Funcionamiento y Tecnologías de Celdas Solares Fotovoltaicas

El Sol como Fuente de Energía

El sol, nuestra principal fuente de energía, irradia sobre la atmósfera terrestre aproximadamente 1353 W/m², medidos sobre una superficie perpendicular a la dirección de propagación. Esta radiación atraviesa la atmósfera, siendo afectada principalmente por tres factores: gases atmosféricos (nitrógeno, oxígeno, ozono, etc.), vapor de agua y polvo.

Radiación directa: es la radiación recibida directamente del sol sin desviaciones en su trayectoria a través de la atmósfera. Radiación difusa: es la radiación solar que sufre cambios en su dirección, principalmente debido a la reflexión y difusión en la atmósfera.

Historia y Fundamentos de las Celdas Solares Fotovoltaicas

Historia y fundamento de las células solares fotovoltaicas: los fenómenos fotoeléctricos fueron descubiertos inicialmente en 1808. Los resultados experimentales mostraron un efecto instantáneo, donde la corriente aparece con la radiación sin retraso apreciable. El número de fotoelectrones emitidos, y por tanto la intensidad de la corriente producida, es proporcional a la radiación recibida.

Principios Físicos de las Celdas Solares

Componentes

• Conductores: poseen electrones de valencia débilmente ligados al núcleo, que se mueven con facilidad dentro de la red cristalina en respuesta a un estímulo externo.
• Semiconductores: sus electrones de valencia están más ligados al núcleo que en los conductores, pero una pequeña cantidad de energía basta para liberarlos y permitirles comportarse como tales.
• Aislantes: presentan una configuración muy estable, difícil de modificar, ya que los electrones de valencia están fuertemente ligados al núcleo y se requiere una gran cantidad de energía para liberarlos.

Rendimiento y Pérdidas

Rendimiento de las células fotovoltaicas: el rendimiento se define como el cociente entre la potencia eléctrica máxima suministrada por una célula fotovoltaica y la potencia incidente sobre su superficie.

• Energía de los fotones incidentes: muchos fotones de la luz solar no poseen energía suficiente para romper los enlaces covalentes y crear pares electrón-hueco.
• Pérdida por recombinación: algunos electrones liberados por los fotones vuelven a ocupar huecos vecinos, disminuyendo la tensión de vacío desde aproximadamente 1,1 V hasta un máximo de 0,6 V en circuito abierto.
• Pérdidas por reflexión: una oblea de silicio sin tratar puede reflejar hasta un 30% de la luz incidente, aunque este valor puede reducirse hasta un 15%.
• Pérdidas por contactos eléctricos: se deben a la resistencia de los contactos que canalizan los electrones hacia el circuito exterior.
• Pérdidas por resistencia serie: causadas por el efecto Joule al circular corriente eléctrica a través del silicio, generando calor (aproximadamente 2-3%).

Tipos y Fabricación de Celdas Solares

Celdas de Silicio Monocristalino

Células de silicio monocristalino: las más utilizadas actualmente, debido en gran parte a la madurez de la industria del silicio, base de transistores, circuitos integrados y otros componentes electrónicos.

Parámetros de una Célula Solar

Parámetro de una célula solar: la curva intensidad-tensión (I-V) define el comportamiento de una célula fotovoltaica.

• Medidas típicas:
  • Intensidad de cortocircuito: se produce a tensión cero y se mide con un amperímetro a la salida de la célula solar. Para células de 100 mm de diámetro.
  • Tensión de circuito abierto: tensión máxima que puede proporcionar una célula sin carga conectada.
  • Pico de potencia: potencia eléctrica máxima que puede suministrar una célula.

Proceso de Fabricación

Proceso de fabricación de las células fotovoltaicas monocristalinas: se divide en dos pasos: elaboración y purificación del silicio, y la fabricación de la célula propiamente dicha.

Módulos Fotovoltaicos

Módulo fotovoltaico: salvo en raras excepciones, las células se agrupan en módulos o paneles fotovoltaicos, que son conjuntos de células conectadas para optimizar su integración en sistemas de generación de energía. Normalmente, se encuentran paneles de 6, 12, 24 y 48 voltios.

Acumuladores

Conceptos Generales

Acumuladores: Conceptos generales: un acumulador es un dispositivo que transforma energía potencial química en energía eléctrica. Se compone esencialmente de dos electrodos sumergidos en un electrolito, donde se producen reacciones químicas durante la carga y descarga.