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Boletín Agropecuario Nº 115 - Enero 2018

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Agropecuaria H. Carrillo, C.A. Paneles Fotovoltaicos: Concepto y tipos

Paneles Fotovoltaicos: Concepto y tipos

Los sistemas fotovoltaicos transforman la luz solar en energía eléctrica, una partícula luminosa con energía (fotón) se convierte en una energía electromotriz (voltaica), de ahí su nombre, fotovoltaico.

Conversión fotovoltaica

Es un proceso por el cual la energía solar se transforma directamente en electricidad. El dispositivo o elemento que media en el proceso es la célula solar o célula fotovoltaica. A esta conversión fotovoltaica se le llama efecto fotoeléctrico.

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material cuando se le ilumina con radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general). El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887.

Cuando la energía luminosa, principalmente la radiación solar, incide en la célula fotoeléctrica, existe un desprendimiento de electrones de los átomos que comienzan a circular libremente en el material. Si medimos el voltaje existente entre los dos extremos del material, observamos que existe una diferencia de potencial entre 0,5 y 0,6 voltios.

Revista Ganaderia

Célula Fotoeléctrica

Una célula fotoeléctrica, también llamada célula, fotocélula o celda fotovoltaica, es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía luminosa (fotones) en energía eléctrica (electrones) mediante el efecto fotoeléctrico. En la actualidad el material fotosensible más utilizado es el silicio, que produce corrientes eléctricas mayores.

Hoy se utilizan diferentes tecnologías en la producción de las celdas fotovoltaicas con el fin de aumentar su producción y reducir su coste.

Panel o Modulo Fotovoltaico

Al grupo de células fotoeléctricas o celdas fotovoltaicas se le conoce como panel fotovoltaico.

Los paneles fotovoltaicos consisten en una red de células conectadas como circuito en serie para aumentar la tensión de salida hasta el valor deseado (usual-mente se utilizan 12V a 36V) a la vez que se conectan varias redes como circuito paralelo para aumentar la corriente eléctrica que es capaz de proporcionar el dispositivo.

La eficiencia de conversión media obtenida por las células disponibles comercialmente (produ-cidas a partir de silicio monocristalino) está alrededor del 16%. La vida útil media a máximo rendimiento se sitúa en torno a los 25 años, período a partir del cual la potencia entregada disminuye.

El tipo de corriente eléctrica que proporcionan es corriente continua, por lo que si necesitamos corriente alterna o aumentar su tensión, tendremos que añadir un inversor y/o un convertidor de potencia.

Usos de los sistemas de energía fotovoltaica

El elemento principal de un sistema de energía fotovoltaica es la célula fotoeléctrica. Los paneles solares están constituidos por cientos de éstas células, que conexionadas adecuadamente, suministran voltajes suficientes para, por ejemplo, la recarga de una batería. El principal uso de la energía fotovoltaica es hoy día la generación eléctrica conectada a la red de distribución, con el fin de reducir las emisiones de CO2. Igualmente día a día el uso para autoconsumo esta adquiriendo mucho auge.

Fabricación

Para su construcción, de la arena común (con alto contenido en silicio) se obtiene inicialmente una barra de silicio sin estructura cristalina (amorfo), una vez separados sus dos componentes básicos, y que acoge gran cantidad de impurezas.

Mediante un proceso electrónico, que también permite eliminar las impurezas, la barra de silicio amorfo es transformada en una estructura monocristalina, la cual posee características de aislante eléctrico, al estar formada por una red de uniones atómicas altamente estables. A continuación, con el material ausente totalmente de impurezas (una pequeña impureza lo hace inservible), es cortado en obleas (finas láminas de sólo una décima de milímetro).

Las obleas, son entonces fotograbadas en celdillas con polaridades positiva y negativa; la polaridad positiva se consigue a base de introducir lo que electrónicamente hablando se denominan huecos, es decir, impurezas que están compuestas por átomos que en su capa de valencia sólo tienen tres electrones (les falta uno para estar estables). Por su parte, en la zona negativa se sigue un proceso similar al de la zona positiva, pero en éste caso las impurezas que se inyectan son átomos que en su capa de valencia tienen cinco electrones, es decir, en la estructura de cristal sobra un electrón (sobra un electrón, por eso se dice que tiene carga negativa).

El conjunto de ambos materiales (positivos y negativos) forman un diodo; éste dispositivo tiene la característica de dejar pasar la corriente eléctrica en un sentido pero en el otro no, y aunque los diodos son utilizados para rectificar la corriente eléctrica, en éste caso, permitiendo la entrada de luz en la estructura cristalina, permitiremos que se produzca movimiento de electrones dentro del material, por eso éste diodo es denominado «fotodiodo» o «célula fotoeléctrica».

Tipos paneles fotovoltaicos

Tradicionalmente estaban definidos tres tipos de paneles dependiendo de forma de procesar el Silicio: mono-cristalinos, poli-cristalinos y amorfos. Hoy día nuevas tecnologías en la producción de los paneles están revolucionando la generación eléctrica fotovoltaica.

Celdas Esféricas: están compuesto por pequeños corpúsculos de silicio como gotas de silicio, consiste en una matriz de pequeñas células solares esféricas capaces de absorber la radiación solar con cualquier ángulo.

Celdas Monocristalinas: se componen de secciones de un único cristal de silicio (reconocibles por su forma circular o hexagonal).

Celdas Policristalinas: cuando están formadas por pequeñas partículas cristalizadas.

Celdas Amorfas: cuando el silicio no se ha cristalizado.

Células solares con forma esférica

Nuevas células solares con forma esférica y tamaño diminuto (entre 1 y 1,5 mm de diámetro) podrían suponer una importante revolución en la expansión y campo de aplicación de la energía solar fotovoltaica.

En Japón líder en tecnología fotovoltaica se ha desarrollado unas nuevas celdas solares con forma esférica y minúsculo tamaño entre 1 y 1,5 mm de diámetro, a diferencia de las celdas planas tradicionales de 72 mm. El avance podría suponer una revolución en la energía solar fotovoltaica.

El producto desarrollado por la empresa japonesa Kyosemi y al que se ha denominado como Sphelar®, consiste en una matriz de pequeñas células solares esféricas capaces de absorber la radiación solar con cualquier ángulo, pudiendo aprovechar tanto la radiación reflejada como la difusa, con esta tecnología no es necesario el uso de seguidores y su eficiencia llega a superar el 20%.

La disposición de las células en un medio flexible y transparente, amplía el campo de aplicaciones para la energía solar fotovoltaica, como la posibilidad de incorporarlas en pequeños aparatos electrónicos o convertir grandes superficies acristaladas como generadores de electricidad. Su aplicación en España permitiría reducir el impacto visual, especialmente en grandes ciudades y zonas de interés turístico.

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Paneles fotovoltaicos orgánicos y CIGS

El gran auge del uso de Paneles fotovoltaicos para la generación eléctrica en los últimos años ha permitido que la industria de Paneles desarrolle nuevas tecnologías para producir paneles cada vez de menor coste.

Actualmente existen diversas soluciones técnicamente viables para la generación de electricidad a partir de luz solar basadas, fundamentalmente, en células fotovoltaicas de silicio relativamente caras. Las tecnologías actuales de película delgada basadas en el silicio podrían estar llegando al límite en cuanto a relación eficacia-coste.

Además, el nuevo precio de la energía para las instalaciones de tecnología solar fotovoltaica en España exige una importante reducción en la inversión para su viabilidad económica. El principal coste esta en los paneles fotovoltaicos por ende se requiere de paneles fotovoltaicos de menor coste, viabilidad que está en el desarrollo de células fotovoltaicas orgánicas.

Los fotovoltaicos orgánicos (OPV) cuentan con la ventaja de que se pueden pintar sobre una superficie, como las paredes exteriores de un edificio o el tejado.

Además, se pueden elaborar por medio de procesos de impresión y de recubrimiento de alta velocidad y escalables, como las pinturas en aerosol y la impresión de inyección de tinta para cubrir áreas más extensas.

Los módulos de película delgada (thin-film) no están hechos a base de células de silicio convencionales, sino que se basan en CIGS (Cobre Indio Galio Selenio) incrustadas en un soporte flexible y ligero y aptas para colocarlas no sólo sobre los tejados, sino también sobre las fachadas de los edificios, ventanas, teléfonos móviles, ordenadores portátiles y coches.

Estas nuevas tecnologías, que se revelan como más rentables y eco eficientes, que constituyen, sin duda, una alternativa de bajo coste que permite la inversión acorde a las condiciones económicas del precio de la energía en España y el mundo.

España con la nueva ley, no solo reduce el precio de la energía producida si no que también reduce significativamente la cuota de instalaciones fotovoltaicas.

La importante reducción en el coste de puesta en marcha de las instalaciones fotovoltaicas compensa la importante reducción en la tarifa de compra. Pero por otro lado la deficiente infraestructura de las redes de transmisión eléctrica en Media Tensión de España, impide el desarrollo de este importante sector de la economía.

Células solares plásticas basadas en polímeros

Las células solares de polímeros son un tipo de célula solar flexible. Pueden venir en muchas formas incluyendo: células solares orgánicas (también llamados células solares de plástico), o la química orgánica de células fotovoltaicas que producen electricidad a partir de la luz del sol usando polímeros.

También hay otros tipos de semiconductores de película delgada más estables, que pueden ser depositados en los diferentes tipos de polímeros para crear las células solares. Esta tecnología es relativamente nueva, se está investigando por las universidades, laboratorios y varias empresas de todo el mundo.

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Concepto básico de las células solares plásticas

En la actualidad, las células solares comerciales se hacen de un cristal refinado, de silicio altamente purificado, similar a los materiales utilizados en la fabricación de circuitos integrados y chips de computadora (obleas de silicio).

El alto costo de estas células solares de silicio, y su complejo proceso de producción ha generado interés en el desarrollo de tecnologías alternativas de energía fotovoltaica.

En comparación con dispositivos basados en silicio, células solares de polímeros son ligeros (lo cual es importante para los pequeños sensores autónomos), potencialmente desechables y baratos de fabricar (a veces utilizando la electrónica impresa), flexible, personalizable a nivel molecular, y tienen una menor posibilidad de negativa del medio ambiente impacto.

Las desventajas de las células solares de polímeros son también problemas serios: ofrecen aproximadamente 1 / 3 de la eficiencia de materiales duros, y son relativamente inestable hacia la degradación fotoquímica. Por estas razones, a pesar de los continuos avances en los polímeros semiconductores, la gran ma-yoría de las células solares se basan en materiales inorgánicos.

Ventajas de las células solares plásticas

A diferencia de las celdas basadas en cristales de silicio, las células solares de polímeros, no requieren un orientación optima al sol ya que plástico recoge energía de hasta 70° del eje de sol a sol al aire libre - y en cualquier orientación en el interior.

Industrialización y campo de aplicación

Actualmente USA la empresa Konarka Technologies, Inc., está produciendo celdas utilizando esta tecnología.

Su campo de aplicación actual es para suministrar energía a teléfonos móviles y ordenadores portátiles.

El vertiginoso desarrollo de esta tecnología próximamente permitirá integración arquitectónica que permita a las edificaciones generar su propia energía (autoconsumo fotovoltaico).

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Fuente: Energiza





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