Capítulo 7 1 Capítulo 7 Conversión directa: Se denomina

67.23/37 – UBA – Ing. O. Jaimovich
Capítulo 7
Conversión directa:
Se denomina genéricamente conversión directa al proceso que partiendo del vector
solar directo obtiene en una sola transformación, energía utilizable en una de sus formas
que es la energía eléctrica.
En este caso se utiliza la capacidad de la radiación solar
en sus distintos espectros (excepto el térmico) para activar la diferencia de potencial que
aparece en la “juntura” entre dos aleaciones de silicio.
Si bien la explicación del fenómeno excede los alcances del presente, basta con señalar
que por su estructura cristalina, el silicio admite inclusiones de ciertos átomos de valencias
distintas, que al ocupar los lugares correspondientes en la red, confieren carácter positivo a
la misma (silicio “tipo P”) en el caso de menor número de electrones en la última capa; o
bien carácter negativo (silicio “tipo N”) en el caso en que el número de electrones sea
mayor.
Dicho carácter, positivo o negativo, es sin desmedro de que en realidad, la estructura
sigue tan neutra eléctricamente como antes de la aleación.
Cuando se juntan dos piezas de silicio, de tipo P y de tipo N, en la interfase o juntura
aparece una diferencia de potencial, la cual es responsable del carácter de “semiconductor” que adquiere el conjunto así formado, porque gracias a esa barrera de
potencial, presentará corrientes distintas en cada sentido, para una misma diferencia de
potencial aplicada.
En la figura 12 se puede apreciar un esquema de un dispositivo de tipo común:
SILICIO TIPO “P”
SILICIO TIPO “N”
SOLDADURAS
CONEXIONES
Figura 12
En la figura se aprecia una celda fotovoltaica en corte; a partir de una fina rodaja de un
monocristal (silicio tipo N), se la recubre con una micro capa de pocos átomos de espesor,
de silicio tipo P.
De esa manera se obtiene una juntura que a la vez, es transparente a la radiación
incidente, que en este caso cubrirá la totalidad del monocristal N.
Si luego se erosiona dicha capa en el centro de una de las caras y se sueldan un par
de conexiones según el esquema, se tendrá completo el elemento.
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Bastará entonces someter al conjunto a la luz, solar o de cualquier otra fuente, para
que aparezca entre ambas conexiones una diferencia de potencial de unos pocos milivolts,
que sostener una corriente en un circuito de carga externo.
Una muestra de cómo se disponen las conexiones, teniendo en cuenta la baja
conductibilidad eléctrica del silicio se ve en la figura 13, donde se puede apreciar los
“colectores” que se estañan a la superficie para disminuir la resistencia que debe vencer la
corriente y mejorar por lo tanto el rendimiento:
CONEXIONES
Figura 13
La traza de las conexiones internas, en forma de nervaduras secundarias convergiendo a
una colectora central confeccionadas en aleaciones de alta conductibilidad depositadas
sobre la superficie de la oblea mejoró sensiblemente el rendimiento de las celdas
modernas.
Este tipo de celdas fotovoltaicas “monojuntura” tiene una limitación importante en el costo
de producción, el cual no ha podido ser rebajado con el tiempo en la proporción esperada
al principio de su fabricación (Laboratorios de la empresa Bell, en el año 1954). Como la
mayoría de los conversores orientados a las fuentes renovables, esta tecnología tuvo un
amplio desarrollo durante la crisis petrolera de la década del 70.
Una forma de abaratar los costos, para aplicaciones de muy baja potencia, es
recurrir a compuestos amorfos en vez de monocristalinos, con lo cual, si bien el rendimiento
es menor aún, los costos las hacen competitivas, como es el caso de los dispositivos que
alimentan relojes, calculadoras y pequeños receptores portátiles.
El rendimiento de las celdas FV se mantuvo entre el 14 y el 17%, correspondiendo
los mayores valores a los dispositivos en base a monocristales, de mayor costo.
Considerando que para una celda en particular, es decir, de un determinado par de
compuestos, la emisión electrónica que sostiene la corriente en el circuito externo se debe
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a fotones con energías por encima de un determinado valor, que es función de la
constitución de la celda, por lo que fotones de energías inferiores no tendrán efecto alguno.
Una forma de evitar esa limitación es disponer junturas en cascada, es decir,
disponiendo celdas de distintos pares de compuestos en forma de “cascada”, tal como se
indica en el esquema de la figura 14:
LUZ SOLAR
Celda 1
Celda 2
Celda 3
Figura 14
En este caso, la celda 1 absorbe los fotones de energía mayor y deja pasar el resto; la
celda 2 absorbe a su vez fotones de energía intermedia dejando pasar los fotones de
menor energía. Estos son captados por la celda 3.
Con este criterio se han obtenido rendimientos del orden del 35% en base a luz solar
concentrada, lo cual significa una mejora superior al 100% respecto de los valores
originales con celdas simples de monocristal de silicio.
Los materiales actualmente en uso son arseniuro de Galio, silicio amorfo y el
disileniuro de Indio con Cobre.
Utilización de las celdas FV:
Las distintas posibilidades de utilización de estos conversores directos pueden
sintetizarse en los siguientes casos:
‰ Sistemas aeroespaciales.
‰ Sistemas de flotación de baterías en embarcaciones deportivas.
‰ Sistemas de alimentación de equipos remotos.
‰ Sistemas de alimentación de cargas domésticas.
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Los sistemas aeroespaciales tienen requerimientos muy particulares, tanto en cuanto al tipo
y régimen de carga, como a los detalles constructivos, por lo que no pueden describirse
genéricamente excepto por la característica de no poseer prácticamente en ningún caso,
de fuente alternativa.
Los sistemas de flotación en carga para baterías de 12V en embarcaciones livianas
se asemejan a los sistemas de alimentación de cargas domésticas en cuanto a que
comparten los siguientes aspectos:
‰
‰
Disponen de fuente alternativa (generadores de el o los motores de
propulsión)
Cargan a través de un regulador de voltaje.
En general, su capacidad es pequeña, y solamente se utilizan para mantenimiento de las
baterías entre períodos de utilización de la embarcación. De esta manera, no es necesaria
una elevada corriente de carga; con unos pocos miliamperes es suficiente para recuperar la
carga de las baterías cuando el lapso es igual o mayor a una semana.
En cuanto a los sistemas para cargas domiciliarias pueden a su vez, diferenciarse en
dos tipos:
‰
‰
Domicilios sin suministro de red.
Domicilios con conexión de suministro de red.
En el primer caso, como los establecimientos rurales aislados o viviendas vacacionales, el
esquema de alimentación más utilizado se muestra en la figura 15.
En estos casos, la fuente auxiliar es un moto generador de tipo compacto, con motor
de gasolina de 2 tiempos, por su bajo costo y rapidez de puesta en marcha.
En general, los sistemas simples no cuentan con tablero de transferencia automática
porque el moto generador no dispone de arranque automático a efectos de reducir costos,
quedando la operación a cargo del usuario, con un mínimo instrumental de señalización y
comando. Las cargas son generalmente de corriente continua.
MOTOGENERADOR
CELDAS FV
REGULADOR
DE
CARGA
CARGA
BATERÍAS
Fig. 15
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En el otro caso, se trata de equipos diseñados como apoyo para sistemas de emergencia.
Generalmente cuentan con tableros de transferencia automática, contando los moto
generadores con sistema de arranque propio. En esos casos, la carga está constituida por
artefactos de corriente alterna.
El esquema de un sistema completo mixto se puede ver en la figura 16:
MOTOGENERADOR
RECTIFICADOR
CELDAS FV
REGULADOR
DE
CARGA
ALIMENTACIÓN
DE LÍNEA
110/220 V - C. A.
BATERÍAS
TRANSFERENCIA
AUTOMÁTICA
TABLERO
INVERSOR
DE
CORRIENTE
CARGA
Figura 16
En estos casos, la escala de las cargas es mayor, por lo que los moto generadores
proporcionan directamente la tensión de consumo (110/220 V – C. A. ).
Estas son entonces las aplicaciones más significativas, desde el punto de vista de las
escalas de utilización, del vector radiación solar directa en baja temperatura, es decir, sin
concentrar.
Solamente queda por citar el uso de este vector para los equipos de desalinización
del agua de mar, cuyo esquema de funcionamiento se puede ver en la figura 17:
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VIDRIO
ENTRADA
AGUA DE
MAR
SALIDA
AGUA
DULCE
EVAPORACIÓN
Figura 17
La sencillez del equipo no merece mayores aclaraciones; solamente en cuanto a que su
caudal de producción obviamente es función directa del grado de insolación del lugar, por
lo que su uso está ampliamente difundido entre ambos trópicos.
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