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Paneles fotovoltaicos

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Paneles fotovoltaicos
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Presentación

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Los Paneles fotovoltaicos están diseñados para su uso en exteriores en condiciones extremas como el mar, trópico, ártico, y los ambientes desérticos. La elección del material fotovoltaicamente activo puede tener efectos importantes en el diseño del sistema y su rendimiento. Tanto la composición del material y de su estructura atómica influyen. Los materiales fotovoltaicos incluyen al silicio, arseniuro de galio, diseleniuro de cobre e indio, teluro de cadmio, fosfuro de indio, y muchos otros. La estructura atómica de una célula fotovoltaica puede ser de monocristalina, policristalina o amorfa. El material fotovoltaico más comúnmente producido es el silicio cristalino, tanto monocristalini o policristalino.

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Contenido

Las células normalmente se agrupan en módulos, que se encapsulan con diversos materiales con el fin de proteger a las células y los conectores eléctricos del medio ambiente. Los módulos de células fotovoltaicas constan de ramas paralelas NGP y cada rama tiene células solares NSM en serie.

Las células fotovoltaicas son frágiles y susceptibles a la corrosión por humedad o huellas dactilares y pueden tener delicados conductores de alambre. También, la tensión de funcionamiento de una sola célula fotovoltaica es de aproximadamente 0,5 V, lo que es inutilizable para muchas aplicaciones. Un módulo es un conjunto de células fotovoltaicas que proporciona una tensión de funcionamiento útil y ofrece medios que protegen a las células. Dependiendo del fabricante y del tipo de material fotovoltaico, los módulos tienen diferentes apariencias y características de rendimiento. Además, los módulos pueden ser diseñados para condiciones específicas, tales como calor, humedad, desierto, o climas helados. Generalmente, las células son conectadas en serie a otras células a producir una tensión de funcionamiento de alrededor de 14-16 V. Estas cadenas de células se encapsulan luego con un polímero, una cubierta de vidrio frontal, y un material trasero. Además, una caja de conexiones está unida en la parte trasera del módulo para hacer más conveniente el cableado a otros módulos u otros equipos eléctricos.

Tipos de tecnología fotovoltaica

Células de silicio monocristalino

Silicio monocristalino.jpg

Estas células son de silicio monocristalino puro. En estas células, el silicio tiene una única estructura de red cristalina continua casi sin defectos ni impurezas. La principal ventaja de las células monocristalinas es su alta eficiencia, que típicamente es de alrededor del 15%. La desventaja de estas células es que se requiere un complicado proceso de fabricación para producir silicio monocristalino, lo que se traduce en costes ligeramente superiores a los de otras tecnologías.

Características

  • Las células monocristalinas son peculiares porque tienen los cantos formando angulos de 90º, es decir, completamente cuadradas
  • Ofrece un menor rendimiento frente a las células monocristalinas
  • Son las más fabricadas para potencias que son habituales, los paneles de potencias altas suelen ser

monocristalinos.

  • El precio de venta es menor frente al precio de la célula monocristalina
  • Recomendaciones de uso: Cuando se trate de instalaciones que se disponga de espacio suficiente y se quiera rentabilizar la instalación lo antes posible.

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En Chile los paneles monocristalinos

Los paneles monocristalinos se fabrican a partir de rebanadas finas cortadas de un solo cristal de silicio. La potencia de los paneles es escalable y oscila entre 80 y 200 Wp (Watt peak) por panel. Los costos de inversión del sistema fotovoltaico, incluyendo estructuras de montaje, inversores, cables, etc., están entre USD/KWp 3.750 y 6.250, y los costos de operación y mantenimiento para esta tecnología corresponden aproximadamente al 1% de la inversión. [IEA 2010, Tech. Roadmap]

Usualmente, alcanzan un factor de planta cercano al 20% [NREL, 2010], con una eficiencia de conversión actual de entre 15%-19% [IEA, 2010 Tech. Roadmap], proyectada para el período 2010-2015 de 21%, mientras para el 2020 y 2050 es de 23% y 25%, respectivamente [IEA 2010, Tech. Roadmap].

En Chile está presente en aplicaciones de pequeña escala y sistemas eléctricos aislados (off-grid), destacando proyectos de telecomunicaciones, desarrollo social, electrificación rural y responsabilidad social en el norte grande. Hoy en día el valor del W peak (Wp) se está equiparando con policristalinos y otras tecnologías solares. En concreto, en Chile encontramos este tipo de tecnología en el proyecto Pica Solar, actualmente en ingeniería de detalle.

Células de silicio policristalino

Silicio policristalino.jpg

Las células policristalinas se producen utilizando numerosos granos de silicio monocristalino. En el proceso de fabricación, el silicio policristalino fundido se cuela en lingotes, que posteriormente se cortan en obleas muy delgadas y se ensamblan en células completas. en su origen de fabricación han sido enfriadas de manera artificial, acelerando su proceso natural, de esta manera, el silicio cuando se enfría se fragmenta, quedando cristales separados unos de otros, de aquí el nombre de Policristalino. Una vez enfriado el bloque de silicio, de corta en finas capas que finalmente serán las células que veamos en los paneles solares. Como se puede apreciar en cualquier panel solar, este tipo de células son de color azul claro y con escamas de los diferentes fragmentos de cristal.

Las células policristalinas son más baratos de producir que las monocristalinas debido a que se requiere un proceso de fabricación más simple. Sin embargo son un poco menos eficientes que las células fotovoltaicas monocristalinas, con una eficiencia media de alrededor del 12%.[1]

Ventajas

  • Ofrece un menor coste comparado con las células monocristalinas
  • Capacidad de amortización más rápida frente a los paneles monocristalinos por su precio
  • Hay una gran competencia en este tipo de tecnología, por lo que es fácil encontrar paneles policristalinos en el mercado.

Inconvenientes

  • La eficiencia de la célula policristalina frente a la célula monocristalina es menor, del orden del 1%, por lo que para obtener la misma eficiencia en paneles solares deberemos instalar más.

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En Chile las Células de silicio policristalino

Los paneles policristalinos se fabrican a partir de un solo bloque de cristales, que incluyen no sólo silicio. Ofrecen en general mayor eficiencia de conversión que los monocristalinos, fluctuando entre 14 – 20% [IEA 2010, Tech. Roadmap]. Usualmente, alcanzan un factor de planta cercano al 20% [NREL, 2010].La potencia de los paneles es escalable y oscila entre 5 y 300 Wp (Watt peak) por unidad. Los costos de inversión del sistema fotovoltaico, incluyendo estructuras de montaje, inversores, cables, etc., están entre USD/KWp 3.750 y 6.250, y los costos de operación y mantenimiento para esta tecnología corresponden aproximadamente al 1% de la inversión [IEA 2010, Tech. Roadmap][IEA Tech. Roadmap, 2008].

Costo

El proyecto completo tiene un costo de entre 9.000 y 11.000 USD/KWp, y los costos de operación y mantenimiento para esta tecnología corresponden aproximadamente a 400 USD/sitio/año, asociados, principalmente, a labores de revisión y limpieza.

Es una tecnología más antigua que requiere de mayor superficie y es menos eficiente, pero es de menor costo que la monocristalina. A pesar de que no se utiliza en proyectos arquitectónicos como fachadas, su implementación es adecuada para instalaciones residenciales o, cuando el espacio no es un factor limitante.

Hasta el año 2003, gran parte de los proyectos PV presentes en sistemas eléctricos aislados (off-grid) desarrollados en Chile, corresponden a tecnología policristalinos. El costo medio de la energía se encuentra en el orden de los 23,3 a 36,3 centavos USD por kWh.[2]

Silicio amorfo

Silicio amorfo.jpg

Generalmente, la diferencia principal entre estas células y las anteriores es que en lugar de la estructura cristalina, las células de silicio amorfo están compuestas de átomos de silicio en una capa homogénea delgada. Además, el silicio amorfo absorbe la luz con mayor eficacia que el silicio cristalino, lo que conduce a células más delgadas células, conocidas también como tecnología fotovoltaica de película delgada. La mayor ventaja de estas células es que el silicio amorfo puede ser depositado sobre una amplia gama de sustratos, tanto rígidos como flexibles. Su desventaja es la baja eficiencia, que es del orden de 6%. Hoy en día, los paneles fabricados a partir de células solares de silicio amorfo vienen en una variedad de formas, tales como tejas, que pueden sustituir las baldosas normales de ladrillo en un techo solar.[3]

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En Chile el silicio amorfo

Los paneles solares de silicio amorfo (a-Si) se forman mediante el depósito de diferentes tipos de silicio tratado sobre un substrato de vidrio. En primer lugar, un óxido conductor transparente (TCO) se aplica a un sustrato de vidrio seguido de un trazado con láser para establecer los límites de las celdas. A continuación, las capas silicio tipo p-i-n, se depositan en el TCO. Esta capas tipo p-i-n permiten que los fotones actúen para excitar a los pares electrón-hueco. Las capas de silicio son nuevamente trazadas y, finalmente, se incorporan los contactos que conectan las celdas recién formadas.

Esta tecnología utiliza silicio de menor calidad y su eficiencia disminuye con el aumento de la temperatura. Está disponible en formato de módulos, tiene baja eficiencia pero a la vez, menor costo. Es el más utilizado y se encuentra en diversas aplicaciones, desde calculadoras hasta proyectos de generación eléctrica.

La potencia

En este tipo de tecnología oscila entre 0,1 y 150 Wp (Watt peak) y la eficiencia de conversión de este tipo de paneles es de entre 6% y 9%.

Costo

La inversión del sistema fotovoltaico, incluyendo estructuras de montaje, inversores, cables, etc., están entre USD/KWp 1.500 y 2.250, y los costos de operación y mantenimiento para esta tecnología corresponden aproximadamente al 1% de la inversión.[4][5]

En Chile está presente a nivel de proyectos sociales, electrificación rural y proyectos residenciales. Como referencia se puede mencionar una planta de 250 MW que se pretende instalar en Chile [SEIA, 2011]. El costo medio de la energía se encuentra en el orden de los 23,3 a 36,3 centavos USD por kWh.

Termofotovoltaico

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Estos son dispositivos fotovoltaicos que, en lugar de la luz solar, utilizan la región infrarroja de la radiación, es decir la radiación térmica. Un sistema termofotovoltaico completo (TPV) incluye un sistema de combustible, un quemador, un radiador, un mecanismo de recuperación de fotones de onda larga, una célula fotovoltaica, y un sistema de recuperación de calor residual. Los dispositivos termofotovoltaicos convertir la radiación usando exactamente los mismos principios que los dispositivos fotovoltaicos, descritos en secciones anteriores. Las diferencias fundamentales entre la conversión fotovoltaica y termofotovoltaica son las temperaturas de los radiadores y las geometrías del sistema.

En una célula solar, la radiación se recibe desde el sol, que está a una temperatura de aproximadamente 6000 K y una distancia de unos 150 x 10 6 km. Sin embargo un dispositivo termofotovoltaico recibe la radiación, ya sea en la banda ancha o estrecha, desde una superficie a una temperatura mucho más baja de alrededor de 1300-1800 K y una distancia de tan sólo unos pocos centímetros. Aunque la energía del cuerpo negro radiada por una superficie varía a la cuarta potencia de la temperatura absoluta, domina la dependencia del cuadrado inverso de la ley de la potencia recibida por los detectores. Por lo tanto, aunque la potencia recibida por una célula no-concentrador solar es del orden de 0,1 W/cm2, la recibida por un convertidor termofotovoltaico es probable que sea de 5 a 30 W/cm2, dependiendo de la temperatura del radiador. Por consiguiente, se espera que la densidad de potencia de salida de un convertidor termofotovoltaico sea significativamente mayor que la de un convertidor no-concentrador fotovoltaico.

Además de los tipos anteriores, existen varios otros materiales prometedores, como por ejemplo el telururo de cadmio (CdTe) y diseleniuro de cobre e indio (CuInSe2), que se utilizan hoy en día para las células fotovoltaicas. Las principales tendencias de interés hoy en día son el uso de polímeros y células solares orgánicas. El atractivo de estas tecnologías es su potencial de ofrecer una producción rápida y a bajo costo en comparación con las tecnologías de silicio cristalino, sin embargo, suelen tener una menor eficiencia (alrededor del 4%), y a pesar de la demostración de vidas operativas y estabilidad bajo condiciones inertes por miles de horas, sufren de problemas de estabilidad y degradación. Los materiales orgánicos son atractivos principalmente debido a la perspectiva de fabricación de alto rendimiento usando deposición carrete-a-carrete o por pulverización. Otro de sus atractivos es la posibilidad de dispositivos ultra-delgados y flexibles, que pueden ser integrados en aparatos o materiales de construcción, y el ajuste de color a través de la estructura química.

Nano-fotovoltaico

Puede ser considerado como la tercera generación de dispositivos fotovoltaicos; siendo la primera generación las células de silicio cristalino, y la segunda generación las celulas con recubrimientos de de silicio amorfo de película delgada. En lugar de materiales conductores y un sustrato de vidrio, la tecnología de nano-fotovoltaico consiste en recubrir o mezclar sustratos de polímero "imprimibles" y flexibles con nanomateriales conductores de la electricidad. Este tipo de energía fotovoltaica se espera que esté disponible en el mercado dentro de los próximos años, lo que reduciría los costos tradicionalmente altos de las células fotovoltaicas.

Thin Film

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Esta tecnología se aplica para obtener electricidad, con un rango de potencia variable, desde sistemas muy simples hasta grandes sistemas de electrificación. Estos paneles se encuentran usualmente en rollos, los que equivalen a varios paneles unidos longitudinalmente.

Los Thin Film se construyen depositando capas muy delgadas de materiales fotovoltaicos sobre un soporte de bajo costo, tal como vidrio, acero inoxidable o plástico, lo que resulta en menores costos de producción en comparación con la tecnología de cristalinos. Sin embargo, estos menores costos de producción se compensan con las tasas de eficiencia más bajas que se obtienen con esta tecnología.

Comercialmente, los materiales utilizados en la fabricación de estos paneles son: el Silicio amorfo (a-Si, la estructura no sigue una configuración cristalina), Cadmium Telluride (CdTe, Cadmio Telurio), Copper Indium/Gallium Diselenide/Disulphide (CIS, CIGS) y Multi junction cells (a-Si/m-Si). Los Thin Films más utilizados en la actualidad son los producidos con Silicio amorfo.

La potencia

Es escalable y oscila entre 20 y 200 Wp (Watt peak) por panel y, usualmente, alcanzan a un factor de planta 20 entre 11 y 30% [NREL, 2010], con una eficiencia de conversión de entre 6% y 12% [IEA 2010, Tech. Roadmap]. Al 2020-2030 se espera que la eficiencia llegue a estar entre 15% y 18%. Los costos de inversión del sistema fotovoltaico, incluyendo estructuras de montaje, inversores, cables, etc., están entre USD/KWp 1.500 y 2.250, y los costos de operación y mantenimiento para esta tecnología corresponden aproximadamente al 1% de la inversión [IEA 2010, Tech. Roadmap]. Para un proyecto completo, los costos de inversión están entre 1.5.00 y 20.250 USD/KWp, incluyendo el requerimiento de mano de obra especializada.

Si bien las eficiencias logradas con esta tecnología aún son bajas, el alto nivel de automatización que pueden alcanzar en su operación, la escasa sensibilidad al sobrecalentamiento (en general los paneles disminuyen su desempeño al elevarse su temperatura), su mejor apariencia y factibilidad de ser colocados en edificios, los ha hecho ver aumentada su demanda.

Se espera desarrollar la tecnología que permita el aumento en los rendimientos de estos paneles y disminuir los costos de fabricación, pues aún se pueden ahorrar costos por concepto de construcción y requerimientos de espacio. Se puede encontrar a nivel comercial, pero la tecnología sigue bajo estudio y mejora permanente, teniendo como foco principal aumentar la eficiencia. Hoy en día se encuentran en aplicaciones especiales como fachadas, techos solares, reemplazo de vidrios, entre otros.[6]

[7]

Añadir perovskita a una célula solar aumenta su rendimiento hasta un 50%

Colocar un nuevo tipo de material fotovoltaico sobre una célula solar convencional puede aumentar la producción total de energía en un 50%. Investigadores de la Universidad de Stanford (EEUU) han añadido un tipo de material que se conoce como perovskita a una célula solar de silicio, dando validez a una idea para aumentar de forma barata la eficiencia de la energía solar que se propuso por primera vez hace ya algunos años.

Las perovskitas son materiales con una estructura cristalina especial. La que ha usado el equipo de Stanford contiene materiales relativamente abundantes y baratos entre los que se encuentran el amoniaco, el yodo y el plomo.

Los científicos de los materiales empezaron a demostrar el potencial fotovoltaico de las perovskitas en 2009. Desde entonces, distintos grupos de investigación han creado perovskitas con eficiencias fotovoltaicas comparables a las de muchas células solares comerciales. Pero las perovskitas además convierten determinadas partes del espectro solar en electricidad con una mayor eficiencia que el silicio y viceversa, así que el mayor aumento de eficiencia podría derivar de usar perovskitas para potenciar y no sustituir el silicio en la mayoría de las células solares (ver Un material para generar energía solar a precio "casi regalado" y ¿Cuál es la siguiente tecnología en la industria solar?). Ahora investigadores de la Universidad de Stanford han demostrado que la idea puede funcionar.

Uno de los principales retos a la hora de emparejar células de perovskita con células de silicio ha sido hacer las primeras transparentes para que la luz que no absorban pase hasta las células de silicio que hay debajo. Las células solares de perovskita que se habían hecho hasta la fecha usaban un material opaco por detrás para recoger la corriente eléctrica. Los investigadores de Stanford han desarrollado un método de fabricación que implica producir un electrodo transparente hecho de nanocables de silicio.

Los investigadores cogieron una célula solar de silicio barata con una eficiencia del 11,4% y la aumentaron al 17% añadiendo la célula de perovskita.

Sin embargo, queda mucho trabajo por hacer antes de que estas células lleguen al mercado. Las células de perovskita actuales no duran demasiado y los investigadores aún están intentando desarrollar versiones que no usen plomo, que es tóxico.

Además, aún no se comprende demasiado bien cómo interactúa la luz con los dos materiales. Cuando el grupo de Stanford añadió perovskita a células solares de silicio cuya eficiencia ya era del 17%, por ejemplo, midieron un aumento mucho menor de la producción, hasta el 17,9%.

Aún así, las perovskitas podrían ser una bendición para la industria solar. Los investigadores creen que las células de perovskita y silicio podrán convertir más de un 30% de la energía de la luz solar en electricidad. Un aumento de esta magnitud reduciría la cantidad de paneles necesarios para algunas instalaciones casi a la mitad, abaratando muchísimo los costes de instalación.

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