| Los
paneles solares fotovoltaicos |
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Elemento
clave en la conversión directa de la energía
solar a electrica, los paneles fotovoltaicos experimentan
en la actualidad una demanda sin precedentes. Los problemas
derivados del cambio climatico y la progresiva concienzación
han provocado un cambio de mentalidad hacia este producto. |
| ¿Como
funciona un panel solar fotovoltaico? |
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Para la fabricación de paneles solares
fotovoltaicos se emplea tecnología muy avanzada y compleja.
Sin bien esta al alcance de muchos fabricantes la producción
de colectores solares térmicos con un grado de eficacia
aceptable, no ocurre lo mismo con los paneles solares fotovoltaicos,
donde muy pocas compañías en el mundo cuentan
con la capacidad y los recursos técnicos necesarios
para producirlos.
El funcionamiento de
los paneles se basa en el efecto fotovoltaico. Este efecto
se produce cuando sobre materiales semiconductores convenientemente
tratados incide la radiación solar produciendose electricidad.
Proceso básico de fabricación:
1- En una lámina de
material semiconductor puro se introducen elementos químicos
llamados dopantes que hacen que esta tenga un exceso de electrones
y aunque no exista en realidad desequilibrio eléctrico
(existirá el mismo numero de electrones que de neutrones
en el total de la aplancha del semiconductor ) convencionalmente
se entiende que esta plancha tiene una carga negativa y se
la denomina N
2- Por otro lado en otra lámina
de material semiconductor se hace el mismo proceso pero en
esta ocasión con otra sustancia dopante que provoca
que haya una falta de electrones. Por esta razón se
entiende convencionalmente que la plancha tiene una carga
positiva y se le denomina P
3- Es en este punto donde se
procede a realizar la unión P-N en la cual el exceso
de electrones de N pasa al otro cristal y ocupa los espacios
libres en P. Con este proceso la zona inmediata a la unión
queda cargada positivamente en N y negativamente en P creándose
un campo eléctrico cuya barrera de potencial impide
que continúe el proceso de trasvase de electrones de
una plancha a la otra.
Bases del funcionamiento de
las celulas fotovoltaicas
Cuando el conjunto queda expuesto
a la radiación solar, los fotones contenidos en la
luz transmiten su energía a los electrones de los materiales
semiconductores que pueden entonces romper la barrera de potencial
de la union P-N y salir del semiconductor a través
de un circuito exterior, produciéndose así corriente
eléctrica.
El modulo más pequeño
de material semiconductor con unión P-N y por lo tanto
con capacidad de producir electricidad, es denominado célula
fotovoltaica. Estas células fotovoltaicas se combinan
de determinadas maneras para lograr la potencia y el voltaje
deseados. Este conjunto de células sobre el soporte
adecuado y con los recubrimientos que le protejan convenientemente
de agentes atmoféricos es lo que se denomina panel
fotovoltaico.
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Tipos de paneles en función
de los materiales
Existen diferentes tipos
de paneles solares en función de los materiales semiconductores
y los métodos de fabricación que se empleen.
Los tipos de paneles solares que se pueden encontrar en
el mercado son:
- Silicio Puro monocristalino-
Basados en secciones de una barra de silicio perfectamente
cristalizado en una sola pieza . En laboratorio se han alcanzado
rendimientos máximos del 24,7% para éste tipo
de paneles siendo en los comercializados del 16%.
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Panel solar monocristalino |
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- Silicio puro policristalino-
Los materiales son semejantes a los del tipo anterior aunque
en este caso el proceso de cristalización del silicio
es diferente. Los paneles policristalinos se basan en secciones
de una barra de silicio que se ha estructurado desordenadamente
en forma de pequeños cristales. Son visualmente muy
reconocibles por presentar su superficie un aspecto granulado.
Se obtiene con ellos un rendimiento inferior que con los monocristalinos
(en laboratorio del 19.8% y en los módulos comerciales
del 14%) siendo su precio también más bajo.
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Panel solar policristalino
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Por las características físicas
del silicio cristalizado, los paneles fabricados siguiendo
esta tecnología presentan un grosor considerable. Mediante
el empleo del silicio con otra estructura o de otros materiales
semiconductores es posible conseguir paneles más finos
y versátiles que permiten incluso en algún caso
su adaptación a superficies irregulares. Son los denominados
paneles de lámina delgada
Así pues, los tipos de paneles de lámina
delgada son:
- Silicio amorfo. (TFS) Basados también
en el silicio, pero a diferencia de los dos anteriores,
este material no sigue aquí estructura cristalina
alguna. Paneles de este tipo son habitualmente empleados
para pequeños dispositivos electrónicos (
Calculadoras, relojes) y en pequeños paneles portátiles.
Su rendimiento máximo alcanzado en laboratorio ha
sido del 13% siendo el de los módulos comerciales
del 8%.
- Teluro de cadmio, Rendimiento en laboratorio
16% y en módulos comerciales 8%
- Arseniuro de Galio- Uno de los materiales
más eficientes. presenta unos rendimientos en laboratorio
del 25.7% siendo los comerciales del 20%
- Diseleniuro de cobre en indio- con rendimientos
en laboratorio próximos al 17% y en módulos
comerciales del 9%
Existen también los llamados paneles Tándem
que combinan dos tipos de materiales semiconductores distintos.
Debido a que cada tipo de material aprovecha sólo
una parte del espectro electromagnético de la radiación
solar, mediante la combinación de dos o tres tipos
de materiales es posible aprovechar una mayor parte del
mismo. Con este tipo de paneles se ha llegado a lograr rendimientos
del 35%. Teóricamente con uniones de 3 materiales
podría llegarse hasta rendimientos del 50%
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(1) Célula
con material semiconductor 1, solo aprovecha una parte del
espectro electromagnético de que está compuesta
la luz solar(2) La célula con el material semiconductor
2 aprovecha otra parte del espectro electromagnético
de la luz diferente al del material semiconductor 1 (3) en
la célula Tandem se combinan ambos tipos de materiales,
con lo que se aprovecha la parte del espectro electromagnetico
de ambos tipos de materiales son capaces de tranformar en
energía electrica. El rendimiento total será
en teoría la suma de los rendimientos de ambos tipos
de células por separado
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La mayoría
de los módulos comercializados actualmente están
realizados de silicio monocristalino, policristalino y amorfo.
El resto de materiales se emplean para aplicaciones más
específicas y son más difíciles de encontrar
en el mercado.
Mención
especial merece una nueva tecnología que esta llamada
a revolucionar el mundo de la energía solar fotovoltaica.
Se trata de un nuevo tipo de panel solar muy fino, muy barato
de producir y que según dicen sus desarrolladores presenta
el mayor nivel de eficiencia de todos los materiales. Este
nuevo tipo de panel esta basado en el Cobre Indio
Galio Diselenido (CIGS) y se prevé que en
un futuro no muy lejano, debido a su competitiva relación
entre producción de energía/costo pueda llegar
a sustituir a los combustibles fósiles en la producción
de energía. |
| Tipos
de paneles en función de la forma |
También es posible
clasificar los tipos de paneles en función de su
forma. Empleándose cualquiera de los materiales antes
comentados se fabrican paneles en distintos formatos para
adaptarse a una aplicación en concreto o bien para
lograr un mayor rendimiento .Algunos ejemplos de formas
de paneles distintos del clásico plano son:
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Paneles con sistemas
de concentración. Un ejemplo de ellos es el
modelo desarrollado por una marca española, el cual
mediante una serie de superficies reflectantes concentra la
luz sobre los paneles fotovoltaicos. Aunque el porcentaje
de conversión no varie, una misma superficie de panel
producirá más electricidad ya que recibe una
cantidad concentrada de fotones.
Actualmente se investiga en sistemas que concentran la radiación
solar por medio de lentes. La concentración de la luz
sobre los paneles solares es una de las vías que están
desarrollando los fabricantes para lograr aumentar la efectividad
de las células fotovoltaicas y bajar los costes.
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| Paneles
de formato “teja o baldosa”. Estos paneles
son de pequeño tamaño y están pensados
para combinarse en gran número para así cubrir
las grandes superficies que ofrecen los tejados de las viviendas.
Aptos para cubrir grandes demandas energéticas en los
que se necesita una elevada superficie de captación. |
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Panel de formato teja
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| Paneles
bifaciales: Basados en un tipo de panel capaz de transformar
en electricidad la radiación solar que le recibe por
cualquiera de sus dos caras. Para aprovechar convenientemente
esta cualidad se coloca sobre dos superficies blancas que reflejan
la luz solar hacia el reverso del panel. |
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| Sistemas
de seguimiento solar |
| En
los sistemas solares fotovoltaicos existe la posibilidad de
emplear elementos seguidores del movimiento del Sol que favorezcan
y aumenten la captación de la radiación solar.
Existen tres tipos de soporte para los colectores solares:
- Colocación
sobre soporte estático- Soporte sencillo sin
movimiento. Dependiendo de la latitud de la instalación
y de la aplicación que se quiera dar se dotan a los
paneles de la inclinación más adecuada para
captar la mayor radiación solar posible. Es el sistema
más habitual que se encuentra en las instalaciones
- Sistemas de seguimiento solar
de 1 eje. Estos soportes
realizan un cierto seguimiento solar. La rotación del
soporte se hace por medio de un solo eje, ya sea horizontal,
vertical u oblicuo. Este tipo de seguimiento es el más
sencillo y el más económico resultando sin embargo
incompleto ya que sólo podrá seguir o la inclinación
o el azimut del Sol, pero no ambas a la vez.
- Sistemas de seguimiento solar
de dos ejes. Con este
sistema ya es posible realizar un seguimiento total del sol
en altitud y en azimut y siempre se conseguirá que
la radiación solar incida perpendicularmente obteniendose
la mayor captación posible. Existen tres sistemas básicos
de regulación del seguimiento del sol por dos ejes:
- Sistemas mecánicos- El seguimiento
se realiza por medio de un motor y de un sistema de engranajes.
Dado que la inclinación del Sol varia a lo largo del
año es necesario realizar ajustes periódicos,
para adaptar el movimiento del soporte
- Mediante dispositivos
de ajuste automático-. El ajuste se realiza
por medio de sensores que detectan cuando la radiación
no incide perpendicular al panel corrigiedose la posición
por medio de motores.
- Dispositivos sin
motor- Sistemas que mediante la dilatación
de determinados gases, su evaporación y el juego de
equilibrios logran un seguimiento del Sol
- (IMAGEN)
Se estima que con estos sistemas
se puede lograr un aumento de entre el 30% y el 40% de la
energía captada.. Se hace necesario evaluar el costo
del sistema de seguimiento y la ganancia derivada del aumento
de la energía para determinar su rentabilidad.
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| Otros
elementos asociados a los paneles solares fotovoltaicos |
| El
panel solar es el elemento encargado de captar la energía
del sol y de transformarla en energía eléctrica
que se pueda ser usada. Asociado los paneles existen otros componentes
que se utilizan en las instalaciones como elementos de seguridad
o que amplían las posibilidades del uso de la instalación.
Los componentes esenciales de una instalación fotovoltaica
son:
-Regulador:
Es el elemento que regula la inyección de corriente
desde los paneles a la batería. El regulador interrumpe
el paso de energía cuando la batería se halla
totalmente cargada evitando así los negativos efectos
derivados de una sobrecarga.. En todo momento el regulador
controla el estado de carga de la batería para permitir
el paso de energía eléctrica proveniente de
los paneles cuando esta empieza a bajar.
- Batería-
Almacena la energía de los paneles para los momentos
en que no hay sol, o para los momentos en que las características
de la energía proporcionada por los paneles no es suficiente
o adecuada para satisfacer la demanda (falta de potencia al
atardecer ,amanecer, días nublados). La naturaleza
de la radiación solar es variable a lo largo del día
y del año, la batería es el elemento que solventa
este problema ofreciendo una disponibilidad de energía
de manera uniforme durante todo el año
-Inversores-
El elemento que transforma las características de la
corriente de continua a alterna. La mayoría de los
aparatos eléctricos funcionan con corriente alterna
y tanto los paneles como las baterías suministran energía
eléctrica en forma de corriente continua. Es por ello
que se hace necesario este elemento que modifique la naturaleza
de la corriente y la haga apta para su consumo por muchos
aparatos.
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