Fundamentos

 

Fundamentos de la Energía Solar

Radiación solar

El Sol emite energía en forma de ondas electromagnéticas de distintas frecuencias, fundamentalmente en los rangos de la luz visible, ultravioletas e infrarrojos. Una pequeña fracción de esta energía es interceptada por la Tierra. La cantidad de energía que recibe nuestro planeta – antes de llegar a la atmósfera - por unidad de superficie se denomina constante solar y su valor es aproximadamente igual a 1367 W/m2, cuando es medida perpendicular a los rayos solares.

Una parte importante de la radiación que incide sobre la atmósfera es absorbida por el vapor de agua, el anhídrido carbónico el oxígeno y el ozono presente, reduciendo la intensidad a medida que va atravesando la misma. Al nivel del mar la radiación solar es aproximadamente igual a 1.000 W/m2 cuando es medida perpendicular a los rayos solares. Este es el valor estándar que se utiliza como base para expresar las características eléctricas de los generadores solares y para el dimensionamiento de los sistemas.

Celdas fotovoltaicas

Las celdas fotovoltaicas son los dispositivos donde la radiación solar es convertida en energía eléctrica y el efecto fotovoltaico es el proceso que produce tal transformación.

La mayoría de las celdas fotovoltaicas de aplicación comercial son fabricadas con obleas semiconductoras muy delgadas (menos de 200 micrones de espesor) de silicio puro, mono o policristalino. En la industria solar también se emplean otros semiconductores para lograr esta conversión tales como silicio amorfo, Teleruro de Cadmio (CdTe), Seleniuro de Cobre, Indio y Galio (CIGS) entre otros.

Aquí nos referiremos solamente a las celdas de silicio mono o policristalino que son las utilizadas por SOLARTEC S.A. para fabricar sus módulos fotovoltaicos.

Un cristal de silicio está formado por átomos de silicio dispuestos en forma ordenada de modo tal que cada átomo esté vinculado con otros cuatro átomos vecinos compartiendo pares de electrones (enlaces covalentes). En este estado los átomos se encuentran en un estado mínimo de energía denominada banda de valencia.

La interacción de la radiación solar con los átomos de silicio de la celda fotovoltaica se la puede considerar como la interacción de partículas, denominadas fotones, con los electrones de silicio. La energía de cada fotón depende de la longitud de onda del espectro solar al que correspondan.



Cuando un fotón impacta con uno de los electrones de la estructura del cristal de silicio le transmite su energía, lo libera del enlace covalente. Este nuevo estado de energía en el cual se encuentran los electrones liberados se denominada banda de conducción. La diferencia entre la banda de valencia y la banda de conducción (Gap) depende del semiconductor con el cual está fabricada la celda. Para el Silicio es de 1.12 eV.

En este estado de energía el electrón se mueve libremente dentro del cristal. Si no hubiera un campo eléctrico y dentro de la celda que organice el movimiento de todos los electrones liberados en una misma dirección, la corriente eléctrica generada sería nula.

Para lograr este campo eléctrico a la parte superior de la celda se le incorpora átomos de Fósforo y a la parte inferior se le incorpora átomos de Boro. La zona de unión entre la parte superior y la inferior se denomina Juntura y es paralela a las caras de la celda.

En la juntura se genera una diferencia de potencial aproximadamente igual a 0.7 Volts, suficiente para lograr el efecto fotovoltaico.

La cara superior de la celda presenta una grilla conductora (borne negativo) que permite el paso de la radiación solar hacia el interior y la cara inferior está totalmente cubierta por una superficie conductora.

Si se conecta una celda fotovoltaica a un consumo (por ejemplo una lámpara) el funcionamiento sería el siguiente:

  • Los electrones liberados dentro de la celda alcanzan la grilla gracias al campo eléctrico de la juntura y abandonan la celda en dirección al consumo.
  • Los electrones entregan la energía ganada de los fotones absorbidos alimentando el consumo (manteniendo encendida la lámpara)
  • Los electrones regresan a la celda e ingresan a la misma por su cara inferior.
  • Los electrones que ingresan a la celda son absorbidos nuevamente por la estructura cristalina ocupando los lugares dejados por otros electrones liberados.

No toda la radiación que incide sobre una celda fotovoltaica es transformada en energía eléctrica por distintos motivos:

  • Parte de la radiación incidente es reflejada nuevamente al espacio.
  • Algunos fotones no tienen energía suficiente para romper las ligaduras electrónicas y producir el efecto.
  • No toda la energía de los fotones es utilizada para producir el efecto, solo una cantidad que depende del semiconductor.

La diferencia entre la energía de la radiación solar y la energía realmente utilizada por la celda en el efecto fotovoltaico se refleja o se transforma en calor dentro de la celda.

En la actualidad las celdas de silicio presentan un porcentaje de energía solar transformada en energía eléctrica inferior al 20 por ciento.

Para una celda fotovoltaica, la corriente nominal que entrega es proporcional a la superficie de la celda y a la insolación y su tensión nominal depende del campo eléctrico de la juntura y de su temperatura de funcionamiento.

Para una celda de silicio cuadrada de 156 mm de lado la corriente nominal generada es aproximadamente igual a 8 A y la tensión nominal aproximadamente igual a 0.48 V para las condiciones estándar de insolación de 1000 W/m2 y temperatura de operación de 25 ºC.

Módulos fotovoltaicos

Una celda fotovoltaica es un elemento frágil que no puede exponerse directamente a las condiciones atmosféricas. Por otra parte, su voltaje es insuficiente para la mayoría de las aplicaciones prácticas.

El elemento básico de un generador eléctrico solar es el módulo fotovoltaico, el cual se forma conectando celdas individuales en serie (la cara positiva de una celda con la cara negativa de la siguiente y así sucesivamente).

Un módulo formado por 36 celdas en serie entregará una corriente nominal igual a la correspondiente a cada una de las celdas individuales (aproximadamente 8 A) y una tensión nominal igual al producto de 36 celdas x 0.48 V = 17.3 V.

Este módulo entregará una potencia máxima de aproximadamente 138 vatios que resulta del producto de 8 A x 17.3 V. Esta es la llamada Potencia Nominal o Potencia Pico para las condiciones estándar de radiación solar de 1000 W/m2 y temperatura de operación de 25 ºC.

Para que el módulo pueda soportar condiciones ambientales extremas se lo somete a un proceso de laminación en el cual las celdas son encapsuladas con un material termoplástico, entre un frente de vidrio que forma la cara del módulo que mira al sol y una lámina plástica compuesta que forma la cara posterior. A este laminado se le coloca un marco de aluminio anodizado y los terminales eléctricos (positivo y negativo) del conjunto de celdas se conectan a una caja de conexiones estanca pegada a la cara posterior.

Curvas y valores característicos

El comportamiento eléctrico de un módulo fotovoltaico, se expresa por medio de su curva característica que es la representación de los valores de intensidad de corriente (medida en A) que genera en función de la tensión (medida en V) a la que puede estar operando.

Un determinado modelo de módulo se define por los siguientes valores característicos:

  • MP Máxima Potencia (Potencia Pico).
  • IMP Corriente en el punto de Máxima Potencia.
  • VMP Voltaje en el punto de Máxima Potencia.
  • ISC Corriente en cortocircuito.
  • VCC Voltaje en circuito abierto).

Por ejemplo, para el módulo SOLARTEC KS 65T (ver la lista de los módulos en la página respectivas de PRODUCTOS ) estos valores son los siguientes:

  • PP 65 W
  • IMP 3.75 A
  • VMP 17.40 V
  • ISC 4.08 A
  • VCC 21.70 V

Los gráficos siguientes muestran la relación directa que tienen esas curvas con el valor de la radiación solar incidente y con la temperatura de operación.