LA CELULA SOLAR FOTOVOLTAICA. Curso E.S.F. Úbeda. Septiembre-Octubre 2.008
Jaime Moles Pérez
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El átomo:
Enesencia delátomo, asu esencialaconstitución constitución la átomo, del refiriéndonos refiriéndonos su a aspecto eléctrico, consta deun de de eléctrico, consta de undeterminado determinadonumero numero protones concarga enel con cargapositiva positiva en elnúcleo núcleoy una una y cantidad cantidad igualdedeelectrones, girando en en electrones, concarga con carganegativa, negativa, girando diferentes órbitas del espacio, denominada Elnúmero deelectrones pueden enen númeromáximo máximo de electronesquese que se puedenalojar alojar 2 "n"2 el número de órbitas. de órbit cada órbita es ,, siendo siendo de 2n "n" el número Loselectrones en órbitas elípticas, encada electronesgiran giran enórbitascasi casi elípticas, cada en una una delas pueden lascuales cualesysegún según y suproximidad su proximidadalnúcleo, núcleo, al solo solo pueden existir un numero máximo de electrones. Atendiendo a la como inicialmente la acarga carga eléctrica eléctrica como inicialmente mencionábamos, losátomos, en en átomos, los se pueden sepueden clasificar clasificar positivos, negativos y neutros.
El átomo: Losátomos cuando están completas átomosdeelementos de elementossimples, simples, cuando están completas susórbitas deelectrones órbitassonneutros, sonneutros,hayigual hayigualcantidad cantidad electrones de que de protones; dado que los electrones de protones;pero pero dado que los electronesdelalaúltima de última órbita son los más delnúcleo son los másalejados alejados del núcleoypor por y tanto, tanto,perciben perciben menos sufuerza salirse dedicha sufuerzadeatracción, deatracción,pueden pueden salirse dedicha órbita denominada devalencia, alátomo denominada valencia, de dejando dejando átomo al cargado cargado positivamente porcontener protones queelectrones, contener por más más protones que electrones, sipor último delátomo porelelcontrario contrarioenelelen últimoorbital orbital delátomohubiese hubiese alojado un un electrón exterior electrón libre libre exterioral átomo alátomo habría habría adquirido carga negativa, a estas situaciones carga negativa, estas a dos dos situacionesseles lesse denomina iones.
ÁTOMOS ESTABLES E INESTABL Sellama estable alque de de llamaátomo átomo estable que al tiene tienecompleta completa electrones suúltima oal en en última su órbita órbita alomenos menosdispone dispone ellade Losátomos deocho ochoelectrones. electrones. Los átomosinestables, inestables, queson susu órbita sonlos losque queno notienen tienenllena llena órbitadede valencia ni tampoco ocho electrones tampoco ni ocho electronesenella, ella, en tienen una gran en en una granpropensión propensióna convertirse convertirse a estables, bien desprendiéndose delos bien desprendiéndose loselectrones electrones de de valencia valencia o bien bien o absorbiendo absorbiendodelexterior exterior del electrones libres hasta completar laúltima libres hasta completar última la órbita; órbita; encada realizaran lo que cadacaso caso realizaran que lomenos menosenergía energía suponga.
CUERPOS CONDUCTORES Y AISLANT
Loscuerpos sonaquellos cuerposconductores conductores son aquellos cuyos átomos permiten fácilmente elpaso átomos permiten fácilmente paso el de electrones a su través. Unbuen buenejemplo ejemplodeconductor deconductoreseleles Cobre (Cu) que (Cu) quedispone disponedeun de unelectrón electrón inestable ensu cuarta con una suen cuartaórbita órbita con unagran gran tendencia a desprenderse.
CUERPOS SEMICONDUCTORES INTRINSEC
Mientras queque los los cuerpos cuerpos buenos buenos conductores ofrecen escasa resistencia al al ofrecen escasa resistencia paso deelectrones, deelectrones,losaislantes aislantes los laofrecen ofrecen la elevadísima, y entre extremos, se se entreyambos ambos extremos, encuentran los semiconductores los semiconductores que presentan una resistencia inter
CUERPOS SEMICONDUCTORES INTRINSEC
Unejemplo eselelSilicio lalacaracterística ejemplodeelemento de elementosemiconductor semiconductor Silicio es (Si), (Si), característica fundamental de los es lala de losdecuerpos cuerpossemiconductores semiconductores deesposeer poseer cuatro cuatro electrones en su órbita de valencia. Conesta elátomo para hacerse estable selele estaestructura estructura átomo el esinestable, esinestable,pero pero para hacerse estable se presenta undilema: desprenderse decuatro dilema: un y es esyque quelelecuesta cuestalo mismo mismo lo desprenderse cuatro de electrones y quedarse absorber cuatro electrones quedarse y sinuna una sinórbita, órbita,que que absorberotros otros cuatro electrones para hacerse estable alpasara ocho electrones. hacerse estable pasara al tener tener ocho electrones.Enestas estas En especiales especiales circunstancias, ciertos elementos como elSilicio ciertos elementos como elSilicioyel elyGermanio Germanio(Ge)agrupan (Ge) agrupan sus átomos demanera particular, formando una estructura reticular enlalaen átomos de maneramuy muy particular, formando una estructura reticular quecada queda rodeado porotros iguales, propiciando la la cadaátomo átomo queda rodeado por otroscuatro cuatro iguales, propiciando formación de los llamados enlaces covalentes. Enestas laestructura al estascircunstancias, circunstancias, estructura la delos losdecuerpos cuerpossemiconductores, semiconductores, estabilizarse, debería trabajar como buen aislante, pero no es debería trabajar como buen aislante, pero no esasí asíacausa acausadela de la temperatura. Canto mayor esla laagitación delos Canto mayor eslatemperatura temperaturaaumenta aumenta agitación la los de electrones y por covalentes rotos, dando lugar a a pory consiguiente consiguienteenlaces enlaces covalentes rotos, dando lugar electrones libres y huecos (falta de electrón).
SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS:
Comoquiera quelas que lascorrientes corrientesquese que seproducen producen enelelseno un a la senodede unsemiconductor semiconductorintrínseco intrínseco la a temperara ambiente soninsignificantes, eleldado ambiente son insignificantes,dado bajo valor dede portadores para aumentarlos valor portadoreslibres, libres, para aumentarlos seles cuerpos, lesañaden añadenotro otro cuerpos,quese quesedenominan denominan impurezas. De esta esta forma formaesescomo como seseobtienen obtienen los los semiconductores extrínsecos tanimportantes en en extrínsecos importantes tan la energía solar fotovoltaica.
SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS TIPO N
Enlalafigura cristalina delSilicio figurasepresenta sepresentalaestructura estructura la cristalina Silicio del (Si)dopado Antimonio al introducirse dopadoconcon Antimonio(Sb) (Sb) alintroducirseunátomo átomo un deimpurezas hecho por elelque el el impurezasdeeste este deelemento, elemento, hecho por querecibe recibe nombre de semiconductor extrínseco.
SEMICONDUTORES EXTRÍNSECOS TIPO P:
Enlalafigura cristalina delSilicio figurasepresenta sepresentalaestructura estructura la cristalina Silicio del (Si) (Si) dopado concon Aluminio Por dede impurezas Aluminio(Al). (Al). Porcada cadaátomo átomo impurezas trivalente que se añade intrínseco aparece en en que se añadealsemiconductor semiconductor al intrínseco aparece laestructura un estructuraunhueco, hueco, un o lo looque queeseslolomismo, mismo,lafalta la faltadede un electrón.
UNION DEL SEMICONDUCTOR P CON EL N:
UNION DEL SEMICONDUCTOR P CON EL N:
Alcolocar deldel semiconductor Pjunto colocarparte parte semiconductorTIPO TIPO Pjuntoaotra otra a parte parte delsemiconductor semiconductorTIPON, TIPO N,debido debidoala laaley leyde dedifusión difusiónlos los electrones delalade zona donde alta zonaN,N, donde hay hay altaconcentración concentraciónde de estos, tienden adirigirse ala que tienden dirigirse a lazona azonaP, P, que apenas apenaslostiene, lostiene, sucediendo lo contrario conlos tratan contrario lo con loshuecos, huecos,queque tratandede dirigirse delade alta lazona zona P, P,donde donde hay hay altaconcentración concentraciónde de huecos, a la laa zona zona N.N.Eso Eso ocasiona ocasionasu encuentro su encuentro y y neutralización en lalazona encontrarse zona en dedeunión. unión.Al Al encontrarse un un electrón conun elelectrón que pasa con unhueco huecodesaparece desaparece electrón el libre, libre, que pasa ocupar ellugar hueco, desaparece lugar el deldel hueco,ypor por y lolotanto tantotambién también desaparece esteúltimo, endicha dedelalaunión último,formándose formándose dicha en zona zona unión una una estructura estable y neutra. Se forma la barrera de potencial.
EL EFECTO FOTOVOLTAICO Seproduce solar (fotones) producealincidir incidir al laradiación radiación la solar (fotones) sobre loslos materiales materialesquedefinimos que definimosalprincipio principio al como semiconductores extrínsecos. Laenergía semiconductores extrínsecos. energía La quereciben provenientes delos recibenestos estos provenientes losfotones, defotones, provoca unmovimiento deelectrones un movimientocaótico caótico de electronesen en el interior del material.
EL EFECTO FOTOVOLTAICO
Al unir unirdos dosregiones regionesdeun un desemiconductor semiconductoralque queartificialmente alartificialmentese había dotado deconcentraciones deelectrones, mediante los los dotado de concentracionesdiferentes diferentes electrones, de mediante elementos quedenominábamos seprovocaba uncampo que denominábamosdopantes, dopantes, provocaba se campo un electrostático constante quereconducía deelectrones. constante que reconducíaelmovimiento movimiento el electrones. de Recordemos queeste formado porla dos este quematerial material formado por launión unióndede doszonas zonasdede concentraciones diferentes deelectrones ladenominábamos unión PN, diferentes electrones de denominábamos la PN, unión pues lacélula endefinitiva unión PN en lacélulasolar solar endefinitivaesesto; esto; es una una unión PN enlalaque quelaparte laparte iluminada será la tipo N y la no iluminada será la t Deesta cuando sobre lacélula incide laradiación, aparec estaforma, forma, cuando sobre la célulasolar solar incide radiación, la aparece enella tensión análoga ala produce laslas bornas ellauna una tensión análoga laque aquesese produceentre entre bornasdeuna de una pila. Mediante la colocación de contactos cada una metálicos dede las una lascaras caras en puede “extraerse” laenergía quese alimentar “extraerse” energía la eléctrica, eléctrica, que seutilizará utilizarápara para alimentar una carga.
LA CÉLULA SOLAR
Una célula solar esun de convertir célula solar esundispositivo dispositivocapaz capaz deconvertirlaenergía energía la proveniente de la radiación solar en energía elé Lagran delas queque actualmente granmayoría mayoría de lascélulas célulassolares solares actualmenteestánestán disponibles comercialmente son de comercialmente de sonSilicio Silicio mono monoo o policristalino. Elprimer seseencuentra generalizado y primer El tipo tipo encuentramás más generalizado y aunque suproceso su procesodeelaboración de elaboraciónesmás más escomplicado, complicado,suele suele presentar mejores resultados en cuanto a su efic
EL EFECTO FOTOVOLTAICO
LA CÉLULA SOLAR CURVACARACTERÍSTICA I-V DE ILUMINACIÓN CARACTERÍSTICA DEI-V ILUMINACIÓN REAL: Lacurva de representa pares de curvaI-VI-V deuna unacélula célulafotovoltaica fotovoltaica representa pares de valores detensión enlos que de tensióneintensidad intensidad e losen quepuede puedeencontrarse encontrarse funcionando la célula.
LA CÉLULA SOLAR
TENSIÓN DE CIRCUITO ABIERTO (V
Es el máximo valor de tensión en extre célula y se da cuando esta no está cone ninguna carga.
CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO (Ic
Definido como el máximo valor de corr circula por una célula fotovoltaica y se la célula está en cortocircuito.
LA CÉLULA SOLAR
PUNTO DE MAXIMA POTENCIA M): "PM
e má Es el producto del valor de tensión M)) e los(Ilos que laque potencia intensidad máxima para la potencia M)) para M entregada a una carga es máxima.
FACTOR DE FORMA (FF):
Se define como el cociente de potencia se puede entregar a una carga entre e tensión de circuito abierto y la intensid cortocircuito.
LA CÉLULA SOLAR EFICIENCIA DE CONVERSIÓN O O DE CONVERSIÓN ENERGÉTICA ENERGÉTICA RENDIMIENTO:
Sedefine elcociente lamáxima definecomo como elcocienteentre entre lamáximapotencia potencia ) yy la eléctrica quese ala que sepuede puedeentregar entregar lacarga acarga(PM)M(P la irradiancia incidente (PL)L) sobre eseselel incidente sobre (P lacélula lacélulaque que producto delalade irradiancia Gpor irradianciaincidente incidente porGelelárea áreadede la célula S:
LA CÉLULA SOLAR
INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LOS PARÁ BÁSICOS DE UNA CÉLULA FOTOVOLTAICA: Al aumentar la temperatura de la célula empeora el la misma:
Aumenta ligeramente la Intensidad de cortocircuito. Disminuye la tensión de circuito abierto, aprox: -2.3 m El Factor de Forma disminuye. El rendimiento decrece.
FABRICACIÓN DE LA CÉLULA SOLAR
Latecnología material debase tecnologíadelSilicio Silicio del como como material base de para lafabricación está está lafabricacióndecélulas células de fotovoltaicas, fotovoltaicas, sujeta aconstantes variaciones, experimentando constantes a variaciones, experimentando diferencias importantes según loslosdistintos importantes según distintos fabricantes. De forma de de forma muy muyresumida, resumida,el proceso proceso el fabricación de una célula policristalina mono seo policr se puede dividir en las siguientes fases:
FABRICACIÓN DE LA CÉLULA SOLAR PRIMERA FASE: OBTENCIÓN DEL SILICIO
A partir partir dedelas las rocas rocas ricas ricasenencuarzo cuarzo (formadas (formadas ,2muy principalmente porSiO enlalanaturaleza) SiO por muy abundantes abundantes naturaleza) en 2, ymediante concarbono, seobtiene medianteelproceso proceso el dereducción reducción de con carbono, obtiene se Silicio con una aproximada del99%, no resulta con unapureza pureza aproximada 99%, delque que no resulta suficiente para usos electrónicos y que para usos electrónicos quese y sesuele sueledenominar denominar Silicio de grado metalúrgico. Laindustria purifica este Silicio por industriadesemiconductores semiconductores de purifica este Silicio por procedimientos químicos, normalmente destilaciones de de químicos, normalmente destilaciones compuestos colorados deSilicio, que laconcentración colorados Silicio, de hasta hasta que laconcentración de impurezas es inferior al 0,2 partes por mill Elmaterial ser llamado grado materialasíobtenido así obtenidosuele suele ser llamadoSilicio Silicio grado semiconductor
FABRICACIÓN DE LA CÉLULA SOLAR
SEGUNDA FASE: CRISTALIZACIÓN
Una vez fundido el Silici se inicia la cristalización partir de una semilla. Di semilla es extraída del silicio fundido, este se v solidificando de forma cristalina, resultando, si tiempo es suficiente, un monocristal.
FABRICACIÓN DE LA CÉLULA SOLAR
TERCERA FASE: OBTENCIÓN DE OBL
El proceso de corte tie importancia en la prod de las láminas obleas a del lingote, ya que sup importante perdida de material (que puede al el 50%). El espesor de obleas resultantes sue orden de 2-4mm
FABRICACIÓN DE LA CÉLULA SOLAR CUARTA FASE: FABRICACIÓN DELA FASE: FABRICACIÓN LA DECÉLULA CÉLULAY Y LOS MÓDULOS
Una vez obtenida susuperficie, vez obtenidalaoblea, oblea, la esnecesario esnecesariomejorar mejorar superficie, su quepresenta y defectos al corte, presentairregularidades irregularidades defectos y debidos debidos corte, al además deretirar puedan de retirardela delamisma mismalosrestos losrestosque que puedanllevar llevar (polvo, virutas), mediante el proceso denom Conlalaoblea seprocede delalamisma oblealimpia, limpia, seprocedealtexturizado texturizado al de misma (siempre para células yaque para célulasmonocristalinas, monocristalinas, quelas yalascélulas células policristalinas no admiten este tipo admiten no este tipode de procesos), procesos), aprovechando laspropiedades cristalinas delSilicio propiedades las cristalinas Silicio del para para obtener unauna superficie superficiequeabsorba que absorbaconmás con máseficiencia eficienciala radiación solar incidente.
FABRICACIÓN DE LA CÉLULA SOLAR
Posteriormente se procede formación de un unión PN mediante deposición de dis materiales (compuestos de para las partes N y compue boro para las partes P, aunq normalmente, las obleas ya dopadas con boro), y su inte en la estructura del silicio cristalino.
FABRICACIÓN DE LA CÉLULA SOLAR
FABRICACIÓN DE LA CÉLULA SOLAR Elsiguiente es la contactos siguientepaso paso eslaformación formacióndelos losde contactosmetálicos metálicos delalacélula porelpor célula, en en,forma formaderejilla derejillaenla enlacara carailuminada iluminada el Sol,y continuo cara Laformación delos ycontinuo enlalaen caraposterior. posterior. formación La los de contactos lacara en serealiza técnicas carailuminada la iluminada realiza se mediante mediante técnicas serigráficas, empleando más reciente mente latecnología empleando más reciente mente la tecnología láserpara de mejor paraobtener obtenercontactos contactos de mejor calidad calidady y rendimiento. Elcontacto delade lacual contactometálico metálico lacara carasobre sobre lacualincide incidela la radiación solar suele tener forma derejilla, solar suele tener forma derejilla,demodo demodoque que permita el paso lalaluz paso el dede luzyyla la extracción extraccióndecorriente corriente de simultáneamente. Laotra está totalmente recubierta otracara La cara está totalmente recubierta de metal.
COLOCACIÓN DE CONTACTOS
FABRICACIÓN DE LA CÉLULA SOLAR
FABRICACIÓN DE LA CÉLULA SOLAR
FABRICACIÓN DE LA CÉLULA SOLAR
Una célula individual normal, concun unos célula individual normal, onuárea náreadede unos 2 75cm escapaz cm y suficientemente suficientemente iluminada iluminada capaz es dede producir una diferencia depotencial una diferencia potencial de de0,4V 0,4V de yuna yuna potencia de 1W. Finalmente, puede procederse a añadir capa puede procederse añadir a una unacapa antirreflexiva sobre lasobre célula, elelfin lacélula,con con finde demejorar mejorar las posibilidades de absorción de la rad Una vez concluidos lacélula, vez concluidoslosprocesos procesos los sobre sobre lacélula,se se procede a su a su sua comprobación, comprobación,previamente previamente su a encapsulado, interconexión y montaje interconexión montaje y en los enlos módulos.
FABRICACIÓN DE LA CÉLULA SOLAR
EFICIENCIA DE LA CÉLULA SOLAR
En cuanto cuanto a la laa eficiencia eficiencia de las las de diferentes diferentes tecnologías fotovoltaicas se pueden fotovoltaicas pueden se indicar indicar ciertos valores aproximados:
Para elcaso Silicio ésta seseésta sitúa elcasodel del Siliciomonocristalino monocristalino sitúa en, aproximadamente entre un 16 y un Enelelpolicristalino esdel policristalino actualmente actualmente deles12-13% 12-13% siendo posible que sese eleve enun posible que eleveacorto corto a plazo plazo enunnivel nivel similar al alcanzado ya para el monocris
TIPOS DE CÉLULAS SOLARES:
Otros posibles materiales para lapara fabricación eseleles posibles materiales lafabricacióndecélulas células de solares solares Silicio amorfo. Esta tecnología permite disponer decélulas amorfo. Esta tecnología permite disponer células de demuy de muy delgadoespesor, lo locual ventajas. espesor, cual presenta presenta grandes grandes ventajas. Adicionalmente su proceso fabricación proceso su de de fabricación es, ales, al menos menos teóricamente, mássimple másbarato. más simpley sustancialmente sustancialmente y barato. más La La eficiencia escomparativamente algomenor en comparativamente es menor algoque que enlos loscasos casos anteriores (6-8%) y todavía nose en (6-8%) todavía y no sedispone disponededatos de datossuficientes suficientes cuanto a su deaplicación sua estabilidad. estabilidad.Suprincipal principal Su campo campo deaplicaciónenlalaen actualidad son los calculadoras y otras son losrelojes, relojes, juguetes, juguetes, calculadoras otrasy aplicaciones de consumo. Dentro delas equivalentes a las delasaplicaciones aplicacionesenergéticas energéticas equivalentes las de adelala tecnología delSilicio suversatilidad esmuy Silicio del cristalino, cristalino, versatilidad su muy esadecuada adecuada para laconfección empleados en laconfeccióndemódulos módulos de semitransparentes semitransparentes emplead algunas instalaciones integradas en edificios.
TIPOS DE CÉLULAS SOLARES: CÉLULAS DE SILICIO AMORFO
Ventajas. Material de partida inagotable. Proceso de fabricación más barato que el del silicio cr material y en energía. La asociación en serie de células se puede realizar de en la fabricación. Desventajas. Inestabilidad (degradación por la exposición a la luz). Disminuye la intensidad de corto. Disminuye el factor de forma. La tensión de vacío permanece prácticamente igual. Con un tratamiento a alta temperatura se pueden rec especificaciones originales de la célula.
TIPOS DE CELULAS SOLARES F
TIPOS DE CELULAS SOLARES F Monocristalina
TIPOS DE CELULAS SOLARES F Monocristalina
TIPOS DE CELULAS SOLARES F Policristalina
TIPOS DE CELULAS SOLARES F Policristalina
TIPOS DE CELULAS SOLARES F Amorfo
TIPOS DE CELULAS SOLARES F
CÉLULAS DE ARSENIURO DE GALIO Semiconductor directo con un GAP muy próximo al de m aprovechamiento del espectro solar. Presenta facilidad para enlazarse con otros materiales d de banda prohibida. Ventajas . . Su eficiencia es elevada (sobre el 25%) La sensibilidad de su eficiencia a la temperatura es ba Aplicaciones más usuales: Usos espaciales. Instalaciones terrestres de concentración. Inconvenientes . . Alto precio. Toxicidad de sus componentes (dificulta su producción La alta velocidad de recombinación superficial (se usan pasivadoras semiconductoras).
TIPOS DE CELULAS SOLARES F CÉLULAS DE TELURO DE CADMIO
Células eficientes y estables (rendimien 10% - 14%. Para su fabricación existen distintas téc coste moderado. Sus características son prácticamente la que las de las células de arseniuro de ga
EL PANEL SOLAR FOTOVOLTAICO
MONOCRISTALINO POLICRISTALINO Caracterización de la célula
Polisilicio
Crecimiento de lingote: - Cz o FZ Corte del lingote en obleas
Crecimiento de láminas - EFG, String ribbon, RGS -
Limpieza de las obleas
Eliminación del daño de corte Texturización - Química, RIE Difusión para la formación de la unión p-n: - Horno de difusión, spray + RTP
Aislamiento del borde - Láser, química, RIE Curado de los contactos traseros y frontales Metalización de los contactos traseros (Al) y frontales (Ag) - Serigrafía Deposición de ARC: - PECVD, Sputtering Eliminación del PSG o unión parásita
Célula Solar
CAPA DELGADA O AMORFO Sustrato: Vidrio, plástico, acero inoxidable, … Limpieza del sustrato
Deposición de capa TCO y contacto metálico (Al): - Sputtering -
Grabado del TCO y contactos: - Láser, Fotolitografía -
Deposición de película absorbente: silicio amorfo- PECVD – o CIS-otras técnicas
Grabado de los contactos de la célula - Láser, Fotolitografía -
Deposición de capa TCO y contacto metálico (Ag) - Sputtering -
Célula/módulo FV de lámina delgada
EFICIENCIA DE LAS CELULAS
EL PANEL FOTOVOLTAICO
Las células son frágiles y generan poc Se precisa agruparlas para obtener su energía y proporcionar robustez.
EL PANEL FOTOVOLTAICO
EL PANEL FOTOVOLTAICO
EL PANEL FOTOVOLTAICO
EL PANEL FOTOVOLTAICO
Un panel esta iguales panelsolar solar estaconstituido constituidoporvarias por variascélulas células iguales conectadas eléctricamente entre si,entre en en eléctricamente si,enserie seriey/oy/o enparalelo, paralelo,de de forma que lalatensión suministrada porelelpanel que tensióny corriente corriente y suministrada por panelsese incrementa hasta ajustarse al valor deseado. Lamayor delos seconstruyen asociando mayorparte parte delospaneles panelessolares solares construyen se asociando primero células enserie conseguir el nivel células en seriehasta hasta conseguir nivel el dedetensión tensión deseado, y luego enparalelo asociaciones serieserie luego y asociando asociando paralelo en varias varias asociaciones de células para alcanzar el nivel de corriente d Además, elpanel concon otros a parte las panel el cuenta cuenta otroselementos elementos parte a dede las células solares, queque hacen laadecuada protección del del solares, hacenposible posible adecuada la protección conjunto frente alos asegurando unarigidez frente los a agentes agentesexternos; externos; asegurando rigidez una suficiente, posibilitando la sujeción posibilitando sujeción la a las lasa estructuras estructurasqueloque lo soportan y permitiendo la conexión eléctrica.
EL PANEL FOTOVOLTAICO
Los módulos de silicio mono y policris encapsulan en cristal (delante) y tedla con marco de aluminio. Los módulos de capa delgada no se su enmarcar.
EL PANEL FOTOVOLTAICO Cubierta exterior de cara al
Es de vidrio que debe facilitar al m transmisión de la radiación solar. Se caracteriza por su resistencia m alta transmisividad y bajo contenid . hierro
EL PANEL FOTOVOLTAICO Encapsulante:
De silicona silicona o omás más frecuentemente frecuentemente EVA EVA (etilen-vinil-acetato). Esespecialmente que no quede en en especialmenteimportante importante que no quedeafectado afectado sutransparencia al sol, transparenciaporlalacontinua por continua exposición exposición sol, al buscándose además uníndice al al además un índicederefracción derefracciónsimilar similar delvidrio para no alterar vidrioprotector protector para no alterarlascondiciones las condicionesdelala de radiación incidente.
EL PANEL FOTOVOLTAICO Protección posterior:
Igualmente debedebe dar darrigidez rigidezy una una y gran gran protección frente a los agentes atmosfé Usualmente seemplean formadas por por emplean se láminas láminas formadas distintas capas dede materiales, capas materiales, de diferentes diferentes de características.
EL PANEL FOTOVOLTAICO Marco metálico.
De Aluminio, asegura suficiente y y Aluminio, queque aseguraunauna suficienterigidez rigidez estanqueidad alconjunto, loselementos conjunto, al incorporando incorporando elementos los de de sujeción a la estructura exterior del panel. Launión el marco y los uniónentre entre elmarcometálico metálico losy elementos elementosqueque forman elmodulo está realizada mediante distintos tipos dede modulo el está realizada mediante distintos tipos sistemas resistentes a las condiciones de traba
EL PANEL FOTOVOLTAICO Cableado y bornas de conexión. Habituales enlas instalaciones protegidos delalade lasen instalacioneseléctricas, eléctricas, protegidos intemperie por medio de cajas estancas.
Diodo de protección.
Su misión proteger sobre-cargas u otras misión es es proteger contra contra sobre-cargas otrasu alteraciones de las condiciones de lasde condicionesde funcionamiento funcionamiento de de panel.
EL PANEL FOTOVOLTAICO
LosPanel tienen entre 2828 yy40 Panelsolares solares tienen entre 40 células, células, aunque lomás esque más lo típico típico esquecuenten cuentencon36. con 36.La La superficie delpanel puede variar entre panel del omodulo modulo o puede variar entre 0,1yy 11m m2 y presenta presenta dosbornas dos bornasdesalida, desalida, positiva y negativa, a veces negativa, y veces a tienen tienenalguna alguna intermedia parapara colocar colocarloslosdiodos diodos dede protección. Normalmente, los paneles están paneles los utilizados, utilizados, están diseñados paratrabajar paratrabajaren combinación en combinación con con baterías de tensiones múltiplo de 12 V
EL PANEL FOTOVOLTAICO
EL PANEL FOTOVOLTAICO
EL PANEL FOTOVOLTAICO Células FV que usan Silicio como sustrato Silicio Monocristalino Silicio Multicristalino Silicio crecido en cinta o similar Células híbridas
Células y módulos de Lámina Delgada Silicio amorfo o amorfo/microcristalino Compuestos del grupo II-VI
Otras Tecnologías
Concentración Compuestos del grupo III-V Materiales orgánicos Nuevos conceptos
PRODUCCIÓN A NIVEL MUNDIA
40,8
37,4
34,6
36,4
32,2
36,2
38,4
43,4 M onocrystalline M u ltic rys ta llin e C d Te a-Si C IG S /C IS Ribbon-/sheetc-Si
42,1
48,2
0, 5 0, 3 12,3
9, 6
0, 2 4, 1
0, 2 4, 3
1999
2000
50,2 51,6
57,2 54,7
52,3
46,5
0, 5 8, 9 0, 3 5, 6 2001
0, 7 6, 4 0, 2 4, 6 2002
1, 1 4, 5 0, 6 4, 4 2003
1, 1
1, 4
2, 7
4, 4 0, 4 3, 3
4, 7 0, 2 2, 9
4, 7 0, 2 2, 6
2004
2005
2006
EL PANEL FOTOVOLTAICO
La característica I-V de un panel será
Características eléctricas del panel F.V. V
La fabricación, comportamiento y car eléctricas y mecánicas del módulo fot vienen determinadas en la hoja de car del producto que proporciona el fabri CATÁLOGO ATERSA
Características eléctricas del panel F.V. V
Potencia máxima opotencia pico del máxima potencia o pico del módulomax(P ).
Sise alpanel, seconecta conectaunacierta unaciertacarga carga panel, al elpunto el puntodede trabajo vendrá determinado porlalacorriente vendrá determinado por corrienteI yy la laI tensión V existentes en el circuito. yV Vcaca que los I cc Estos habrán de ser menores ccy Lapotencia a la potenciaP que que P elelpanel panelentrega entrega lacarga acargaestá está determinada por la ecuación genérica:
P = V. I
Características eléctricas del panel F.V. V Corriente de cortocircuito (I cc),
que sese obtiene losterminales obtienealcortocircuitar cortocircuitar al terminales los delpanel panel del(V=0) (V=0) que alrecibir solar, laintensidad circularía por por alrecibirlaradiación radiación la solar, laintensidadque que circularía el panel es de corriente máxima.
Tensión de circuitoVcaabierto ), (V
queseseobtiene terminales obtienededejar de dejarloslos terminalesdelpanel panel del enencircuito circuito abierto (I=0), entre ellos aparece alrecibir unauna (I=0), entre ellos aparece recibir al laradiación radiación la tensión que será máxima.
Dichos parámetros se obtienen en unas parámetros obtienen se en unas condiciones condiciones estándar demedida la norma medida de deuso deusouniversal universalsegún según lanorma EN61215.
Comportamiento del panel F Laintensidad conla intensidadaumenta aumenta con laradiación, radiación,permaneciendo permaneciendo más o menos elvoltaje. omenos constante constante voltaje. el Esimportante Es importanteconocer conocer este efecto yaque alo efecto yaquelos losvalores valoresdela de laradiación radiacióncambian cambian lo a largo dede todo día todoelel díaen enfunción funcióndelángulo del ángulodelSol delSolcon conelel horizonte, por lo por loque, que, esesimportante importante la adecuada adecuada la delos la posibilidad de de colocación los panelesexistiendo existiendo posibilidad la depaneles cambiar suposición alo tiempo, según la la posición su lolargo alargodel del tiempo,bien bien según hora del día o la estación del año. Unmediodía equivale de1000 mediodíaapleno pleno a solsol equivaleauna unaaradiación radiación 1000 de 22 W/m.. Cuando elcielo cubierto, laradiación apenas cielo el está está cubierto, radiación la penas a alcanza alcanza 2 2 los 100 W/m
Comportamiento del panel F
Laexposición sucalentamiento, lo exposiciónalSol Solde aldelas lascélulas célulasprovoca provoca calentamiento, su lo que lleva aparejados cambios enlalaen producción lleva aparejados cambios produccióndeelectricidad. electricidad. de 22 es capaz Una radiación de1000 es radiación 1000 de W/m W/m capazdecalentar decalentarunacélula una célula unos 30ºC por encima circundante. 30ºC por encimadelade latemperatura temperaturadelaire aire del circundante. Amedida latemperatura, latensión es es medidaqueaumenta queaumenta temperatura, la tensión la generada generada menor, por que lo eses recomendable los paneles que recomendablemontar montar los panelesdetal tal de manera queestén bien aireados y, en elelcaso que usual que estén bien aireados eny, casodede quesea sea usual alcanzar altas temperaturas, plantearse la posibilidad de de altas temperaturas, plantearse posibilidad la instalar paneles con un mayor número de célul Este factor condiciona enormemente eldiseño factor condiciona enormemente diseño eldelos de lossistemas sistemas deconcentración, temperaturas sese alcanzan concentración,yaque quelas yalas temperaturasque que alcanzanson son muyelevadas, estar diseñadas elevadas,porlo por loque quelas lascélulas, células,deben deben estar diseñadas para trabajar enese con trabajar ese enrango rangodetemperatura detemperaturao bien, bien,ocontar contar con sistemas adecuados para la disipación de calor
Comportamiento del panel F
Elnúmero modulo principalmente al númerodecélulas de célulasporpor moduloafecta afecta principalmente voltaje puesto que cada puesto que cadauna unadedeellas ellas produce produce0.4v. 0.4v. (Dependiendo del tipo de celula puede 1´5v.)v.)La Lallegar delmódulo Vcaca del enesa móduloaumenta aumenta esa enproporción. proporción.Unpanel panel Un solar solar fotovoltaico sediseña trabajar auna nominal Vpn diseña se para para trabajar unaatensión tensión nominal pn,,V enlas procurando quelos que losvalores valoresdeVde VPmax lascondiciones condicionesde de Pmax en iluminación y temperatura más frecuentes co pn.. Los parámetros bajo los que lospaneles los bajo queoperan operan los panelesfotovoltaicos, fotovoltaicos, para una determinada localización, hacen que lala característica una determinada localización, hacen que característica de voltaje de dentro un voltaje DCDC de salida salida varíe varíe dentrodede un margen margen considerable a lo todo lo largo largo a dede todoelelaño. año.LaLaradiación radiacióny la la y temperatura ambiente experimentan además otro tipo ambiente experimentan además otro tipode de variación debidos a factores diurnos y estaci
Comportamiento del panel F
Normativa sobre paneles F.V Aumento delalade duración de de duracióndeluso del usoen enbuenas buenascondiciones condiciones los equipos:
Sistemas fotovoltaicos: Normativa de aplicació El aseguramiento y aseguramiento de las las condiciones decondicionesde durabilidad durabilidad de y funcionamiento delos delas loscomponentes componentes de lasinstalaciones de instalacionesFVse se FV rige por unas normas de validez internacional.
Estos criterios seactualizan continuamente amedida criterios actualizan se continuamente medidaa queque sedesarrollan productos y nuevas para desarrollannuevos nuevos productos nuevas y pruebas pruebas para verificarlos.
Ensayos de la IEC-61215:200 IEC-61215:20
Normativa sobre paneles F.V Norma europea EN 61215:
Inspección visual. Medidas en condiciones estándar (1.000 w/m2, 25 ºC AM 1, Ensayo de aislamiento eléctrico. medida de los coeficientes alfa y beta. Medida de la temperatura de operación nominal TONC. Funcionamiento a la TONC Funcionamiento a baja irradianza, Ensayo de exposición en exterior. Ensayo a la resistencia a la formación de "puntos calientes". calientes" Pruebas de resistencia a la radiación ultravioleta (UV). Ensayo de ciclos térmicos 200 ciclos de -40ºC a +85ºC. Prueba de humedad/congelación. Ensayo continuo de calor húmedo (10000 h. a 85ºC y 85% de relativa). Ensayo de resistencia al granizo. Ensayo de carga mécanica. Prueba de robustez de terminales.
Ensayos paneles F.V. Ensayos de diagnóstico
Inspección visual Funcionamiento eléctrico bajo condiciones está Ensayos de aislamiento eléctrico
Ensayos paneles F.V. Ensayos de caracterización
Medida de coeficientes de Temperatura (a,ß,?). Determinación de la Temperatura de Operación de la Célula (TONC, NOCT). Operación a Baja Irradiancia. Exposición en Exterior y resistencia a Puntos Ca
Ensayos paneles F.V. MAXIMUM POWER VS TEM PERATURE
140
Manuf act urer
Measured Point s
High Temperat ure Point s
Least Squares St raight line
Uncert aint y+
Uncert aint yM A N U FA C T U R E R
130
γ
120
Pmp
MEASURED
-0.559W/K
-0.573W/K±0.021W/K
130W
128.5W
110
100
90
80
70 0
20
40
60
80
100
120
Ensayos paneles F.V. Ensayos climáticos
Ensayos de exposición ultravioleta Ciclos térmicos, Calor húmedo, Ciclos de hume (Ensayo de corrosión por niebla salina, para am
Cámara climática
Cámara niebla salina
Ensayos paneles F.V. Ensayos mecánicos
Ensayo de carga mecánica Robustez de terminales Ensayo de impacto de granizo
Carga mecánica
Impacto Granizo
Ensayos paneles F.V. Ensayos de seguridad eléctrica: IEC 61730
No existe como norma UNE todavía Mientras tanto algunos laboratorios han “definido” unos seguridad basados en varias normas internacionales de IEC-61730-1:2004 Apdo. 9 IEC-61730-2:2004 Apdos. 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, UL 1703:2002 Apdo. 30 Conjunto de ensayos Resistencia a alta tensión Continuidad de puesta a tierra Corriente de fugas en mojado Impacto Susceptibilidad al cortado Impulsos de alta tensión Líneas de fuga y distancias de aislamiento
Curvas características del panel F
Curva característica I-V a lo largo del
Curvas características del panel F Interacción con una carga resistiva
Curvas características del panel F Interacción con una batería
Curvas características del panel F
Interacción con un motor de corriente
Curvas características del panel F Agrupación en serie
Curvas características del panel F Agrupación en paralelo
Evolución Tecnologías F.V.
Evolución del rendimiento de las distintas tecnología producción de módulos fotovoltaicos
Evolución Precio/Tecnologías F.V.
Evolución del Coste/precio de las distintas tecnologí producción de módulos fotovoltaicos
Tecnología de Célula
Silicio cristalino Monocristalino Multicristalino Obleas (Si y otros materiales) Cinta de Silicio Si concentración Lámina delgada Silicio amorfo CIS, CIGS
Costes de fabricación de módulos ($/Wp) 2005
2010
2015
Coste/precio
Coste/Precio
Coste/Precio
2,50 / 3,75
2,00 / 2,50
1,40 / 2,20
2,40 / 3,55
1,75 / 2,20
1,20 / 2,00
2,00 / 3,35
1,60 / 2,20
1,00 / 1,70
3,00 / 5,00
1,50 / 2,50
1,00 / 1,70
1,50 / 2,50
1,25 / 2,00
0,90 / 1,60
1,50 / 2,50
1,20 / 2,00
0,80 / 1,33
PRODUCCIÓN MUNDIAL Annual world wide PV cell and module productio n 3000
2536
2500 1818
2000 M
1500
1256
1000 500
202
287
1999
2000
401
750
560
0 2001
2002
2003
Ye ars
2004
2005
2006
PRODUCCIÓN FABRICANTE Top 10 PV cell and module producers worldwide BP So lar
85,64
Solar World Schott Solar Motech Mits ubishi Electric
90 96 102 111
Sanyo
155
Suntech
160
Kyocera
180
Q-Cells
253,1
Sharp
434,7 0
100
200
MW
300
400
500
PRODUCCIÓN FABRICANTE
Apuntes sobre producción de células fotovol
Crecimiento mantenido desde 1999 superior al Superado 1 GW en 2004, superados 2GW en 20 45% aumento en 2005 (1818) respecto a 2004
Por empresas
Sharp continua liderando la producción mundia Q-Cells es el segundo productor 10,0% (9,1%) BP pasa al 10º lugar (7º lugar) Suntech (China) cuarto productor 6,3%, (noven Motech (Taiwan) séptimo 4,0% (décimo (3,3%)
Por áreas geográficas
Impresionante despegue de China 15,1% (2, 4, anteriores)
PREVISIÓN EVOLUCIÓN MODULOS/ TECNOL
PREVISIÓN EVOLUCIÓN MODULOS/ TECNO
ANALISIS DAFO DEL SECTOR
Unanálisis simplista respecto a la análisisDAFO DAFO simplista respecto la Energía aEnergía SolarFotovoltaica darnos un un punto Fotovoltaicapuede puede darnos punto dede partida
Fortalezas: interés ambiental interés ambiental Oportunidades: políticas deretribución ala políticas retribución de laproducción producción a de energía por medios renovables Debilidades: alto precio los componentes alto preciode de los componentes Amenazas: escasez dematerial departida escasez material de partida de (Polisilicio) (Polisilicio) para tecnologías mayoritarias de Si cris
ANALISIS DAFO DEL SECTOR
Alto Alto precio los componentes: Alto DEBILIDAD: preciode de los componentes: Alto coste de la coste d
energía producida Propuestas para una Reducción de costes:
Reducción del (€/Wp) para la producción Reducción del consumo de materiales Materiales más baratos Reducción del consumo de energía para la fabricación Equipos de fabricación más rápidos y eficientes Mejora en la fiabilidad de los productos Capacidad de reciclado Versatilidad de utilización
Mejora de la eficiencia
Nuevas alternativas de células Control y optimización de los procesos Mayor aprovechamiento del espectro solar
ANALISIS DAFO DEL SECTOR
Escasez material de(polisilicio) partida (p AMENAZA: Escasezdel del material de partida
para las tecnologías mayoritarias: No dispo componentes para la instalación (amenaza los últimos tiempos). Propuestas para eliminar dicha amenaza
Aumento de la capacidad de producción de p Nuevas alternativas de obtención de materia Reducción del consumo de materiales Nuevas técnicas para obtención del sustrato Tecnologías de fabricación alternativas
Reflexión en grupo:
Leer los apartado de libro (E.S.F. Enrique Al enumeran a continuación y realizar segudam puesta en común sobre los aspectos que se h considerado mas relevantes:
Calidad de los módulos fotovoltaicos (pags. 41Vida útil de los módulos fotovoltaicos (pag. 43)
EJERCICIO PRÁCTICO
Realizar la medición de la Tensión ) de ca y la Intensidad de corto circuito una (I cc) de célula. Conociendo el factor de Forma (FF = calcular la potencia nominal de la célu cél Dibujar la curva característica I-V,de f aproximada. Calcular el número de células necesar necesa construir un panel de 50 w. y 24 voltio como las dimensiones posibles del pa
FINAL
