La energía solar fotovoltaica de alta concentración HCPV

Los principios de la concentración solar, además de para las más conocidas aplicaciones térmicas de generación de electricidad, es también utilizada en la energía solar fotovoltaica.

Es lo que se ha venido a llamar energía solar fotovoltaica de alta concentración o por sus siglas en inglés HCPV o simplemente CPV (de Hight Concentrated PhotoVoltaic). Desde hace más de 20 años varias compañías empezaron a investigar en esta posibilidad con el objetivo de superar uno de los escollos que más ha limitado el desarrollo de la electricidad fotovoltaica; los elevados costos de los materiales fotovoltaicos. A día de hoy, la fotovoltaica de concentración es ya una tecnología disponible para la producción de electricidad y se presenta como una alternativa más a la generación de electricidad limpia.

panel HCPV

El concepto de la HCPV ¿Cómo funciona la HCPV?

Toda la tecnología solar fotovoltaica, para transformar la luz solar en electricidad, se basa en materiales semiconductores que resultan relativamente caros debido a sus costosos sistemas de fabricación (aunque en los últimos años ha visto una bajada espectacular de costos). Así, para obtener volúmenes importantes de electricidad, es necesario disponer de amplias superficies de paneles fotovoltaicos, lo que en la concepción convencional de la fotovoltaica se traduce en el empleo de mucho material fotovoltaico, resultando caro.

La tecnología de concentración fotovoltaica o HCPV plantea una ingeniosa estrategia para encarar este problema y reducir el precio de la electricidad fotovoltaica. Así, en vez de disponer el caro material fotovoltaico en toda la superficie del panel, busca concentrar la luz solar que recibe el panel, a través de elementos económicos como espejos y lentes, en uno o varios espacios reducidos dentro del panel, que serán en los que se disponga el material fotovoltaico. Con ello se consigue emplear una mucho menor cantidad de material fotovoltaico y reducir los costes de forma importante. El material fotovoltaico transforma parte de la energía contenida en los fotones de la luz solar en impulsos eléctricos.

panel sin concentracion

Esquema captación solar de un panel solar fotovoltaico sin concentración. El material fotovoltaico abarca toda la superficie del panel

panel con concentracion

Esquema captación solar de un panel solar fotovoltaico con concentración. El material fotovoltaico abarca sólo una superficie reducida del panel.

Al requerirse una mucho menor superficie de material fotovoltaico, se hace posible emplear tecnología fotovoltaica más eficiente en la conversión de luz a electricidad, Esta, aunque sea más cara, al ser muy poca cantidad la necesitada compensará sobradamente su precio más elevado. De esta forma se obtienen paneles solares con células fotovoltaicas que tienen un rendimiento de entorno entre el 39 % y el 41% frente al rendimiento de las células fotovoltaicas convencionales de silicio que se sitúa entorno al 13% y el 19%.

En resumen, esta tecnología busca, mediante el empleo de una mucha menor cantidad de células fotovoltaicas muy eficaces, reducir los costos y a la vez mejorar el rendimiento

Componentes de una instalación HCPV

Los sistemas de alta concentración fotovoltaica cuentan con los siguientes elementos:

Concentradores de la radiación solar– Puede tratarse o bien de espejos concéntricos o bien de lentes con efecto lupa que concentran la luz solar que incide sobre ellos hacia la célula fotovoltaica. Los factores de concentración que pueden alcanzar estos elementos van desde las 500 unidades, 1000 o incluso hasta las 2.000

Célula fotovoltaica– Situada en el eje focal de los reflectantes o en el punto de concentración de las lentes. Es el elemento encargado de transformar la luz solar en electricidad. Para esta tecnología la célula fotovoltaica está compuesta de dos o tres capas de diferentes materiales ( por ejemplo GaInP/GaInAs/Ge) optimizados cada uno de ellos para transformar en electricidad una parte del espectro electromagnético de la luz solar. El resultado es que la conjunción de las tres capas realiza un aprovechamiento más efectivo de la energía solar, traduciéndose en un mayor porcentaje de conversión solar.

Esquema celula fotovoltaica triple

Esquema celula solar fotovoltaica de triple capa- Cada uno de los materiales aprovecha una parte del espectro electromagnético del sol (representado simbólicamente aqui como un arcoiris). El resultado final es la suma de la eficiencia de cada una de las capas por separado.

Dispersor del calor– La alta concentración de la radiación solar produce unas muy elevadas temperaturas. Aunque la tecnología de células solares de los sistemas de concentración no sufre la elevada degradación en su rendimiento de las de silicio de la fotovoltaica convencional con las temperaturas altas, también resulta necesario evacuar el exceso de calor. Para ello se acoplan a la célula fotovoltaica láminas de cobre y aluminio que disipan el exceso de calor.

Sistema de seguimiento solar– Esta tecnología, para poder concentrar ópticamente la radiación solar, requiere que el panel se mantenga en perpendicular al sol en todo momento. Por eso, los paneles con esta tecnología requieren sistemas de seguimiento solar de dos ejes que realicen un seguimiento constante del sol en su movimiento por el cielo. Estos sistemas suelen contar con dos ejes de movimiento, uno para seguir el sol en un desplazamiento aparente de este a oeste y otro para hacerlo en altura. No obstante existe algún ejemplo cuyo sistema de seguimiento sólo cuenta con un eje vertical, como se verá más adelante.

Inversores– En muchos casos van integrados en el propio sistema de seguimiento. Se trata de un equipo común a todos los sistemas fotovoltaicos y es el encargado de transformar la corriente continua producida en los paneles, en alterna adecuada para su transporte y distribución.




Tipos de paneles según la tecnología empleada de concentración en el panel.

Según la tecnología empleada por los diversos fabricantes en la concentración de la luz solar, hemos clasificado los tipos de paneles HCPV que existen en el mercado en los siguientes tipos:

Paneles con lentes– Esta técnicas de concentración de la luz solar se realiza a través de una lente que mediante el efecto lupa concentra la luz solar sobre la célula fotovoltaica.

lupa solar

 Así, el panel solar toma una forma similar al de un colector solar térmico grueso y se divide en compartimentos cada uno con su célula fotovoltaica. Sobre ellos se dispone una gran lente compuesta por pequeñas lupas, cada una de las cuales concentra la luz para cada una de las células fotovoltaicas de los compartimentos del interior.

sistemas HCPV concentracion con lupa

Paneles colmena de espejos concéntricos– En este caso, el panel está compuesto por muchos pequeños espejos parabólicos cada uno de ellos con una célula fotovoltaica en su foco. El concepto es parecido al caso anterior, solo que la tecnología de concentrar la luz en este caso es por reflexión.

cilindroparabolica HCPV

Celula fotovoltaica miniparabólica. Credito: © Solfocus

panel miniparabolica HCPV

Panel fotovoltaico HCPV compuesto por espejos concéntricos. Credito: © Solfocus

Parabólicas– En este caso se trata de grandes platos parabólicos que concentran la luz solar en un foco en el cual se sitúan las células fotovoltaicas.

plato parabolico concentracion

Panel fotovoltaico HCPV de plato parabólico, Credito: © Renovalia

Cilindroparabólico Hibrido– En el Solardecahtlon Madrid 2010, una de las viviendas concurrió al concurso con un sistema solar que contaba con tecnología de concentración parabólica. Este sistema estaba además hibridado con energía solar térmica.

Los reflectantes tenían la forma cilindroparabólica y en el eje lineal del mismo se disponían las células fotovoltaicas. La hibridación consistía en adosar a la linea focal con las células fotovoltaicas, un tubo de por el que circulaba agua el cual cumplía la doble función de refrigerar las celdas fotovoltaicas y a la vez obtener agua caliente. El decir que el sistema era capaz de proporcionar electricidad y agua caliente a la vez. Este captador de energía solar sólo tenía la capacidad de moverse hacia arriba y hacia abajo para seguir la altura del sol a lo largo del día.

Representa este sin lugar a dudas un magnífico ejemplo de aplicación de esta tecnología a nivel doméstico.

navepomo

Vivienda Napevomo? Solar Decatlon

detalle HCPV napevomo

Colector solar cilindroparabólico de concentración de Napevomo?

Fotovoltaica convencional vs fotovoltaica concentrada

La tecnología HCPV, para poder ser usada con éxito, requiere de un clima con abundante radiación solar directa, es decir con poca presencia de nubes a lo largo del año. Según datos de algunos fabricantes, a partir de índices de radiación anual de aproximadamente 1500 Kwh/m2/año, resulta más interesante la tecnología fotovoltaica de concentración que la convencional (porque se entiende que para alcanzar ese nivel, se requerirá un número suficiente de horas de radiación solar directa). Las zonas del planeta óptimas para ello serán los desiertos tropicales, como el Sahara, Oriente Medio, el Calahari, el de Arabia, Australia, el de Atacama o el de Sonora. Fuera de estos emplazamientos óptimos, también resultan adecuadas otras zonas como California, el sur de Europa, el norte y sur de África y en general las zonas intertropicales a excepción de las áreas selváticas ecuatoriales. Segun este principio, en el resto del mundo, la tecnología fotovoltaica convencional resulta más interesante.

La tecnología fotovoltaica de concentración no funciona en días nublados ya que aunque las células fotovoltaicas funcionan con radiación indirecta, la presencia de este material en un panel HCPV es tan reducida que, con los reflectores fuera de juego ya que no pueden concentrar este tipo de luz, la cantidad de electricidad que produce es mínima.

La mayoría de los fabricantes venden sistemas modulares escalables (panel más sistema de seguimiento e inversor) que permiten configurar un sistema solar de alta concentración desde una decena de KW hasta varios megawatios. En general, este nivel de potencias suelen exceder los requerimientos eléctricos de un hogar convencional, además el equipo es de muy difícil integración en un medio urbano. En ese sentido, pensamos que la fotovoltaica convencional resulta más versátil y flexible para aplicaciones domésticas. Quizá en comunidades de vecinos con instalación comunitaria en climas adecuados pueda ser más conveniente el uso de la fotovoltaica concentrada. Donde esta tecnología puede alcanzar su mejor utilidad es, siempre dentro del clima adecuado, en aplicaciones industriales o en centrales de producción eléctrica.

Actualmente, existen algunas centrales de producción en el mundo, aunque casi ninguna llega, por el momento , al megawatio de potencia. Muchas de ellas son en plantas de experimentación, destacando entre ellas la del ISFOC (Instituto de Sistemas Fotovoltaicos de Concentración) en Puerto Llano y en Almoguera, en España o varias otras realizadas en Estados Unidos. Algunas otras centrales ya cumplen con una función fuera de la investigación como algunas realizadas en China, Marruecos, Jordania o Italia.

La energía solar fotovoltaica HCPV esta aún poco expandida, aunque parece muy prometedora. Habra que esperar pues, a ver como evoluciona esta tecnología y que grado de difusión puede llegar a alcanzar en un futuro próximo



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4 pensamientos en “La energía solar fotovoltaica de alta concentración HCPV

  1. Agustín Gómez Sánchez

    Hola. desde mi punto de vista es mas eficiente la lupa que los paneles solares, cada uno puede pensar lo quiera, pero si eres capaz de generar calor a una temperatura de ignición con una lupa, para que tanta tecnología con los paneles solares

    Responder
    1. l200885

      Si es verdad, pero la idea es tener una solución simple para producir electricidad domésticamente, con calor necesitas todo un sistema adicional de vapor y turbina para producir electricidad, saludos

      Responder
  2. eduardo

    me pueden informar si en mexico hay esta tecnología de Concentración Fotovoltaica y quien la vende ?

    Responder

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