otra parte, la experimentación con materiales tales como Telurio de Cadmio o el Di-seleniuro de Indio-Cobre está llevando a las células fabricada con estas sustancias a situaciones próximas ya a aplicaciones comerciales contándose con las ventajas de poderse trabajar con tecnología de láminas delgadas.

Tecnología de fabricación de la célula solar

La tecnología del Silicio como material de base para la fabricación de células fotovoltaicas, está sujeta constante variación, experimentando diferencias importantes según los distintos fabricantes.

Proceso de fabricación

De forma muy resumida, el proceso de fabricación de una célula mono o policristalinos se puede dividir en las siguientes fases:

Primera fase: Obtención del silicio

A partir de las rocas ricas en cuarzo (formadas principalmente por Si2O2, 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 suele denominar Silicio de grado metalúrgico.

La industria de semiconductores purifica este Silicio por procedimientos químicos, normalmente destilaciones de compuestos colorados de Silicio, hasta que la concentración de impurezas es inferior al 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.

Sin embardo, 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.

Segunda fase: Cristalización

Una vez fundido el Silicio, se inicia la cristalización a partir de una semilla. Dicha semilla es extraída del silicio fundido, este se va solidificando de forma cristalina, resultando, si el tiempo es suficiente, un mono cristal. El procedimiento más utilizado en la actualidad es el convencional método de Czochralsky, pudiéndose emplear 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.

Se obtienen principalmente 2 tipos de estructuras: una la mono cristalina (con un único frente de cristalización) y la otra la poli cristalina (con varios frentes de cristalización, aunque con unas direcciones predominantes). La diferencia principal radica en el grado de pureza del silicio durante el crecimiento/re-cristalización.

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 pérdida del material (que puede alcanzar el 50%). El espesor de las obleas resultantes suele ser del orden de 2-4mm.

Cuarta fase: Fabricación de la célula y los módulos

Una vez obtenida la oblea, es necesario mejorar la superficie, porque presenta irregularidades y defectos debidos al corte, además de retirar de la misma los restos que puedan llevar (polvo, virutas), mediante un proceso denominado decapado

Con la oblea limpia, se procede al texturizado (siempre para células monocristalinas, ya que las células policristalinas no admiten este tipo de proceso), aprovechando las propiedades

cristalinas del Silicio para obtener una superficie que absorba con más eficiencia la radiación solar incidente.

Posteriormente se procede a la formación de una unión PN mediante deposición de distintos materiales (compuestos de fosforo 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 continúo en la cara posterior. La formación de los contactos en la cara iluminada se realiza mediante técnicas serigrafías, empleando recientemente la tecnología láser para obtener contactos de mejor calidad y rendimiento.

El contacto metálico de la cara la cual incide la radiación solar suele tener forma de rejilla, de modo que permita el paso de la luz y la extracción de corriente simultáneamente. La otra cara está totalmente recubierta de metal. Una célula individual normal, con un área de unos 75 cm 2

y suficientemente iluminada es capaz de producir una diferencia de potencial de 0.4V y una potencia de 1W.

Finalmente, puede proceder a añadir una capa anti reflexiva sobre la célula, con el fin de mejorar las posibilidades de absorción de la radiación solar. Una vez concluidos los procesos para la fabricación de la célula, se hace una verificación antes del montaje final en los módulos.

En cuanto a la eficiencia de las diferentes tecnologías fotovoltaicas se pueden indicar ciertos valores aproximados. Para el caso del Silicio monocristalino esta se sitúa en aproximadamente entre un 16% y un 25% mientras que en el policristalino actualmente es del 12-13% siendo posible que se eleve a corto plazo en un nivel similar alcanzado ya para el mono cristalino.

Como resumen, en relación a la tecnología solar del silicio mono o poli cristalino, se puede indicar que su situación es madura, pero no obstante existe un amplio aspecto de posibles mejoras, muchas de ellas analizadas y verificadas en profundidad en laboratorios especializados.

Otros posibles materiales para la fabricación de células solares es el Silicio amorfo. Esta tecnología permite disponer de células de muy delgado espesor, lo cual presenta grandes ventajas. Adicionalmente su proceso de fabricación es, al menos teóricamente hablando, más simple y sustancialmente es el más barato. La eficiencia es comparativamente algo menor que en los casos anteriores (6-8%) y todavía no se dispone de datos suficientes en cuanto a su estabilidad. Su principal campo de aplicaciones en la actualidad son los relojes, juguetes, calculadoras y otras aplicaciones de consumo. Dentro de las aplicaciones energéticas equivalentes a las de la tecnología del Silicio cristalino, su versatilidad es muy adecuada para la confección de módulos semitransparentes empleados en algunas instalaciones integradas en edificios.

CÉLULAS

RENDIMIENTO

LABORATORIO

RENDIMIENTO

DIRECTOCARACTERISTICAS FABRICACION

MONOCRISTALINO 24% 15 – 18 %

Es típico los azules homogéneos y la conexión de las

células individuales entre sí

(Czochralsky)

Se obtiene de Silicio puro fundido y

dopado con Boro.

POLICRISTALINO 19 -20 % 12 – 14 %

La superficie está estructurada en

cristales y contiene distintos tonos

azules

Igual que el del monocristalino,

pero se disminuye en

número de fases de cristalización.

AMORFO 16% <10%

Tiene un color homogéneo

(marrón), pero no existe conexión visible entre las

células.

Tiene la ventaja de depositarse

en forma de láminas delgadas

y sobre un sustrato como

vidrio o plástico.

Panel Fotovoltaico

Un panel solar está constituido por varias células iguales conectadas eléctricamente entre sí, en serie y/o en paralelo, de forma que la tensión y corriente suministrada por el panel se incrementa hasta ajustarse al valor deseado. La mayor parte de los paneles solares se construyen asociando primero células en serie hasta conseguir el nivel de tensión deseado, y luego asociando en paralelo varias asociaciones serie de células para alcanzar el nivel de corriente deseado. Además, el panel cuenta con otros elementos a parte de las células solares, que hacen posible la adecuada protección del conjunto frene a los agentes externos; asegurando una rigidez suficiente, posibilitando la sujeción a las estructuras que lo soportan y permitiendo la conexión eléctrica.

Elementos del Panel Fotovoltaico

Cubierta de cara al sol

Es de vidrio que debe facilitar al máximo la transmisión de la radiación solar. Se caracteriza por su resistencia mecánica, alta transmisividad y bajo contenido en hierro.

Encapsulante

De silicona o más frecuentemente EVA (etilen-vinil-acetato). Es especialmente importante que no quede afectado en su transparencia por la continua exposición al sol, buscándose además un índice de refracción similar al del vidrio protector para no alterar las condiciones de la radiación incidente.

Protección posterior

Igualmente debe dar rigidez y un gran protección frente a los agentes atmosféricos. Usualmente se emplean láminas formadas por distintas capas de materiales, de diferentes características.

Marco metálico

De aluminio, que asegura una suficiente rigidez y estanqueidad al conjunto, incorporando los elementos de sujeción a la estructura exterior del panel. La unión entre el marco metálico y los elementos que forman el modulo está realizada mediante distintos tipos de sistemas resistentes a las condiciones de trabajo del panel.

Cableado y bornes de conexión

Habituales en las instalaciones eléctricas, protegidos de la intemperie por medio de cajas estancadas.

Diodo de protección

Su misión es proteger contra sobre-cargas u otras alteraciones de las condiciones de funcionamiento de panel.

Los paneles solares tienen 28 y 40 células, aunque lo más típico es que cuentan con 36. La superficie del panel o modulo puede variar entre 0.1 y 0.5 m2 y presenta 2 bornes de salida, positiva y negativa, a veces tienen alguna intermedia para colocar los diodos de protección.

Normalmente, los paneles utilizados, están diseñados para trabajar en combinación con baterías de tensiones múltiplo de 12V, como veremos en la sección dedicada al acumulador.

Características eléctricas del panel fotovoltaico

La fabricación, comportamiento y características eléctricas y mecánicas del módulo fotovoltaico, vienen determinadas en la hoja de características del producto que proporciona el fabricante.

Al igual que en la célula solar son importantes los siguientes parámetros:

a) Potencia máxima o potencia pico del módulo(PmaxG):Si se conecta una cierta carga al panel, el punto de trabajo vendrá determinado por la corriente I y la tensión V existentes en el circuito. Estos habrán de ser menores que los IscG y VocG que definiremos más adelante. La potencia P que el panel entrega a la carga está determinada por la ecuación genérica:

P = I.V

A su valor más alto se le llama potencia máxima o potencia pico del módulo. Los valores de la corriente y de la tensión correspondiente a este punto se conocen respectivamente como:

IPmax: Intensidad cuando la potencia es máxima o corriente en el punto de máxima potencia

VPmax: La tensión cuando la potencia también es máxima o tensión en el punto de máxima potencia.

b) Corriente de cortocircuito(IscG)Que se obtiene al cortocircuitar los terminales del panel (V=0) que al recibir la radiación solar, la intensidad que circularía por el panel es de corriente máxima.

c) Tensión de circuito abierto (VocG)Que se obtiene de dejar los terminales del panel en circuito abierto (I=0), entre ellos aparece al recibir la radiación una tensión que será máxima.

Dichos paramentos se obtienen en unas condiciones estándar de medida de uso universal según la norma EN61215. Establecidas como sigue y que el fabricante debe especificar:

Irradiancia: 1000W/m2(1 Kw/m2) Distribución espectral de la radiación incidente:AM1.5 (masa de aire) Incidencia normal Temperatura de la célula: 25°C

Otro parámetro que debería ser suministrado es la TONC o Temperatura de Operaciones Nominal de la Célula. Dicho parámetro se define como la temperatura que alcanzan las células solares cuando se somete al módulo a las siguientes condiciones de operación:

Irradiancia: 800W/m2

Distribución espectral de la radiación incidente: AM1.5(masa de aire) Incidencia normal Temperatura ambiente: 20°C Velocidad del viento: 1m/s

Una vez conocidos estos parámetros, podemos determinar como afectan diferentes factores a los paneles fotovoltaicos.

d) Aumento de la radiaciónLa intensidad de corriente aumenta con la radiación, permaneciendo más o menos constante el voltaje. Es importante conocer este efecto ya que los valores de la radiación cambian a lo largo de todo el día en función del ángulo del Sol con el horizonte, por lo que, es importante la adecuada colocación de los paneles existiendo la posibilidad de cambiar su posición a lo largo del tiempo, bien según la hora del día o la estación del año.

Un mediodía a pleno sol equivale a una radiación de 1000W/m2. Cuando el cielo está cubierto, la radiación apenas alcanza los 100W/m2.

e) Exposición al solLa exposición al Sol de las células provoca su calentamiento, lo que lleva aparejados cambios en la producción de electricidad. Una radiación de 1000W/m2 es capaz de calentar una célula unos 30° C por encima de la temperatura del aire circulante. A medida que aumenta la temperatura, la tensión generada es menor, por lo que es recomendable montar los paneles de tal manera que estén bien aireados y, en el caso de que sea usual alcanzar altas temperaturas, plantearse la posibilidad de instalar paneles con un mayor número de células

Este factor condiciona enormemente el diseño de los sistemas de concentración, ya que las temperaturas que se alcanzan son muy elevadas, por lo que las células, deben estar diseñadas para trabajar en ese rango de temperatura o bien, contar con sistemas adecuados para la disipación de calor.

f) Numero de células por moduloEl número de células por modulo afecta principalmente al voltaje puesto que cada una de ellas produce 0.4V. La Voc del módulo aumenta en esa proporción.

Un panel solar fotovoltaico se diseña para trabajar a una tensión nominal Vpn, procurando que los valores VPmax en las condiciones de iluminación y temperatura más frecuentes coincidan con Vpn.

Los parámetros bajo los que operan los paneles fotovoltaicos, para una determinada localización, hacen que la característica de voltaje DC de salida varié dentro de un margen considerable a lo largo de todo el año. La radiación y temperatura ambiente experimentan además otro tipo de variación debido a factores diurnos y estacionarios.

Cargas y aplicaciones

Se llaman cargas a todos los dispositivos que están conectados a un sistema fotovoltaico, también son denominados consumos.

Como el tipo de corriente de los sistemas fotovoltaicos es continuo, se recomienda siempre usar dispositivo o aparatos eléctricos o electrónicos para corriente continua, solo en casos en los que no está disponible en corriente continua se puede utilizar una de corriente alterna. Esto para evitar el uso de un inversor, que aumenta la demanda de energía, ocasionando una mayor inversión en panel y banco de baterías.

Tipos de consumo

En general en un sistema fotovoltaico puede utilizarse cualquier tipo de aparatos eléctricos o electrónicos, desde lámparas fluorescentes compactas (focos ahorradores), Tv, DVD, radio, refrigeración, etc. A continuación se lista las características comunes que deben tener las cargas que se utilizaran en un sistema fotovoltaico:

La tensión y corriente de alimentación deben ser compatibles con las de los módulos Deben ser cargas con consumo de alta eficiencia con diseños en específicos para SFB No deben provocar interferencia con otros equipos. Deben contar con protección con polaridad inversa, cortocircuitos, sobretensiones y

bajas tensiones. Rangos de temperatura amplios