Energía Solar Fotovoltaica

La energía solar fotovoltaica utiliza un recurso como es la radiación solar para la producción de energía eléctrica.

El principio de funcionamiento esta basado en el efecto fotoeléctrico, que consiste en la captación de energía radiante procedente del sol, en forma de luz y su conversión en energía eléctrica. Este proceso de transformación se produce en las células fotovoltaicas.

La energía solar fotovoltaica presenta una serie de características que la destacan frente al resto de energías:

  • Esta al alcance de todo el mundo, no esta supeditada a factores externos
  • Pequeño o nulo impacto ecológico.
  • Inagotable a escala humana.

Planta Seguidores FV Escalona

Las aplicaciones de la energía solar fotovoltaica son numerosísimas, pero en general se distinguen entre:

  • Aplicaciones conectadas a la red de distribución eléctrica (centrales de producción de electricidad, instalaciones en edificios, etc…)
  • Aplicaciones aisladas (sistemas autónomos para la producción de energía eléctrica)
    • Bombeo de agua y sistemas de regadío. Ésta es la aplicación por excelencia. Estas aplicaciones tienen la ventaja de que los requerimientos de energía coinciden el tiempo con los días más soleados. Además el montaje requerido para el bombeo de agua es muy simple y barato.
    • Electrificación de viviendas rurales. (Rentable si la  red eléctrica más cercana encuentra alejada)
    • Equipos y estaciones de comunicaciones (teléfonos de emergencia de las autopistas, repetidores, etc.)
    • Equipos de telemedida (Suelen ser equipos meteorológicos, medidas ambientales, etc.)
    • Señalización: (boyas, balizas y luces para la navegación; señales de tráfico, luces y semáforos; señalización en vías de tren y señalización en aeropuertos)
    • Satélites

La Célula Fotovoltaica

La célula fotovoltaica es el elemento en el que se produce el efecto fotovoltaico.

La radiación solar está compuesta por fotones. Cuando los fotones inciden sobre una célula fotovoltaica, pueden ser reflejados o absorbidos, únicamente los fotones absorbidos generan electricidad. La energía del fotón absorbido se transfiere a un electrón de un átomo de la célula. Con esta nueva energía, el electrón es capaz de desplazarse de su posición normal asociada con un átomo para formar parte de una corriente en un circuito eléctrico.
Las partes más importantes de la célula solar son las capas de semiconductores, ya que es donde se crea la corriente de electrones. Estos semiconductores son especialmente tratados para formar dos capas diferentes dopadas (tipo p y tipo n) para formar un campo eléctrico, positivo en una parte y negativo en otra. Cuando la luz solar incide en la célula se liberan electrones que pueden ser atrapados por el campo eléctrico, formando una corriente eléctrica. Es por ello que estas células se fabrican partir de este tipo de materiales, es decir, materiales que actúan como aislantes a baja temperatura y como conductores cuando se aumenta la energía.

Además de los semiconductores las células solares están formadas por una malla metálica superior para recolectar los electrones del semiconductor y transferirlos a la carga externa y un contacto posterior para completar el circuito eléctrico.También en la parte superior de la célula hay un vidrio u otro tipo de material encapsulado transparente para sellarla y protegerla de las condiciones ambientales, y una capa antireflexiva para aumentar el número de fotones absorbidos.

Tecnologías de Producción

En la actualidad existen diferentes tecnologías en el mercado para la producción de células fotovoltaicas, cada una de ellas tiene sus ventajas e inconvenientes. A continuación realizaremos una breve descripción de cada una de ellas

Células de primera generación o de silicio cristalizado

Es la tecnología mas desarrollada hasta la actualidad, logrando una eficiencia media a un coste medio-alto. Su coste esta relacionado con el gran consumo eléctrico necesario para producirlas. El proceso de fabricación es el siguiente, el silicio se purifica, se funde y se cristaliza en lingotes. Los lingotes son cortados en finas obleas para hacer células individuales. Se pueden distinguir dos grandes tipos:

  • Silicio monocristalino La mayoría de las células actualmente en el mercado son monocristalinas.
  • Silicio policristalino Las células policristalinas se fabrican de forma similar a las monocristalinas. La principal diferencia es que se utiliza un silicio de bajo coste

Ambos poseen una alta eficiencia, no obstante los monocristalinos son algo mas eficientes que los policristalinos. No obstante, presentan la desventaja de sufrir una alta dependencia de la materia prima para la fabricaci’on de los módulos.

Células de segunda generación o de capa fina

a) Silicio amorfo

Como su nombre índica estas células no poseen una estructura cristalina. Esta tecnología se encuentra por detrás de la tecnología convencional en términos de eficiencia pero es la más barata y ligera. Surge con la idea de crear dispositivos económicos en materiales y procesos de fabricación, aunque con una eficiencia moderada.

Entre las Ventajas se puede decir que las células de Silicio amorfo pueden fabricarse a una temperatura de deposición relativamente baja, generalmente entre 200-500 ºC, lo que permite el uso de varios sustratos de bajo coste. Asimismo, poseen mayor producción (kWh) a igualdad de potencia (kWp) debido a su bajo coeficiente de temperatura y un mejor aprovechamiento de la radiación difusa

Entre los inconvenientes se puede decir que el silicio amorfo sufre una degradación debido a la luz al inicio de su operación, hay una perdida de eficiencia en las primeras horas de funcionamiento. También es una desventaja que necesiten de mayor superficie para producir la misma potencia que con silicio cristalino.

b) Células solares de Cobre Indio Galio y Diselenuro (CIS CuInSe2) (CIGS Cu(InGa)Se2)

Es una de las tecnologías de capa fina con mayor potencial debido a su alta eficiencia y bajo coste. Las células CIGS ofrecen el mayor coeficiente de absorción dentro de la tecnología capa fina, lo que permite que alrededor del 99% de los fotones sean absorbidos por los primeros micrómetros del material. En la figura se puede observar una estructura o composición de una célula fotovoltaica CIGS.

Las ventajas son la reducción de costes en materiales (independencia del mercado del silicio), que los paneles de capa fina CIS no sufren degradación y la eficiencia superior al silicio amorfo.

Las desventajas son un método de fabricación complicado y con necesidad de inversión importante, la disponibilidad de materiales y la toxicidad de la capa Cadmio.

c) Teluro de Cadmio

Otra de las tecnologías capa fina que está siendo investigada últimamente es el teluro de cadmio. Una célula típica de teluro de cadmio está formada por una capa (tipo p) de teluro de cadmio, unida a una fina capa tipo n de CdS y finalmente formada por una capa de TCO (generalmente SnO2), la cual está conectada con el contacto eléctrico.

Las ventajas son la multitud de técnicas para la fabricación de esta tecnología de capa fina, la mayoría de las cuales tiene un gran potencial para su producción a gran escala.

Las desventajas es el alto coste de los materiales.

Células solares de tercera generación

A parte de las tecnologías citadas anteriormente existen nuevas tecnologías que todavía no están completamente desarrolladas o que se encuentran en fase de estudio. Las células multiunión (Arseniuro de Galio) son una nueva tecnología que ofrece eficiencias altas en comparación con las células solares tradicionales
Las células multiunión sacan mejor partido del espectro solar mediante el uso de capas de diferentes semiconductores con diferentes “band gaps”. Cada capa está formada por un material diferente, el cual absorbe diferentes porciones del espectro. Los semiconductores son elegidos con el fin de que el conjunto absorba la mayor parte del espectro solar. En la capa superior se colocan los semiconductores con un “band gap” mayor, de forma que los fotones más energéticos son absorbidos en esta capa.

A su favor decir que presentan eficiencias muy altas, aunque su coste es muy elevado y es una tecnología aun en fase de estudio.

Fotovoltaica de Concentración

Los concentradores ópticos concentran la radiación solar en una célula fotovoltaica altamente eficiente. A partir de una concentración, el coste de la superficie fotovoltaica puede ser reducirse considerablemente.

Los paneles solares están formados por células solares fabricadas con materiales semiconductores compuestos, como el arseniuro de galio (tercera generación), con superficies de absorción muy pequeñas (entre 2 mm² y 2 cm²) debido a su coste, y a través de diversos elementos como lentes, espejos y prismas (Ali como seguidores) concentran los rayos solares sobre estas células, consiguiendo ampliar hasta mil el nivel de radiación solar, produciendo de este modo más energía.

Estas lentes y espejos que forman los seguidores solares o helióstatos también contribuyen a aumentar el coste.
Las desventajas de este sistema es que las células sólo funcionan a pleno rendimiento en días completamente despejados y con radiación directa.

 

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