GENERADOR FOTOVOLTAICO

GENERADOR FOTOVOLTAICO
Efecto fotovoltaico
Consiste en la conversión de la energía que transportan los fotones de luz, cuando
inciden sobre materiales semiconductores, en energía eléctrica capaz de impulsar los
electrones despedidos a través de un circuito exterior, realizando un trabajo eléctrico útil.
Para que los electrones pasen por este circuito exterior realizando un trabajo útil, es
necesario atraparlos antes de que se vuelvan a recombinar en el semiconductor, para ello se
introducen en el semiconductor elementos químicos (dopantes) que produzcan un exceso de
electrones (semiconductor tipo N) o de huecos (semiconductor tipo P).
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Semiconductor tipo P: Silicio (4 electrones de enlace) dopado con Aluminio (3 electrones
de enlace). Cada átomo de Al se unirá con 3 átomos de Si dejando un hueco. Ver figura
Pag 351
Semiconductor tipo N: Silicio (4 electrones de enlace) dopado con Antimonio (5
electrones de enlace). Cada átomo de Sb se unirá con 4 átomos de Si dejando el electrón
sobrante libre. Ver figura Pag 351
En ambos casos la carga neta del material (cristal) es cero, dado que cada átomo tiene
igual número de protones que de electrones. Tipo P o N hacen referencia a la carga aparente
que queda libre en la red cristalina (material).
Unión P-N
Si se une un semiconductor tipo P con uno tipo N. Algunos electrones de la zona N
pasarán a la P. En la unión la zona P quedará cargada negativamente y la N positivamente,
creándose una barrera de potencial que no dejará pasar indefinidamente los electrones.
En estas condiciones si incide la luz y los fotones comunican energía a los electrones del
semiconductor, algunos de los electrones pueden atravesar la barrera de potencial, siendo
expulsados del semiconductor a través de un circuito exterior: se produce una corriente
eléctrica. Los electrones vuelven al semiconductor después de recorrer el circuito externo por
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la cara opuesta. Ver fig pag 352 La barrera de potencial (región de agotamiento) hace que los
electrones se conduzcan por el circuito exterior antes de que se puedan recombinar, y por
tanto se produce la corriente eléctrica.
El material semiconductor sólo transforma la energía no la almacena. Debido a que no
todas las frecuencias de la luz pueden ser aprovechadas por los materiales semiconductores
para producir el efecto fotovoltaico (dependiendo del material semiconductor la respuesta
espectral será diferente) la eficiencia de una célula fotovoltaica comercial no supera el 17%. Es
decir, la célula sólo será capaz de transformar en energía eléctrica como máximo un 17% de la
energía luminosa (fotones) que le llegue.
Célula fotovoltaica
Formada por una unión P-N de materiales semiconductores. Al ser excitada por la luz es
capaz de producir una corriente eléctrica sobre la carga que tiene conectada. Su
funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico comentado anteriormente.
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Característica I-V de una célula solar o fotovoltaica Ver fig pag 354
Corriente de cortocircuito ISC y Tensión de circuito abierto VOC: La región comprendida
entre ISC y VOC corresponde al funcionamiento de la célula como generador.
IM y VM se corresponden con el punto de máxima potencia (siempre la da el fabricante
medida en condiciones estandares por lo que nunca se alcanzará ya que sólo por
calentamiento la eficiencia de la célula disminuye, además de condiciones meteorológicas, etc)
Debemos trabajar siempre con potencias o tensiones nominales del fabricante, si son máximas
debemos aplicar un factor de corrección por perdidas aprox. 0,9.
Factor de Forma FF=IMVM/ISCVOC, siempre es menor que la unidad, toma valores 0,7-0,8.
La potencia máxima que da una célula puede escribirse como PM=FF*ISC*VOC
Eficiencia (rendimiento) de conversión de la célula: Cociente entre la máxima potencia
eléctrica que puede entregar a la carga y la radiación incidente PL. nu=IMVM/PL=FF*ISC*VOC/PL
Factores que afectan al funcionamiento de la célula
Al aumentar la irradiancia, aumenta la ISC, también aumenta la VOC pero muy
ligeramente. Aumenta por tanto la P máxima y el FF. El rendimiento de la célula es mayor.
Si Temperatura ↑
VOC y FF ↓ con lo que baja tensión de trabajo y P ↓, el
rendimiento es menor. La ISC aumenta ligeramente.
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Tipos de células
Monocristalino, policristalino y amorfo características en Pag 360
Proceso de creación de células de silicio monocristalino.
Método de cristalización Czochralsky, CZ: a partir de sílice (arena) por un proceso de
purificación se obtiene sílice puro, éste se funde con una pequeña porción de Boro a 1400º.
Se introduce en el líquido (silicio fundido) un cristal germen de silicio, al que se van
uniendo lentamente átomos del líquido perfectamente ordenados siguiendo la estructura del
cristal.
Se obtiene un monocristal cilíndrico. Una vez enfriado se corta en obleas de unas 3
décimas de milímetro de grosor.
Se introduce la oblea en hornos especiales en los que se dopa el material por una de las
caras. Creando así la unión P-N.
Proceso antireflectante: se recubre o texturiza la superficie de la célula (pirámides o
pirámides invertidas pag 358) para que los rayos que incidan sobre ella puedan volver a incidir
sobre la misma (para aprovechar mejor la radiación)
Se provee por último a la célula de contactos electrónicos, para que los electrones
encuentren un camino fácil para entrar y salir de la misma. Para ello se deposita una rejilla de
un material muy buen conductor, sin cubrir demasiada superficie de la célula.
El rendimiento de una célula monocristalina de silicio no suele superar el 16%. La célula
al final tendrá la mitad del rendimiento teórico del material, debido a:
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Pérdidas por reflexión.
Fotones que inciden sobre la rejilla metálica y no sobre el semiconductor.
Pérdidas por efecto Joule al circular la corriente a través de la célula (Resistencia de la
rejilla y a su unión con el semiconductor)
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El panel Fotovoltaico
Características físicas: Un módulo fotovoltaico debe estar dotado de los siguientes
elementos:
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Células fotovoltaicas: se unen mediante soldaduras especiales que unen el dorso de una
célula con la cara frontal de la adyacente.
Encapsulado de las células: medio protector y de estabilidad de las células.(vidrio
templado-material organico adecuado, ej acetatto de etilen vinilo-Las células-otra capa de
sustrato orgánico-cubierta posterior, ej láminas de polímeros u otro vidrio)
Recubrimiento posterior: para protección y cerramiento del módulo.
Cubierta transparente: recubre el módulo a la vez que deja pasar la luz.
Enmarcado y sistema de fijación: para la integración del módulo en la estructura o
soporte.
Conexiones eléctricas: Una o dos cajas situadas en la parte posterior del módulo, con los
terminales + y – del mismo. Las cajas deben ser aptas para la intemperie y disponer de
prensaestopas para el cableado de interconexión del módulo.
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Los paneles son cuadrados o rectangulares con áreas desde 0,1 a 2m2 (1 a 1,5m2 los
rectangulares). El grueso total, sin marco, está entre los 3-4cm. Son relativamente ligeros.
Deben cumplir la norma UNE-EN 61215, sienta las exigencias de cualificación, diseño y
homologación de los módulos fotovoltaicos (FV) de silicio cristalino de uso terrestre. La norma
UNE-EN 61646, Módulos fotovoltaicos (FV) de lámina delgada para uso terrestre. Cualificación
del diseño y homologación.
Características eléctricas
Los módulos fotovoltaicos son por lo general de 12 o 24 V en coriente continua y
ofrecen potencias entre 5 y 165 W. Su comportamiento eléctrico deriva de las células que lo
componen, destacaremos las siguientes consideraciones:
Para que el panel funcione debe incidir ración solar sobre él, Los rayos deben ser los
más perpendiculares al mismo posible para que su funcionamiento o rendimiento se óptimo.
Si el panel está en cortocircuito R=0, la corriete que circula por él es máxima y se
denomina corriente de cortocircuito, ISC. ISC varía con la irradiancia recibida de forma directa y
lineal.
Voltaje a circuito abierto, voltaje máximo que da el panel cuando I=0, R ≈∞. Varía de
forma inversa con la temperatura.
Tensión nominal: Hace referencia a la idoneidad el panel para su utilización en sistemas
con esa tensión habitual de trabajo. No tiene nada que ver con la tensión a máxima potencia.
Curva I-V: Un panel produce una determinada corriente eléctrica que fluye a través del
circuito externo que posee una determinada resistencia R. La curva característica I-V de este
circuito intersecta la curva característica del panel, con lo que se fija el voltaje e intensidad de
trabajo del mismo. Cuando el panel está conectado a alguna carga, los valores de V e I (si no es
circuito abierto o cortocirtcuito) dependen de la carga y de las características del panel.
Intensidad y tensión en el punto de máxima potencia: único par de valores IM y VM para
los que la potencia entregada por el panel es máxima. Decimos que un panel trabaja en
condiciones de potencia máxima cuando la resistencia del circuito externo es tal que
determina unos valores de corriente y voltaje (IM y VM) tales que su producto sea máximo.
Normalmente el panel no trabaja en condiciones de potencia máxima.
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Las características eléctricas especificadas por el fabricante se obtienen bajo unas
condiciones determinadas llamadas condiciones estándar de medida (CEM), son:
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Irradiancia incidente: 1000W/m2
Incidencia normal
Espectro radiante (densidad del aire): AM 1,5
Tra de la célula: 25ºC
Tra de operación nominal de la célula, TONC, Tra que alcanza la célula en las siguientes
condiciones (La temperatura de trabajo de la célula aumenta con la irradiancia y la Tra
ambiente):
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Irradiancia incidente: 800W/m2
Incidencia normal
Espectro radiante (densidad del aire): AM 1,5
Tra ambiente: 20ºC
Velocidad del viento: 1m/s
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Si se modifica la irradiancia o la tra ambiente la curva I-V del panel cambia:
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El voltaje disminuye aprox 2,3 mV por cada grado por encima de 25º y por cada
cm2 de área del panel.
La corriente aumenta 15microA por cada grado por encima de 25º y por cada
cm2 de área del panel.
La potencia del panel disminuye aprox un 0,5% por cada grado de temperatura
por encima de los 25ºC.
Podemos suponer que la Tra media de trabajo del panel es 20ºC superior a la Tra
ambiente.
Curva I-V de un panel fotovoltaico variando la irradiancia pag 364
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Interconexionado de módulos
Los paneles se conectarán en serie hasta conseguir el voltaje deseado y en paralelo para
obtener la intensidad deseada. El número de paneles que calculemos necesarios será
redondeado al entero superior.
Como todos los paneles no son iguales (ni siquiera las células que componen un solo
panel), ni en todos, ni en todas sus células, va a incidir la radiación de la misma forma en todo
momento, se van a producir pérdidas:
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Por dispersión ya que todos los generadores no generan la misma potencia (la
suma de las potencias de los módulos es inferior a la potencia entregada)
Por punto caliente, algunas células se convierten en cargas disipando la energía
generada por las demás, elevando la Tra y dañando el panel.
Una forma de reducir las pérdidas por dispersión consiste en clasificar los módulos en
función del valor IM y construir cada rama en serie con módulos de la misma categoría. En el
mercado actual se da por bueno cualquier módulo cuyas características eléctricas no difieren
de los valores nominales en más de un 10%.
Para evitar el punto caliente (sobrecalentamiento indeseado), se conectan diodos de
paso en paralelo con los grupos de células asociadas en serie (Ver fig pag 368)
El problema del punto caliente también puede producirse cuando se asocian en paralelo
elementos con diferencias de tensión. Para evitarlo se instalan diodos de bloqueo en serie con
cada elemento de asociación en paralelo. Ver fig pag 369
Las diferencias de tensión entre los elementos no suelen ser significativas y no se suelen
instalar en generadores inferiores a 120V. Sin embargo estos diodos de bloqueo tienen en
sistemas con acumuladores, la aplicación de evitar que durante la noche se descarguen las
baterías, al ser su tensión mayor que la de los paneles, para ello se intercalan diodos de
bloqueo entre los paneles y la batería.
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Protecciones del generador fotovoltaico
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