Sistemas Fotovoltaicos y su Funcionamiento

Sistemas Fotovoltaicos

• Los sistemas fotovoltaicos actuales emplean materiales semiconductores, principalmente silicio, para convertir la luz solar en energía eléctrica.
• Los materiales conductores permiten un fácil desplazamiento de electrones, mientras que los aislantes no.
• Los semiconductores permiten la circulación de electrones al aplicarles energía.
• El 90% de las celdas solares son de silicio.
• La eficiencia de una célula solar en laboratorio puede alcanzar el 25%, mientras que en dispositivos comerciales es alrededor del 20%.
• Las pérdidas en una célula solar incluyen reflexión, sombreado, absorción inadecuada, y recombinación.

Funcionamiento de una célula solar de silicio convencional

• Los fotones de la luz solar transfieren su energía a los electrones en el material semiconductor, liberándolos para circular.
• Los electrones se dirigen al exterior del dispositivo mediante un campo eléctrico creado por la unión PN.
• La unión PN se crea dopando el silicio con fósforo (semiconductor tipo N) y boro (semiconductor tipo P).
• La diferencia de concentración de electrones y huecos genera un campo eléctrico.

La célula solar fotovoltaica

• La extracción de corriente se realiza a través de dos contactos metálicos, uno frontal y otro en la parte inferior de la célula.
• Se emplea material anti-reflectante en la parte frontal para optimizar la absorción de la luz solar.
• Eficiencia (laboratorio) 25%; (comercial) 20%.

Tipos de células fotovoltaicas

• Se clasifican en función de la estructura atómica del semiconductor utilizado.
• Estructuras cristalinas: silicio monocristalino (m-Si), silicio policristalino (p-Si).
• Estructuras amorfas: silicio amorfo (a-Si), telururo de cadmio (CdTe), seleniuro de cobre-indio (CIS), seleniuro de cobre-indio-galio (CIGS).
• Otros materiales semiconductores.

Células de Silicio monocristalino vs policristalino

• Las células de silicio monocristalino se fabrican con lingotes de silicio puro con eficiencias entorno al 20% para uso comercial y cerca del 25% en laboratorio.
• Las células de silicio policristalino están fabricadas con silicio monocristalino refundido. Su eficiencia es de menos del 18% para uso comercial y del 21% en laboratorio.
• Las células policristalinas, con un precio más bajo, son competitivas en el mercado.

Ecuación y curva característica de la célula solar

• La ecuación define la relación entre corriente y tensión en la célula solar.
• Corriente fotogenerada (IL) es proporcional a la irradiancia.
• La ecuación completa considera la resistencia serie (Rs) y paralelo (Rp).

Condiciones Estándares de Medida (STC)

• Irradiancia: 1000 W/m²; espectro AM 1.5G
• Temperatura: 25°C; incidencia normal
• Los fabricantes especifican la potencia pico (Wp), corriente de cortocircuito (Isc), y tensión de circuito abierto (Voc).

Condiciones Nominales de Operación (TONC de NOCT)

• 800 W/m²; espectro AM 1.5G;
• temperatura ambiente de 20°C; velocidad del viento de 1 m/s;
• ayuda a la predicción de la temperatura de operación

Módulo y generador fotovoltaico

• Los paneles están compuestos por varias células solares conectadas.
• La corriente total del módulo es el producto de la corriente de una célula multiplicada por el número de células en paralelo.
• La tensión total del módulo es el producto de la tensión de una célula multiplicada por el número de células en series.

Interconexión de células y módulos, sombreados parciales

• La dispersión de las características de las células y los sombreados parciales provocan pérdidas.
• El sombreado de una célula reduce su corriente (I).
• La conexión en serie agrega voltajes.
• La protección contra puntos calientes en la célula implica el uso de diodos de paso.

Inversores fotovoltaicos

• Los inversores transforman la corriente continua (CC) generada por las células solares a corriente alterna (CA).
• Hay diferentes tipos de inversores: monofásicos, trifásicos etc.
• La eficiencia de los inversores es alta, superior al 97% aprox.
• El tiempo de duración aproximado de este equipo es de más de 20 años.
• Los sistemas con un inversor por cada modulo permite seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) ante sombreados.

Sistemas Fotovoltaicos conectados a red

• Sistemas descentralizados (tejados, escuelas, etc.) tienen bajas potencias (<100kW).
• Sistemas centralizados (grandes zonas) usan mucha potencia (varios MW)
• Las configuraciones de los sistemas son diferentes según dónde se instalen.

Sistemas fotovoltaicos

• Los sistemas aislados o autónomos no conectan a la red eléctrica.
• Los sistemas conectados a la red eléctrica, sí conectan a la red.
• Sistemas centralizados suelen usarse en grandes zonas.
• Los sistemas descentralizados se emplean en tejados y otras estructuras.
• Los módulos, junto con el inversor, son la base de estos sistemas.

Componentes de un sistema fotovoltaico

• Generador fotovoltaico.
• Inversor fotovoltaico.
• Contador de energía.
• Protecciones (diferencial, magnetotérmica).