19 de abril de 2020

Clasificación de las energías


Clasificación de las energías según su estado natural




Calsificación de las energías según su fuente y su fin.


 
Fuentes consultadas:

Libro: "Energías Renovables", Autor: Mario Ortega Rodríguez, Editorial: Parainfo, 2003.

18 de abril de 2020

Energía solar fotovoltaica



1 _ Aprovechamiento del efecto fotoeléctrico en las células fotovoltaicos para la generación de electricidad con la radiación solar.  



En términos generales la conversión fotovoltaica consiste en la transformación de la energía solar en energía eléctrica aplicando el efecto fotoeléctrico sobre un semiconductor construido de forma tal que genere una corriente eléctrica que pueda ser utilizada como energía útil. El dispositivo electrónico que transforma la energía solar en energía eléctrica es lo que llamamos como célula  fotoeléctrica  o célula solar fotovoltaica y consistente en la producción de una diferencia de potencial sobre un material semiconductor construido con una unión pn cuando sobre este inside la luz solar y se produce el efecto fotoeléctrico que genera un movimiento de cargas eléctricas electrón-hueco dentro de su matriz de forma que estas cargas se muevan de tal forma que generen esta diferencia de potencial o diferencia de tensión. Cuando se logra esta diferencia de potencial dentro de la célula se genera una fuerza electromotriz que hace que si se conecta esta célula a un circuito eléctrico exterior produzca que circule por dicho circuito eléctrico una corriente eléctrica que puede ser aprovechada para hacer un trabajo útil.
Cuando a un semiconductor intrínseco como el silicio en estado puro se le hace incidir un flujo luminoso, los fotones que actúan sobre el semiconductor por el efecto fotoeléctrico generaran roturas de los enlaces químicos entre los átomos del semiconductor generando pares electrón-hueco que se mueven a través de la matriz del semiconductor hasta que al cabo de fracciones de segundo se encuentran nuevamente regenerando los enlaces rotos y desprendiendo la energía absorbida por los electrones en forma de calor.
El principio de funcionamiento de los dispositivos fotovoltaicos en las células fotovoltaicas es obligar a los electrones y a los huecos a avanzar hacia lados opuestos dentro de la célula solar para que en lugar de recombinares nuevamente entre si se produzca la diferencia de potencial y por lo tanto la diferencia de tensión entre las dos caras de la célula solar para que si se conecta con un circuito eléctrico exterior se produzca la corriente eléctrica. Para lograr esto se crea sobre el cuerpo del semiconductor un campo eléctrico permanente a través de una unión pn haciendo que cuando incide la luz solar sobre el mismo y se generen los pares electrón-hueco por el efecto fotoeléctrico los electrones fluyan hacia la región n del semiconductor y los huecos hacia la sección p del mismo generando así esta diferencia de potencial y de tensión por los distintos lugares en que se alojan estas diferentes cargas eléctricas (electrón-huecos) dentro del semiconductor y de la célula solar.
Por lo tanto las células solares se construyen de forma que en su capa superior este la juntura tipo n del semiconductor y en la parte inferior de la célula este la juntura tipo p de la célula, generando, al igual que en los diodos semiconductores, que los electrones libres de la capa n emigren hasta los huecos de la capa precombinandose con estos y generando que se produzca de forma permanente para toda su vida útil un campo eléctrico constante entre las dos caras del semiconductor que va desde la región p hacia la región n, provocando que la corriente solo pueda circular en el sentido de este campo eléctrico y cuando se generen electrones libres por efecto de la incidencia de la luz solar sobre la célula estos fluyan también en la dirección de este campo eléctrico desde la capa p hacia la n, generando así la diferencia de potencial y la diferencia de tensión entre las dos caras de la célula solar.
La corriente eléctrica que se genera es mediante un proceso continuo que se renueva cada vez que un fotón con una energía superior a la energía del gap del semiconductor de la célula incide sobre el cuerpo del semiconductor por lo tanto como la luz solar esta formada por infinitos fotones que se transmiten en forma continua la corriente eléctrica que genera dicha célula es del tipo de corriente continua, similar a la corriente que proporciona una pila o una batería de acumuladores eléctricos.






Para poder utilizar el silicio en la elaboración de las células fotovoltaicas es necesario alcanzar un cierto grado de pureza, lo que se logra mediante la utilización de silicio de grado solar (6N) o de grado electrónico (9N).
El contacto superior que transporta la corriente eléctrica de la célula fotovoltaica esta sobre la cara que recibe la luz y se realiza por medio de una parrilla de finas láminas metálicas, de modo de cubrir lo menos posible el cristal de la luz solar y recubriendose además esta capa superior de la célula con una muy delgada capa transparente antirreflectante. La cara inferior, por el contrario, está constituido por una pequeña lámina completa conductora de electricidad y reflectante para que los fotones que no son absorbidos en su traspaso por el material semiconductor pueda volver al cuerpo de la célula y ser absorbido por esta y convertido en energía eléctrica.
En el siguiente video se muestra este movimiento de cargas eléctricas dentro de la célula solar pero se muestra el sentido convencional del movimiento de la corriente eléctrica que es considerando el movimiento de las cargas positivas y no el sentido del movimiento real de los electrones que poseen carga negativa e- que es de sentido inverso al de las cargas positivas.








La células solares pueden conectarse entre si en dos formas distintas:

  • Serie.
  • Paralelo.

En caso de conectarse en serie, el voltaje de los contactos terminales es la suma de los voltajes individuales de cada fotocélula, o sea que se obtiene un voltaje mayor que el que proporciona cada una de ellas.
Si la fotocélulas se conectan en paralelo, el voltaje se mantiene constante y es el mismo para cada una en forma individual pero se suman las corrientes producidas por cada una de estas.


2 _ Paneles fotovoltaicos


Los paneles fotovoltaicos generalmente están compuestos por la conexión de varias células fotovoltaicas entre si y se los fabrican de modo de proporcionar una potencia máxima determinada, a un voltaje preestablecido, que generalmente es de 12 o 24 volts.
Consisten por lo general en una asociación en serie o serie-paralelo de un número determinado de células solares, con un encapsulado o protección de las células montadas sobre un soporte metálico.





En el caso de los paneles de silicio monocristalino o policristalino la unión de varias células solares constituye el panel fotovoltaico, el cual debe ser diseñado en función de la potencia requerida para el consumo o del tamaño y peso del mismo.
En el caso de los paneles solares de lámina delgada como los fabricados con silicio amorfo, con silicio micromorfo o con otro tipos de semiconductores como los paneles de Cobre, Indio, Galio y Selenio (CIGS) el panel solar esta formado por varias células solares que generalmente se fabrican en forma paralela una a otra a medida que se van depositando las distintas capas de los semiconductores en la fabricación del panel de forma de hacer la conexión en serie de las células y así obtener el voltaje de salida del panel de acuerdo al voltaje que se necesite del mismo, de 12 o 24 Volt o otro voltaje que se quiera tener en la salida del panel solar.
Si se necesita llegar a un determinado voltaje a la entrada del circuito eléctrico que se necesite alimentar con alguno de estos distintos tipos de paneles solares (ya sea los de silicio cristalino o los de capa delgada) se colocan varios paneles solares en serie o en paralelo hasta llegar al voltaje o a la corriente necesaria del circuito que se quiera alimentar como es el caso de los inversores de corriente de conexión a red que generalmente usan voltajes que van desde los 150 a 600 Volt de corriente continua de entrada al inversor y 220 Volt o mas de tensión de la corriente alterna de salida del mismo que es la que se conecta a la red de distribución domiciliaria.



3 _ Paneles fotovoltaicos de silicio cristalino

3.1 _ Fabricación del silicio de grado solar


El silicio de grado solar necesita una pureza de 6N o sea de 6 números 9 en el porcentaje de pureza, que en este caso sería de 99,9999 % o mayor, ya que un aumento de impurezas en el silicio de la célula solar generaría muchas perdidas en la eficiencia de la célula debido al efecto de recombinación que generan las impurezas sobre los electrones y huecos generados por el efecto fotoeléctrico sobre el silicio semiconductor. En el caso del silicio de grado electrónico requiere una pureza del orden de los 9N o sea de 9 números 9 en el porcentaje de pureza del semiconductor que sería una pureza del 99,9999999 %. Esto permite que para la fabricación del silicio de grado solar se puedan usar métodos de purificación no tan complejos y mas económicos para su fabricación como es el Reactor de  Lecho Fluidizado FBR (en su siglas en Inglés) en lugar del método tradicional o Reactor Siemens que se usa en la industria electrónica y que se realiza con un método de fabricación discontinuo o bach y que requiere un alto consumo de energía en el funcionamiento del reactor, en cambio, el reactor de lecho fluidizado permite una fabricación continua del silicio solar y requiere un gasto de energía en su funcionamiento del 10 al 20 % del gasto de energía del reactor tradicional Siemens, lo cual representa una alta reducción de los costes de fabricación del silicio solar.
La fabricación del silicio purificado de grado solar consta de tres pasos generales:
El primer paso es la desoxidación del óxido de silicio o cuarcita (SiO2) el cual se hace en un horno de arco eléctrico utilizando carbón o coque como elemento reductor del óxido de silicio y obteniendose silicio bruto el cual tiene una pureza del orden del 99 %.
El segundo paso para la obtención del silicio purificado consta de la purificación del silicio y de la separación de las impurezas que contiene el silicio en su estado bruto, para esto, como es muy difícil purificar un líquido o un elemento sólido lo que se hace es gasificar el silicio bruto y separar las impurezas por destilación en una torre de destilación, para esto a partir del silicio bruto se genera el triclorosilano (SiHCl3) para lo cual se combina el silicio con ácido clorhídrico (HCl) a unos 300 ºC ya que a temperatura ambiente el triclorosilano es líquido. El reactor de lecho fluidizado puede trabajar con gas de aporte al triclorosilano o al silano (SiH4), si se utiliza silano el mismo se  debe obtener descomponiendo el triclorosilano en silano y tetracloruro de silano para lo cual se hace ebullir el triclorosilano sobre un lecho de resina que contiene una catalizador formado generalmente por cloruro de aluminio en el cual se disocia el triclorosilano en silano y en tetracloruro de silicio de acuerdo a la siguiente reacción:

4 HSiCl3 → SiH4 + 3 SiCl4


Luego el tretlacloruro de silicio se combina con hidrógeno (H2) de la siguiente forma:

SiCl4 + H2 → HSiCl3 + HCl 


obteniendose nuevamente triclorosilano y ácido clorhídrico los cuales son nuevamente devueltos al proceso y combinados en los pasos anteriores de la formación de triclorosolano y silano.
Una vez obtenido el silano en forma de gas a temperatura ambiente el mismo se separa de las impurezas en una torre de destilación en el cual se obtiene gas de silano ultrapuro y en esta condición se lo inyecta al reactor de lecho fluidizado para obtener así el silicio solar purificado.
Si en vez de utilizar silano como gas de aporte en el reactor se utiliza triclorosilano se debe purificar en la torre de destilación el gas de triclorosilano a una temperatura superior a los 300 ºC ya que a temperatura ambiente como dijimos el triclorosilano es líquido.
El tercer paso para la producción del silicio de grado solar en si dentro del Reactor de Lecho Fluidizado el cual se puede ver en la siguiente figura, y como se puede ver en la figura cuando en dicho reactor se fabrica el silicio solar a partir del Silano (SiH4) se inyecta desde la parte inferior del reactor gas silano y gas de hidrógeno generando que se vallan produciendo el crecimiento de pequeñas partículas del silicio solar que luego a medida que se descompone el silano en el reactor el silicio del silano se va depositando sobre estas particulas haciendo crecer estos granos de silicio en forma de semillas redondas de distintos tamaños que van saliendo por el fondo del reactor.


Esquema de un Reactor de Lecho Fluidizado (FBR)


Una de las desventajas de este reactor es la formación de polvo de silicio ya que no todas las partículas generadas logran crecer de tamaño hasta un tamaño mínimo recomendado generandose estas pequeñas partículas de polvo de silicio, además también hay contaminaciones en los granos de silicio cuando se va depositando este en las partículas por átomos de hidrógeno que quedan como impurezas dentro de las partículas de silicio de grado solar disminuyendo la pureza del mismo.
Este método generalmente produce silicio de menor pureza que en reactor Siemens pero superiores a los 6N de pureza que necesita el silicio de grado solar, en donde las purezas obtenidas generalmente están en el orden de los 6N a 8N. También se debe considerar que durante la fabricación de la célula solar existen contaminaciones al silicio solar como es en el caso del corte de las células solares o en la cristalización del silicio mono o policristalino o en el corte de los mismos lingotes, por lo tanto el silicio solar debe ser fabricado con una pureza superior al que admite la célula solar por estas contaminaciones posteriores a la fabricación del silicio que se producen en la fabricación de la propia célula solar.




Silicio Granular de Grado Solar obtenido en un Reactor de Lecho Fluidizado 


Se ha demostrado que el silicio solar obtenido en un reactor de lecho fluidizado tiene un costo de 18 u$s/Kg y el obtenido por el método tradicional usando un reactor Siemens el costo es superior a los 30 u$s/Kg, lo que implica una reducción importante del costo del silicio solar y una reducción importante del costo final de los paneles fotovoltaicos.




3.2 _ Cristalización del silicio solar


Existen dos tipos de células solares cristalinas, las células monocristalinas y las policristalinas, las células solares monocristalinas tienen la ventaja de tener una mayor eficiencia que las policristalinas pero son mas difíciles de fabricar y por lo tanto un poco mas caras, en general, los paneles fotovoltaicos hoy en día se fabrican con células solares policristalinas, nosotros aquí solo mencionaremos el método de cristalización del silicio policristalino por tener mayor uso en la actualidad.
En la cristalización del silicio policristalino se usa un horno de inducción electromagnética como se ve en la figura donde se mete un cubo que contiene el silicio solar purificado en forma líquida a  unos 1.600 ºC y en el horno de inducción se controla la temperatura del silicio líquido de forma que se forme una superficie de cristalización que avanza de abaja hacia arriba del cubo y va solidificando el silicio y por lo tanto cristalizándose. La cristalización se produce a una baja velocidad de 1 cm/hora y se usan generalmente cubos de 70 x 70 cm de lado y una altura de 30 cm.   









3.3 _ Corte de las células solares

Una vez obtenido el silicio cristalizado en la forma como la que describimos arriba se realiza el corte del cubo en forma de lingotes de 15 x 15 cm de lado y 30 cm de largo aproximadamente y luego se cortan las células solares en forma de obleas planas con una maquina de corte que usa hilos de polvo de diamante con el cual se hace el corte de las obleas, este corte se realiza a temperatura ambiente, ya que el corte a altas temperaturas del silicio puede generar difusión solida de los gases o de partículas de la herramienta de corte sobre las obleas de silicio y generar pérdidas de rendimiento de las células solares.
La maquina de corte por hilos es como muestra la figura siguiente:


Las células solares actualmente con este método de corte se fabrican con un espesor de 160 a 180 micrones y el espesor de los hilos tienen un diámetro de 140 micrones por lo tanto se desperdicia aproximadamente el 50% del silicio solar, por lo cual, se encarece en forma significativa el costo de los paneles solares ya que se esta utilizando aproximadamente un espesor de 300 a 400 micrones del silicio del lingote en fabricar una célula solar.
Las células solares se pueden fabricar con un espesor de hasta 20 micrones sin que  se produzcan pérdidas en la eficiencia de la célula, pero este método de corte no permite cortarla de forma tan delgada debido a la rigidez del silicio de las células y no existe hasta el momento un método de corte que permita cortar las células tan delgadas y sin tener perdidas de silicio en el corte.
Actualmente se esta trabajando mucho en reducir tanto el espesor de la oblea como en disminuir las pérdidas de corte ya que significaría una reducción muy importante en el costo final del panel solar.


3.4 _ Fabricación de las células solares

Luego del corte de las obleas, estas son sometidas a una serie de procesos para la fabricación de las células solares, en los cuales, cada proceso generalmente aporta una mejora en la característica final de la célula solar y sobre todo en su eficiencia final. Cada fabricante aplica una determinada cantidad de procesos y mejoras a las células solares de acuerdo al costo que implica la aplicación de estos procesos y la mejora relativa en la eficiencia de la célula solar que se obtiene con la aplicación de estos procesos.
Si bien las células solares mas avanzadas que se fabrican en la actualidad y por lo tanto las de mayor eficiencia se fabrican con silicio monocristalino y tiene una eficiencia del orden del 22%, estos mismos procesos y mejoras pueden aplicares a las células solares de silicio policristalino aunque la eficiencia siempre es de 1 a 2 % menor dada la mejores propiedades fotovoltaicas que tiene el silicio monocristalino.

Esquema de una célula solar de silicio policristalino con contacto frontal


Las células solares de silicio cristalino con mejor rendimiento que tienen hoy en día se las fabrican con las siguientes características:

  • Superficie frontal antirreflectante:
La células solares en su parte frontal están cubiertas con un capa que disminuye la reflexión de la luz en la célula solar y hace que toda la luz que incide sobre la célula entre al cuerpo de la misma para que dicha luz pueda convertirse en energía eléctrica. Existen muchos materiales que se utilizan como capas antirreflectantes pero el mas usado actualmente es el dióxido de titanio (TiO2) y es el encargado en darle el color azulado que tienen los paneles fotovoltaicos hoy en día.
  • Sistema de atrapamiento de la luz:
El sistema de atrapamiento de la luz se fabrica con el propósito de que la luz del sol recorra la máxima distancia posible en el interior del cuerpo de la célula con el fin de que toda la luz pueda transformarse en algún momento en energía eléctrica, el método mencionado es como lo demuestra la siguiente figura y en el se puede ver como la luz recorre dicha trayectoria, para esto la parte inferior de la célula debe tener una capa reflectante que permita que cuando la luz solar llega al fondo de la célula se refleje y vuela al cuerpo de la misma, además la parte frontal se debe fabricar en forma de pirámides invertidas para que cuando la luz rebota externa o internamente siempre lo haga de forma que vuela a a entrar al cuerpo de la célula solar y de esta forma aumentar la distancia de dicho recorrido. Una célula solar de silicio cristalino que posee este sistema de atrapamiento de la luz con un espesor de 20 micrones logra la misma eficiencia que una célula solar de 400 micrones de espesor sin este método de fabricación por lo cual este método es indispensable para lograr disminuir el espesor de las células sin perder eficiencia en las mismas.



  • Pasivamiento de las superficies frontales y posteriores:
Las impurezas en las células solares y los cambios de fase que se producen en las superficies superior e inferior de la célula producen pérdidas de eficiencia por recombinación, para evitar dichas pérdidas en las superficies de la célula se realiza un pasivado de las mismas en las que generalmente se utiliza hidrógeno o nitruro de silicio y tienen como fin disminuir la velocidad de recombinación de la corriente eléctrica en  dichas zonas.
  • Contactos posteriores puntualizados y reflectantes:
Una forma de disminuir las pérdida por sombreado de la parrilla que forma el contacto superior de la célula es hacer que los dos contactos, el superior y el inferior, estén en la parte inferior de la célula para lo cual el dopaje de la célula debe hacerse como muestra la siguiente figura:



en este caso el dopaje Tipo P y Tipo N para formar  las bandas de conducción y la banda de valencia debe hacerse en la parte inferior de la misma. Además para disminuir el área de contacto de las superficies conductoras de la electricidad el contacto debe hacerse puntualizado con lo que se logra disminuir las pérdidas por recombinación en dichas superficies de contacto, y para permitir la realización del sistema de atrapamiento de luz como describimos anteriormente el área que no forma parte de los contactos eléctricos posteriores se le coloca la capa reflectante de la luz como también muestra la anterior figura.

  • Emisores selectivos.
El emisor selectivo únicamente se fabrica en las células solares que tienen contactos frontales en los cuales en la parte de la superficie de la célula donde no están los contactos eléctricos se la pasiva normalmente con hidrógeno o con nitruro de silicio y en la parte inferior a los contactos eléctricos para aumentar la conductividad eléctrica en dicha región se hace un pasivado inferior que hace que aumente la conductividad eléctrica del silicio en dicha zona pero no un pasivado completo ya que dichas zonas no están expuestas a la luz ya que esta debajo de la parrilla que forma el contacto superior.
En la actualidad la mayoría de las células solares cristalinas se fabrican con contacto superior pero cada vez mas debido al aumento de la eficiencia que se logra haciendo los contactos en la parte inferior de la célula se están fabricando las células solares con contactos posteriores.  


Esquema del aumento de la eficiencia de las células solares de silicio monocritalino y policristalino de acuerdo a las mejoras o procesos con las que son fabricadas las mismas.




3.6 _ Fabricación o ensamblado del panel solar fotovoltaico

En la fabricación o ensamblado final del panel solar se parte de la célula solar ya fabricada y se realizado el soldado de las células solares que generalmente se conectan en serie aumentando el voltaje del panel solar  respecto del que tiene la célula y posteriormente se realiza un encapsulado de panel en el cual se encapsulan las células solares con goma EVA en la parte interior del panel solar recubriendo las células solares y aglutinando las mismas entre ellas y con el vidrio del panel de la parte frontal y con el Tedlar que se pone en la parte trasera del panel para aislar el EVA del exterior ya que ésta no es impermeable al agua ni a la humedad atmosférica, por lo tanto se pone el Tedlar que generalmente tiene color blanco en la parte posterior del panel para sellarlo y aislar el EVA y las células solares de la humedad atmosférica del exterior. Posteriormente se realiza el encuadrado del panel con perfiles en los que generalmente se utiliza aluminio y finalmente se coloca la caja de contacto eléctricos de los mismos. Al final del proceso se hace una prueba de eficiencia del panel solar en el que se aplica una intensidad de luz normalizada y se mide la energía producida por el panel la cual luego se especifica en las características del mismo para su comercialización.




Esquema de la fabricación de un panel solar fotovoltaico






4 _ Paneles solares fotovoltaicos de Heterojuntura con Capa Fina Intrínseca


4.1 _ Panel de Heterojuntura con Capa Fina Intrínseca HIT


Los paneles fotovoltaicos HIT (Heterejunction with Intrinsuc Thin Layer) están fabricados con células solares híbridas de silicio monocristalino recubiertas con finas capas de silicio amorfo depositadas mediante el proceso PECVD que proporciona al silicio cristalino una excelente superficie de pasivación gracias a la baja temperatura de este proceso de deposición que es de unos 200 ºC.
El espesor de las finas capas de silicio amorfo ronda los 10 a 20 nm y sobre las dos caras de la células recubiertas de las capas dopadas de tipo n y p de silicio amorfo se recubren las mismas mediante una capa de un óxido conductor transparente (TCO) y luego sobre este se colocan las parrillas metálicas para la recolección de la corriente de la célula solar.
Estos paneles solares con obleas monocristalinas logran en la actualidad eficiencias del orden del 23%, las mas altas eficiencias de células solares de silicio que se comercializan en el momento, gracias entre otras cosas a que por la utilización del silicio amorfo en estas finas capas sobre el sustrato de silicio monocristalino se logren tensiones de la célula en circuito abierto del orden de los Vco = 730 mV, respecto de los 680 mV de tensión de circuito abierto que generalmente se generan en la células solares convencionales de silicio cristalino.
La célula solar se fabrica como lo muestra la siguiente figura:




Como se puede ver en la figura la célula solar esta formada por un substrato monocristalino del Tipo N y por capas de silicio amorfo en su parte superior e inferior de forma simétrica, lo que permite que los contactos en la parte trasera se puedan fabricar con una parrilla metálica como en la superficie frontal y hacer que esta célula pueda funcionar de forma bifacial o sea que absorba la luz de la parte frontal y de la parte trasera al mismo tiempo, logrando así que los paneles fotovoltaicos construidos de esta manera logren una mejora en el rendimiento total de un 1 o 2 % superior al panel si trabajaría de la forma tradicional. 
Un ejemplo de panel solar bifacial puede verse en la siguiente figura:





Estos paneles también tienen la ventaja de conservar su alta eficiencia de conversión trabajando a altas temperaturas logrando así una producción anual de energía superior a los paneles solares tradicionales policristalinos en la relación de Wp de panel sobre los Wh anuales generados.


4.2 _ Panel de Heterojuntura con Capa Fina Intrínseca con Contacto Posterior SHJ-IBC

Las células solares SHJ-IBC (Silicon-Heterojunction Interdigitated-Back-Contact) están siendo desarrolladas por diversas empresas ya que tiene el potencial de llegar a una eficiencia del 26% utilizando como substrato obleas de silicio monocristalino y las capas de silicio amorfo se colocan de forma de evitar el contacto superior de la célula solar HIT para aumentar la eficiencia fotovoltaica ya que evita las pérdidas por sombreado de la parrilla del contacto superior.
La célula solar estaría fabricada como muestran las siguientes figuras:


Si bien estos paneles fotovoltaicos no están en el mercado hasta el momento serían los paneles fotovoltaicos fabricados con células solares de silicio del mayor rendimiento que se ha logrado hasta el momento, lo cual, por utilizarse como material semiconductor solamente silicio, por las ventajas de abundancia y bajo costo que tiene este semiconductor, presenta un gran interés en su fabricación gracias a la alta eficiencia que se puede obtener de ellos.
Estas células solares también se podrían fabricar utilizando como substrato obleas de silico policristalino que aunque tuvieran un rendimiento final del panel algo menor que el monocristalino serían mas baratos y simples de fabricar y también tendrían una alta eficiencia lo que los hace muy interesante para su aplicación por su economía de fabricación y su alta eficiencia energética de conversión fotovoltaica.


5 _ Células de lámina delgada

5.1 _ Células de silicio de lámina delgada

La tecnología de la célula solar de silicio es bastante estándar, y la mayor parte de la investigación tecnológica se centra en la película fina. La mayoría de la película fina o delgada consiste en una sustancia absorbente solar rociada sobre una capa, o aplicada con gas a una capa, o, más recientemente, de una tinta solar impresa sobre una capa. Las tecnologías de la película fina se diferencian sobre todo en el material que utilizan. La película fina utiliza tipicamente el 1%, o menos, del silicio de la células standard, es más barata, y es también a veces flexible, pero es menos eficiente. La película fina se imprime a menudo sobre una lámina, haciéndola flexible. Una película delgada se puede rociar sobre una capa para hacer película fina del silicio amorfo. Es más barata, pero menos eficiente, que el silicio normal, y absorbe solamente el espectro visible de la luz.


Existen dos clases de tecnología fotovoltaica de silicio de lámina delgada que están en investigación y son más una modificación de la tecnología existente que un nuevo tipo de tecnología. La primera es la fotovoltaica transparente, prevista para el uso en ventanas o en techos de invernaderos, como por ejemplo son las fabricadas con silicio amorfo que se explican detalladamente mas adelante. La fotovoltaica transparente se está desarrollando en los laboratorios con prototipos que hasta ahora no han mostrado una buena calidad. La segunda es el silicio 'negro' supuesto, en el cual las abolladuras y los topetones microscópicos a través de la superficie del fotovoltaica crean un área superficial más grande que se pueda exponer a la luz. Se cree que éste aumentará la eficacia, pero también está en proceso de desarrollo.


5.2 _ Otros tipos de células de película delgada
 

Las tres principales clases de película fina son: CIGS, CIS y Telurio de Cadmio. Los CIGS están basados en el cobre, el indio, el galio y el selenio. Los productos químicos se mezclan para formar una película delgada con hasta el 14% de eficiencia, y en laboratorios han llegado a 16.5% de eficiencia de conversión fotovoltaica. Utiliza una clase más complicada de reacción química que el silicio. Se utilizan los CIGS para conseguir una eficacia mejor al concentrar la luz con espejos. Las células CIS son similares a las anteriores pero utilizan Cobre Indio y Selenio y como no usan Galio deben usar mayor cantidad de Indio y Selenio que como son elementos poco abundantes son caros y por lo tanto la célula solar es mas cara que la anterior, llegan a tener una eficiencia del 11%. El telurio de cadmio, conocido como CdTe, es otra clase de película fina, tiene cualidades útiles, pero tiene el problema que la sustancia es tóxica,. el CdTe es también menos eficiente que el silicio, aunque es más barato de fabricar.

Dos áreas de la investigación de la película fina que han recibido mucha atención son las células solares de tinte y las células solares orgánicas o de polímeros. El tinte sensibilizado usa un electrolito de yoduro entre dos electrodos, uno de los cuales tiene el dióxido de titanio y tinte, donde el tinte trabaja de modo semejante a la fotosíntesis de las plantas, y crea una corriente eléctrica a partir de la luz, es barato y simple de fabricar pero se desgasta rápidamente, pues se degrada por efecto de la luz. Las células solares orgánicas se hacen con polímeros semiconductores y compuestos orgánicos nanomoleculares en donde se han llegado a obtener eficiencias del orden del 6% son baratas de fabricar pero tienen el inconveniente que  también se degradan rápidamente por efecto de la luz del sol.


6 _ Paneles solares fotovoltaicos de silicio micromorfo

El silicio nano-cristalino, también llamado microcristalino, es una clase de silicio amorfo pero contiene cristales pequeños. Es más fácil de hacer que el silicio normal, absorbe un espectro más amplio de la luz que el amorfo, es flexible y se puede combinar con el silicio amorfo formando paneles solares tipo tandem de células de lámina delgada con estos dos tipos de silicio.

En el caso de los paneles de silicio micromorfo el objetivo es hacer células dobles o células en tandem. La parte superior esta formada por silicio amorfo, que reacciona ante una determinada longitud de onda de la luz que recibe. Y la parte inferior estaría constituida por una capa de silicio microcristalino que capta otra parte del espectro de luz, en este caso la radiación infrarroja. Esta célula doble actúa como un tandem. Sumando la eficiencia de la capa superior de silicio amorfo y la inferior de silicio micromorfo el módulo llega al 10% frente al 6,8% de las células de silicio amorfo inicial. En la siguiente figuras se pueden ver el espesor y el espectro de absorción de cada una de las capas de esta célula de silicio micromorfo.




Con el futuro desarrollo de estas células de dos capas activas, se estipula que es posible llegar a una eficiencia del 13%. Así, partiendo de la base del 6,8% inicial se llega a casi un aumento del 100%.
Este tipo de células tiene una proporción de producción de kWh generados por kWp instalados mayor que las células de silicio tradicionales ya que tiene un coeficiente de disminución de la eficiencia de la célula solar por la temperatura que es aproximadamente la mitad que el de las células de silicio policristalino y por lo tanto las pérdidas producida por este efecto son el 50% a las anteriores, y además su comportamiento ante la luz difusa mejora también la proporción de producción, estimándose que estos paneles pueden producir hasta un 10% más de kWh por kWp instalado que los paneles solares de silicio cristalino.


Instalación de paneles solares de silicio micromorfo.

Otra de las ventajas de estos paneles solares es que las instalaciones se pueden hacer con un menor ángulo de inclinación que los otros paneles como se ve en la figura anterior y con esto disminuir la altura de las estructuras que se utilizan como soporte de los paneles solares en las instalaciones y así disminuir los costos finales de instalación de dichos paneles.




7 _ Tipos de instalaciones solares


Seguidor solar fotovoltaico para parque solares



Seguidor solar fotovoltaico Soltec modelo 10K5 para una potencia de 10 KW de paneles fotovoltaicos de silicio policristalinos. Este seguidor presenta ventajas en su resistencia al viento y en la velocidad del montaje respecto de los seguidores tradicionales de un solo poste.

16 de abril de 2020

Células solares de alta eficiencia


Eficiencia máxima de las células solares fotovoltaicas


Eficiencia de Carnot

El mayor límite de eficiencia que pueden tener las células solares fotovoltaicas está dado por el límite de Carnot, el cual se calcula de acuerdo a las leyes termodinámicas y de conservación de la energía .
En la siguiente figura podemos ver un dispositivo típico de conversión de la energía solar en energía eléctrica el cual esta formado por una célula fotovoltaica o conversor fotovoltaico donde en su interacción con la luz proveniente del sol interactúa de acuerdo a lo que muestra la figura, donde:






Donde:


Es = Flujo de energía de la radiación solar proveniente del sol
Ts = Temperatura de la fotósfera del sol (6.000 ºK)
Ss = Flujo de Entropía que sale del sol (Donde Ss = Es/Ts)
W = Energía eléctrica generada por la célula fotovoltaica
Q = Calor generado en la célula y rechazado al medio ambiente
S = Flujo de Entropía que sale de la célula fotovoltaica hacia el medio ambiente
Ta = Temperatura ambiente (300 ºK)
Sg = Es un flujo de Entropía asociado al proceso de conversión de energía el cual nunca es negativo y generalmente es positivo o altamente positivo de acuerdo al tipo de conversor fotovoltaico que se utilise.




De acuerdo a la primera y a la segunda ley de la termodinámica, las ecuaciones de energía y de flujo de entropía en este dispositivo conversor son:

Es = W + Q

Ss + Sg = Q/Ta


Reemplazando Q en la ecuación no da:

Es  =  W  +  Ta  (Ss  +  Sg)


La ecuación de la eficiencia del dispositivo conversor es:

N  =  W / Es  =  (1 - Ta/Ts)   -   Ta Sg / Es


Cuando Sg es cero el la eficiencia de Carnot tiene un valor del 95%.

Lo que nos indica principalmente este valor de eficiencia de Carnot encontrado es que no podrá haber o existir ningún tipo de conversor o célula fotovoltaica que supere este valor de eficiencia en su funcionamiento, o sea, el valor máximo de eficiencia de conversión fotovoltaica que se puede esperar de una célula solar.


Eficiencia de Landsberg

En el caso del funcionamiento de la célula solar es un requisito indispensable que no se genere entropía durante la transmisión, absorción y conversión de la luz del sol en energía eléctrica, este requisito es muy difícil de satisfacer ya que en la etapa de transferencia de energía entre el sol y la célula, de acuerdo al análisis para el ciclo de Carnot se esta generando entropía, hecho que ocurre siempre en la transferencia de energía entre dos cuerpos ideales, salvo que los dos cuerpos tengan la misma temperatura (Este caso fue estudiado por Planck en 1959 y por De Vos y Pawels en 1983).
Este hecho de la generación de entropía durante la transmisión de energía desde el sol a la célula fue estudiado por Landsberg en 1980 y si bien nosotros no desarrollaremos como llegó a su resultado Landsberg indicó que la máxima eficiencia que pueda tener una célula fotovoltaica para que cumpla los requisitos mencionados es del 93,3%.


Este nuevo límite de Landsberg tampoco se considera como límite máximo de la eficiencia que puede tener una célula solar ya que se demostró que también existe una generación de entropía inevitable durante el proceso de absorción de la luz dentro de la célula fotovoltaica (Hecho estudiado por Pawels y De Vos en 1981 y por Martí y Araujo en 1996). Así que el límite máximo de eficiencia que tendrá una célula solar  también será menor a este valor de eficiencia máxima de Landsberg, pero igualmente se puede considerar que el límite real máximo de conversión fotovoltaica es muy cercano a este valor del límite de Landsberg.




Convertidores Solares Termofotovoltaicos


Los Convertidores Termofotovoltaicos (TPV) son dispositivos en los que una célula solar convierte la radiación emitida por un cuerpo caliente en electricidad.
Este emisor se puede calentar de distintas formas, ya sea por la combustión de un combustible convencional, o bien, como en el caso que nos interesa estudiar a nosotros por el aumento de temperatura que se produce en un cuerpo que esta expuesto a una irradiación de energía solar concentrada. Este cuerpo caliente al tener una alta temperatura emitirá una determinada radiación de luz en la que se trata de poner una célula fotovoltaica especialmente desarrollada para que transforme esta radiación que emite el cuerpo caliente en energía eléctrica.

Un esquema de cómo debe ser este tipo de dispositivos termofotovoltaicos se puede ver en la siguiente figura: 








Donde el cuerpo absorbedor de energía solar posee una superficie Ar y tiene que estar bajo un sistema de concentración solar que le permita aumentar su temperatura hasta unos 2.544 ºK (o bien unos 2.270 ºC aproximadamente) y una célula solar fotovoltaica monocromática que transforme la radiación que emite esta superficie caliente y que como muestra la figura deberá estar colocada en una cavidad espejada para que no haya pérdidas de la radiación del cuerpo caliente hasta la superficie de la célula solar y toda la radiación que emite este llegue hasta la célula solar.

En condiciones ideales, la máxima eficiencia de este tipo de conversores termofotovoltaicos es de 85,4% la cual se obtendría con una temperatura de la célula solar de 300 ºK (unos 27 ºC aproximadamente) y como dijimos con una temperatura del cuerpo absorvente de la radiación solar de 2.270 ºC.




Convertidores Solares Termoionicos


Otro concepto para la conversión de energía solar en energía eléctrica son los convertidores solares Termoionicos (TPH). Este tipo de dispositivos solares es similar a los conversores Termofotovoltaicos (TPV) pero en lugar de un cuerpo absorbedor de la luz solar se utiliza un diodo emisor de Luz o Led que trabaja a una temperatura menor que el caso anterior (alrededor de 1.000 ºC) por lo cual es mas fácil de llevar a la práctica ya que es muy difícil de conseguir un material que trabaje a las temperaturas requeridas por los TPV en buenas condiciones y sin que haya excesivas pérdidas de temperatura o cambios en el comportamiento o en las propiedades del material.

Un esquema de cómo debe ser este tipo de dispositivos termoiónicos se puede ver en la siguiente figura:







Como podemos ver el sistema es igual que en el caso del dispositivo TPV pero en este caso se cambia el cuerpo absorbedor de temperatura Ar por un diodo emisor de Luz Led.
Si este diodo emisor de luz (Led) trabaja o esta conectado en corto circuito, este dispositivo TPH se comporta exactamente igual que el dispositivo TPV, en cambio si nosotros le aplicamos un voltaje al led este cambiará sus propiedades y el calor propio del cuerpo del led (que esta absorbiendo la radiación solar por el sistema de concentración solar) se transformará en una luz monocromática que depende de las propiedades del semiconductor utilizado como led y luego esa luz monocromática emitida por este led es transformada en electricidad por una célula solar fotovoltaica que también debe ser monocromática para que el dispositivo tenga la máxima eficiencia y deberá estar alojada en una cavidad espejada como muestra la figura para que no se pierda la radiación emitida por el diodo.

Este tipo de convertidor solar tiene la misma eficiencia que el dispositivo TPV y es del orden del 85,4% pero el diodo emisor de luz deberá trabajar a unos 1.000 ºC la cual es considerablemente menor a la que requieren los convertidores TPV y como en su caso el Led puede ser calentado con radiación solar concentrada o por cualquier otra forma que genere calor como la combustión de combustibles fósiles tradicionales, pero como dijimos nuestro mayor interés es en su aplicación de convertidor de la energía solar en electricidad.





Células Multijuntura


Las células solares multijuntura son células solares que permiten obtener una alta eficiencia de conversión fotovoltaica. Las células solares convencionales de unión simple no tienen una alta eficiencia debido a las grandes pérdidas de energía solar por termalización de la luz solar, esto se debe a que no toda la energía que contienen los fotones de la luz solar se transforma en energía eléctrica, esto se debe a que los fotones de mayor energía que el gap del semiconductor de la célula fotovoltaica no transforman toda su energía eléctrica sino solamente la energía correspondiente a la del gap del semiconductor y el resto de la energía se transforma en calor dentro de la célula y además los fotones de menor energía del gap del semiconductor tampoco logran transformarse en energía eléctrica y se transforman también en calor dentro de la célula solar.
Para disminuir estás perdidas de energía mencionada lo que se trata de hacer en estas células multijuntura es poner distintos semiconductores con distintos gap de conversión fotovoltaica uno arriba de otro de manera que cada semiconductor transforme los fotones de energía solar mas cercanos a su gap de forma que no haya perdidas por termalización, ya sea por fotones de baja energía que no son aprovechados en la célula solar o por la perdida de energía que se produce en la transformación de los fotones de alta energía, ya que estos se transforman en electricidad en este tipo de células de multijuntura en un semiconductor de un gap parecido a la energía que tiene el fotón. Estas células solares se fabrican apilando los distintos semiconductores de distintos gap de modo que el de mayor gap quede arriba y los de menor gap vayan quedando abajo hasta que el último sea el de menor gap, así los fotones de mayor energía se transforman en corriente eléctrica en el primer semiconductor y los fotones de menor energía atraviesan este semiconductor sin transformarse en electricidad pero lo hacen en los semiconductores de mas abajo que tiene un gap menor al del primer semiconductor como se puede ver en la siguiente figura.



 

Esta figura muestra este tipos de células solares multijuntura donde se puede ver que en la parte superior se coloca el semiconductor con mayor gap que transforma en electricidad los fotones de mayor energía mientras que los fotones de menor energía que no son transformados por este semiconductor atraviesan el mismo hasta llegar a un semiconductor con un gap menor que transforma este fotón en energía eléctrica


Estas distintas células solares se conectan en serie de forma que la corriente eléctrica que atraviesa cada uno de ellos es la misma por lo tanto deben elegirse distintos semiconductores que apilados uno arriba de otro generen una corriente eléctrica similar cuando se exponen a la luz solar.
La principal aplicación de estas células solares debido a la altas eficiencia que se logran es para los satélites espaciales donde últimamente se están usando células triple unión con una eficiencia cercana al 35% para la radiación solar AM 0 que se encuentra en el espacio. Otra aplicación interesante que tiene estas células es utilizarlas en sistemas de generación de energía eléctrica a gran escala con sistemas de concentración del orden de los 1000 a 1, ya que si bien estás células solares tienen un costo de alrededor de los 10 u$s/cm2 en un sistema de concentración el costo total del sistema de generación resulta económico debido a la poca cantidad de célula solar que se necesita en el sistema. Hoy en día es mas barato usar paneles planos de silicio cristalino con sistemas de apoyo fijo que sistemas de concentración con sistema de seguimiento solar pero existen avances a nivel laboratorio que permitirían fabricar este tipo de células multijuntura a precios bajos y con alta eficiencia de modo de usarlas en los lugares donde ahora se usan los paneles solares cristalinos que se utilizan hoy en día y que tienen una eficiencia promedio del 16 al 20 % por este tipo de células multijuntura de puntos cuánticos de silicio que pueden tener eficiencias del orden del 40 al 60% para su uso en los distintos lugares de la superficie terrestre con la radiación solar estandard AM 1.5, lo cual se generaría mucha mas energía para la misma superficie utilizada, con un menor costo y con un rango de aplicaciones mayor ya que además de usarlas para generación de energía eléctrica para uso industrial o doméstico como se hace mayormente ahora también serían muy útiles para usarlas en los dispositivos que necesitas paneles solares de alta eficiencia como en los distintos sistemas de transporte como ferrocarriles, camiones, colectivos, automóviles, barcos y aviones entre otras aplicaciones en donde sea conveniente usar células solares de alta eficiencia.
La eficiencia máxima que se puede obtener en estás células solares es menor al límite de Landsberg del 93,3%, pero para un apilamiento infinito de células solares esta eficiencia llega a un máximo del 86,8% el cual es un muy buen valor de eficiencia de conversión fotovoltaica para la luz del sol con una concentración infinita o total en donde cuando la luz solar tiene una concentración muy alta o total algunos autores la nombran como Luz Solar Directa, en cambio a la luz del sol en la superficie de la tierra que se considera que tiene el espectro de radiación solar estandard AM 1.5 se le llama Luz Solar Global (o Difusa según el autor) la cual tiene un límite de eficiencia de conversión fotovoltaica máxima del 68,2%. Esta pérdida de eficiencia en las células solares sin concentración se debe a la recombinación radiativa que se produce en la célula solar en la superficie de la célula que esta de cara al sol, y que además las pérdidas de eficiencia de conversión fotovoltaica por este efecto tienen mayor influencia en las células solares que trabajan sin concentración que las que están bajo una alta concentración solar donde cuando la concentración se considera infinita o total estas perdidas se hacen mínimas. 



Tabla que muestra las diferentes eficiencias de las células fotovoltaicas Multijuntura o en Tandem que pueden tener de acuerdo a la cantidad de capas de semiconductores con distintos gap que se use. Como Luz Global (o Difusa) se llama a la luz solar del espectro estandard A:M 1.5 sin concentración y como Luz Directa cuando la luz del sol esta infinitamente concentrada.


En los casos donde tengamos una concentración parcial de la luz del sol y no infinita, la eficiencia total que tendrá esta célula solar será un valor intermedio a estos dos valores mencionados de eficiencia de conversión fotovoltaica, o sea, para un caso de una célula solar con un apilamiento infinito de células solares, será un valor superior al 68,2% pero inferior al 86,8%. La tabla mostrada anteriormente muestra los valores de eficiencia máxima que se pueden obtener en células multiunión de hasta 6 semiconductores distintos apilados con los valores de los gap que tiene que tener cada semiconductor para lograr esa eficiencia considerando como dijimos que estos semiconductores están conectados en serie y considerando las eficiencias para el uso de solo luz solar con máxima concentración o luz solar directa o luz solar sin concentración o luz solar Global (o Difusa).

Este tipo de de células solares de alta eficiencia son las que mayor avance tienen hasta el momento de los distintos tipos de células solares de alta eficiencia que hemos nombrado en este blog, y seguramente con los avances logrados a nivel de laboratorio en las células multiunión de puntos cuánticos de silicio serán uno de los tipos de células solares que mas se utilicen en el futuro debido a la gran eficiencia y al bajo costo de producción que prometen tener las mencionadas células solares de puntos cuánticos de silicio en el futuro próximo.




Células de banda intermedia


Las células de banda intermedia tienen la propiedad de que pueden aprovechar fotones con energía menor al gap del semiconductor, o sea, a la energía necesaria para realizar el salto del electrón de un nivel de energía a otro superior en el átomo. Esto es posible porque un electrón puede absorber uno de estos fotones de menor energía y pasar a un estado de mayor energía al anterior, llamado banda intermedia, luego si otro foton incidente le transmite la energía que le falta el electrón es liberado y pasa al nivel de energía necesario por el gap del conductor, generando entonces una corriente eléctrica. Mediante este mecanismo, es posible aprovechar fotones de baja energía, que se perderían en una célula convencional, para liberar electrones en dos pasos y generar así una corriente eléctrica en la célula solar.
El efecto de la banda intermedia fue descripto en 1997 por Antonio Luque y Antonio Martí, del Instituto de Energía Solar de España (IES), y si bien se han propuesto diversas alternativas para realizar una célula solar con estas características, se destaca la de la utilización de puntos cuánticos, que son estructuras de uno pocos nanómetros (un nanómetro es un millón de veces mas chico que un milímetro) que tienen esta propiedad de confinar electrones.
Uno de los principales resultados en este campo a sido la fabricación de células con banda intermedia utilizando como material de partida al Arseniuro de Galio (GaAs), y añadiendo a la estructura de capas una matriz de puntos cuánticos de Arseniuro de Indio (InAs). Lo mas relevante de dicho trabajo es que se consiguió medir por primera vez una corriente eléctrica suministrada por una célula de banda intermedia iluminada con luz infrarroja, cuyos fotones de baja energía no pueden ser absorbidos por una célula convencional; lo que constituye la primera demostración experimental concluyente del efecto de la banda intermedia y abre el camino a futuros desarrollos en este campo aunque todavía no existen este tipo de células solares a nivel comercial, pero si se ve como una alternativa interesante de tipo de célula solar ya que permite aprovechar los fotones de baja energía que en otro tipo de células solares aveces es muy difícil de conseguirlo.




Células de aprovechamiento de los fotones de alta energía


Las células actuales tienen el inconveniente de no poder aprovechar el exceso de energía de la luz muy energética, como la de la radiación ultravioleta. En efecto un dispositivo solar se observa que cada fotón solo libera un electrón, aunque tenga energía suficiente para liberar varios electrones. El exceso de energía se pierde en forma de calor, que contribuye a degradar la eficiencia de la célula. Sin embargo, es posible aprovechar mejor estos fotones con la utilización de puntos cuánticos de un tamaño de solo 8 nanómetros, donde experiencias realizadas este año han logrado conseguir generar 7 electrones por cada fotón incidente de alta energía.
Ademas, las últimas investigaciones parecen confirmar que la generación multiple es posible en puntos cuánticos de diferentes materiales, y que, por lo tanto, esta propiedad esta fundamentada en las propiedades de los nanoelementos y no de los materiales utilizados concretamente.
Es importante destacar que a pesar de los grandes avances realizados en este contexto, todavía es muy difícil que se logren dispositivos comerciales en un corto plazo, ya que no es posible todavía fabricar células reales donde el efecto de generación múltiple produzca resultados significativos ni tampoco conseguirlos a precios competitivos, dada la necesidad de seguir profundizando la física que rige estos nuevos conceptos y de desarrollar nuevos materiales y tecnologías de fabricación.




15 de abril de 2020

Vidrios fotovoltaicos en invernaderos

Células de silicio de lámina delgada para vidrios fotovoltaicos

El costo de las células fotovoltaicas depende de los tratamientos que requiere el material semiconductor de base, especialmente en producciones a gran escala, por lo que se presta gran interés al estudio y desarrollo de células más delgadas.
Las capas delgadas de silicio amorfo se caracterizan por la alta concentración de defectos.
El silicio cristalino es una estructura reticulada típica de un cristal, mientras que la estructura amorfa es muy irregular, aumentando con ello la posibilidad de absorción de luz debido a la mayor interacción de los fotones.
La estructura amorfa aumenta considerablemente la posibilidad de absorción de luz y de salto de un electrón hasta la banda de conducción.
Se utiliza como método de elaboración, la deposición de capas muy delgadas de silicio, sobre superficies de vidrio o metal.
De esa manera, pueden fabricarse en capa fina para semiconductores de 0,5 micrones frente a los 300 del silicio cristalino, por lo que tiende a reducirse los costos.
Tienen algunos inconvenientes sin embargo, como por ejemplo, se han detectado en algunos casos degradaciones en periodos largos y por otra parte son de difícil reproductividad.
Se están desarrollando otras aleaciones y nuevos materiales, que son más complicados química y estructuralmente, pero si se elaboran con una tecnología poco costosa a gran escala, pueden constituir un avance importante en el desarrollo de la tecnología fotovltaica.



Flores bajo un panel fotovoltaico de lámina delgada de silicio amorfo.


Como se puede ver en la figura anterior el panel fotovoltaico es translucido a ciertas longuitudes de ondas que no son absorvidas por el efecto fotovoltaico. Una transparencia exacta a los rayos que se necesitan en la fotosíntesis y el aprovechamiento de la energía de los restantes rayos solares para su conversión fotovoltaica puede ser muy útil en su aplicación conjunta para la producción de electricidad y agropecuaria en una misma superficie. La radiación solar que absorbe una planta corresponde a longitudes de onda entre 400 a 500 nm y 600 a 700 nm que corresponde aprox el 40 % de la energía solar irradiada, quedando cerca del 60% de la energía de la radiación solar sin usar por las mismas. Seguramente ésta aplicación es una opción productiva muy interesante a futuro.


Distribución espectral de la radiación solar

La radiación electromagnética que emite el sol, como muestra la figura mas abajo, es similar a la radiación electromagnética que emitiría un cuerpo negro en forma ideal a 6000 ºK. En la figura se puede apreciar el diagrama en color negro de la distribución espectral de dicha radiación, si bien, entre la superficie del sol donde se emiten los rayos solares y la superficie de la tierra no hay grandes absorvedores de dicha radiación la radiación que está en tropopausea terrestre, o sea, en el límite entre la atmosfera y la estratósfera donde gran parte de los rayos ultravioletas son absorvidos por la capa ozono de la estratósfera, la radiación solar en dicha superficie es como lo muetra el diagrama rojo de la figura, luego cuando la radición atraviesa la atmósfera una parte importante de dicha radiación (entre el 20 y 30%) es absorvida y reflejada por las partículas de humedad que forman la atmósfera no llegando totalmente a la superficie terrestre, sino, llega la radiación como lo demuestra el diagrama espectral en color celeste de la figura mencionada. En el diagrama también se pueden ver los límites correspondientes a la radiación ultravioleta, marcados como UV, la de la radiación visible, marcado como VIS, y de la radiación infrarroja, marcado como IR.
La energía solar que se irradia sobre la superficie terrestre corresponde a una energía de 1000 W/m2 aproximadamente para un dia de verano al mediodía, valor que se toma generalmente como valor pico o máximo de producción de los paneles solares.
También se puede ver en el diagrama que una parte importante de la radiación solar que llega hasta la tierra está compuesta por radiación infrarroja que es la radiación mas difícil de convertir a energía eléctrica ya que sus fotones tienen menos energía y es mas difícil de convertirla en energía eléctrica a través de las células solares fotovoltaicas convencionales.




Longuitudes de onda absorvidas por la fotosíntesis

Como dijimos las longitudes de onda absorbidas por la clorofila están entre los 400 a 500 nm y 600 a 700 nm y corresponden el 40 % de la energía solar que llega hasta la tierra aproximadamente, en el siguiente gráfico se puede ver el diagrama espectroscópico de absorción de luz de la clorofila donde muestra esta situación. Como se ve en el rango ultravioleta, verde e infrarrojo la clorofila no utiliza dichas longuitudes de onda para transformarla en energía química en la planta, por lo tanto, no es aprovechada por las mismas para su funcionamiento y puede ser utilizada por los vidrios fotovoltaicos para generar electricidad sin generar disminución en la producción agropecuaria que se realice bajo estos invernáculos, y así poder aprovechar la energía que no utiliza las plantas para convertirlas en energía eléctrica, lo que corresponde a un 60% de la energía solar que irradia sobre las plantas, el cual sería el máximo porcentaje teórico obtenible por una célula solar en un invernadero ya que luego hay que descontar las perdidas por la eficiencia propia de la célula fotovoltaica que se utilice para aprovechar este 60% de energía solar disponible sobre el total de la energía de la luz solar que irradia sobre el invernáculo.




Aprovechamiento del agua de evapotranspiración de las plantas en el invernáculo

Una forma de disminuir la necesidad de agua de riego en los invernaderos es aprovechar el agua de evapotranspiración de las plantas y volverlas a convertir en agua de riego, con lo que se podría disminuir de gran manera el agua consumida por el cultivo en su crecimiento, metodo que es utilizado cada vez mas en zonas áridas o semiáridas donde el agua de riego es difícil de obtener.
Para esto lo que se hace es utilizar un invernáculo hermético por el que no haya fugas de la humedad interior del invernáculo durante el dia y por la noche cuando la temperatura atmosférica baja, la humedad del interior del invernáculo se condensa y se convierte en agua que sirve para regar el cultivo al dia siguiente sin la necesidad de agregar grandes cantidades de agua para su posterior riego. Cabe destacar que la humedad que se mantiene en el interior del invernáculo en este caso también sirve para mantener la temperatura en el interior del invernadero durante la noche en regiones frías, ya que gran parte del calor que pierde el invernáculo es calor latente de evaporación del agua condensada.
Este método es muy interesante a futuro ya que si se utilizan vidrios fotovoltaicos para generar energía eléctrica en los invernaderos y así producir en una misma superficie energía eléctrica y productos agropecuarios, es muy fácil hacer que dicho invernadero también sea hermético y poder disminuir el agua de riego necesario en los cultivos de dichos invernaderos.
Una forma de lograr hermeticidad en los invernaderos es hacerlo en forma de pequeños túneles como muestran las siguientes figuras, ya que en este caso se puede sellar bien la cobertura del polietileno logrando una buena hermeticidad del interior del invernáculo la cual se va haciendo mas difícil de lograr hoy en dia cuando las dimensiones y las formas se hacen cada vez mas grandes.




11 de abril de 2020

Energia solar térmica

Radiación Solar. Efecto invernadero.

El sol está compuesto en un 90% de hidrógeno, un 7% de helio y un 3% del resto de elementos químicos. La energía se genera en el sol en un proceso nuclear de fusión por el que el hidrógeno solar se transforma en helio; esta energía se manifiesta primero en forma de rayos gamma, esta radiación gamma viaja hasta la superficie del sol interaccionando con la materia solar y transformandose en radiación ultravioleta (UV), radiación visible (V) y radiación infrarroja (IR). El sol emite al espacio exterior energía en forma de radiación electromagnetica. La radiación electromagnética es una forma de energía que no requiere medio material para desplazarse.
En el límite entre la atmósfera de la tierra y el espacio vacío la radiación solar es de 1.353 watios por metro cuadrado [W/m^2]. Este valor se llama constante solar, y supone un valor medio para toda la superficien que contiene a la atmósfera terrestre. Sin embargo la energía que llega a la superficie terrestre es menor debido a la interacción de los componentes de la atmósfera con la radiación solar. Primeramente la capa de ozono absorve radiación UV funcionando como una pantalla de radiaciones perjudiaciales para la vida terrestre. Tambien, parte de la radiación es reflejada de nuevo al espacio, y otra se atenúa en su choque con partículas y moléculas atmosféricas. Por término medio, en toda la superficie terrestre, la intensidad que llega es de unos 900 [W/m^2], de los que un 3% son UV, un 57% son V y un 40% IR.
La radiación global que llega a un punto sobre la superficie terrestre tiene tres componentes, la directa, la difusa y la reflejada. La radiación directa es la que llega sin interaccionar con nada y sin cambiosde dirección; es la más importante en un día soleado. La radiación difusa es producto de los choques de la radiación directa con las partículas y los componentes atmosféricos; es la radiación típica de los días nublados. La radiación reflejada , también llamada albedo, es la que llega procedente de la reflexión de la radiación directa en los elementos del entorno; cerca del mar o en las zonas con nieve esta componente cobra una enorme importancia.

La mayoría de los sistemas de captación de la energía de la radiación solar se basan en el efecto invernadero. El efecto invernadero es el fenómeno físico basado en lo siguiente:
La radiación solar visible que atraviesa una superficie transparente o translúcida, se invierte en elevar la temperatura del elemento situado al otro lado de la misma. Cuando un cuerpo eleva su temperatura por encima de la temperatura de su entorno, emite calor en forma de radiación infrarroja IR. Los materiales transparentes a la radiación visible, vidrios o pláticos, son muy poco transparentes a la radiación infrarroja. Es por este motivo por lo que podemos construir una trampa de calor situando una superficie negra en el interior de una caja cerrada, de manera que una de sus caras esté cubierta por un cristal o plástico transparente a la radiaci´n visible. Ver siguiente figura.

Colectores Solares.

Se define colector solar a los dispositivos que absorben la radiación solar incidente sobre él y transfieren la energía a un fluido que circula a través del mismo.
Existe una gran variedad de colectores solares, dependiendo su elección de la aplicación a que se destinan, su eficiencia y el costo de los materiales que están fabricados.
Normalmente los colectores solares son clasificados según el grado de concentración de la energía solar captada. Para los colectores solares térmicos suele definirse el grado de concentración, en base a las caracteristicas geométricas de acuerdo a la relación siguiente:
I = Ac / Ar
Donde:
I: Índice o grado de concentración.
Ac: Área de captación del colector (m^2).
Ar: Área de recepción del colector (m^2).
Puede tambien definirse como la relación entre la intensidad del sol y la que se hace incidir sobre el receptor. De esa manera, en la práctica, teniendo en cuenta los índices de concentración, pueden clasificarse los clectores solares en dos grandes grupos:
  • Colectores planos (índice de concentracion I = 1)
  • Colectores de concentración ( índices I > 1)

Colectores planos para agua caliente de baja temperatura.

El colector plano consiste en la captación solar sobre un panel que presenta una superficie absorbente a las radiaciones solares. En el panel se calienta agua, aire u otro fluido utilizado como transportador de calor. El grado de concentración solar I en este caso es la unidad, dado que la superficie de captación y absorción es prácticamente la misma.
El colector plano para agua caliente es el colector más utilizado en la práctica, y se destina para la provisión de agua caliente para el consumo domiciliario o calefacción, consta de las siguientes partes (ver figura 1 y 2):
  1. Cubierta transparente
  2. Placa de fondo o lámina negra (de metal negro)
  3. Tubos de metal (hierro galvanizado o cobre)
  4. Colector de metal
  5. Caja
  6. Aislante térmico

En la figura 2 se muestra un corte del colector plano que está constituido por una caja de hierro galvanizado hermética, en cuya cara superior se encuentra una cubierta transparente de vidrio. En su interior contiene una chapa absorbente que está unida a las tuberías de hierro galvanizado o de cobre. La parte inferior está constituida por una capa aislante de lana de vidrio, mineral, u otros materiales; a fin de impedir la pérdida de calor hacia abajo.

Cubierta Transparente.

Su función es permitir el paso de los rayos solares que inciden sobre la placa del colector y al mismo tiempo producir el efecto invernadero. Es así que al elevarse la temperatura de la placa, ésta transmite su calor por contacto directo a los tubos conductores del agua, los que a su vez calientan el agua que contienen.
No todo el calor absorbido es utilizado, dado que la placa emite a su vez calor por radiación, al calentarse dentro de la banda infrarroja. Sin embargo, como la cubierta de vidrio no es transparente a este tipo de radiaiones, evita de esta manera que parte del calor atrapado vuelva a escapar a la atmósfera.

Placa de Fondo o Lámina Negra.

Es el elemento que recibe los rayos solares y permite aumentar la superficie de captación, pues el área neta de los tubos por los que circula el agua es insuficientepara lograr el calentamiento por efecto solar. De esa manera, se adosa a los caños dicha lámina, que lleva integrado un proceso de pintura o un tratamiento de ennegrecimiento, denominada "superficie selectiva".
La superficie o tratamiento selectivo tiene la propiedad de tener una alta absorcion a la energía emitida por el sol y una baja emisividad. Esta capa puede realizarse, por ejemplo, oxidando la superficie de la placa o la lámina, haciéndola opaca y negruzca. El material de la placa debe ser muy buen conductor del calor, pudiendose utilizar chapa negra o galvanizada, aluminio, cobre u otros materiales.

Tubos.

Por los tubos circula el agua, la cual se calienta por el contacto con la pared de los mismos, siendo muy importante que estén construidos por un material que sea buen conductor térmico, como por ejemplo hierro galvanizado o mejor cobre, bronce, latón, aluminio, u otro material.
Es fundamental que la superficie de contacto de estos tubos con la lámina de captación sa lo más eficiente posible, para una ejor transferencia del calor.

Aislante Térmico.

Este componente del colector sirve para evitar las fugas de calor por la parte inferior del mismo por conducción. El aislamiento utilizado debe ser adecuado para soportar altas temperaturas, pudiendo aplicarse fibras de vidrio, lana mineral, u tros aislantes.

Caja.

Consiste en el armazón que contiene los elementos integrantes del colector solar, protegiéndolos de las inclemencias del tiempo. Deben ser herméticas y estar construidos de modo que tengan una resistencia mecánica adecuada, pudiendo utilizarse, chapa de hierro galvanizado, aluminio, plastico, etc.
La hermeticidad del colector es un aspecto muy importante, dado los problemas que se han presentado en la práctica, como ser la acumulación de suciedad dentro del mismo, especialmente en la parte interior de la cubierta transparente.
Los colectores se fabrican en diversas medidas, siendo la mas usual de 2 X 1 Metros, y se colocan fijos sobre armaduras de sustentación. Según la necesidad ed calor requerido, puede ser necesaria la utilización de varios colectores los cuals se unen unos con otros hasta lograr la superficie de captación requerida.

Otros tipos de colectores solares de baja temperatura.

En general los colectores planos descriptos anteriormente tienen una pérdida de calor importante dado que si bien el vidrio no deja escapar el calor en forma de radiación infrarroja, aumenta su temperatura por efecto del aire caliente por convección, transmitiendo el calor al exterior por conducción y convección, cuando la temperatura es más baja.
Estas pérdidas pueden ser importantes en climas fríos, por lo que en muchos casos se recurre a colocar 2 ó 3 vidrios para reducirlas.
Sin embargo, si bien se han introducido una serie de mejoras tendientes a aumentar la eficiencia térmica de los colectores planos, su aplicación está destinada a la producción de agua caliente para el consumo domiciliario o eventualmente a instalaciones de calefacción, que requieren temperaturas de trabajo de 70 a 80 ºC o menores.






Un tipo de colector solar que se a popularizado mucho estos últimos años es el colector de tubos de vacío como se ve en la figura de arriba, donde como podemos ver en las figuras siguientes los tubos de vacío son de un doble vidrio templado con vacío en el medio del doble vidrio y pintado en su interior con una pintura selectiva de absorción solar lo que hace que este sistema tenga un muy buen rendimiento térmico aun en bajas temperaturas como el invierno. Como desventaja se puede decir que los tubos so un poco frágiles y deben ser protegidos con alguna malla o cubierta en zonas que existe posibilidades de tener mucho granizo. Este tipo de equipos es de sencilla construcción y el movimiento de agua se hace por el efecto de termosifón donde el agua sube a medida que se calienta por el interior del mismo tubo de vacío.













En estos tubos de vacío la radiación solar penetra por el tubo de vidrio y llega hasta la pintura selectiva en la parte interior del tubo donde es absorvida y transformada en calor, aumentando la temperatura del agua que circula por dentro de los tubos, además como la pintura es del tipo selectiva como dijimos no irradia calor hacia el exterior y como existe vacío entre los dos tubos de vidrio el calor no se conduce hasta el exterior y hay muy pocas pérdidas de temperatura por el tubo por esto este tipo de colectores tiene una muy buena eficiencia térmica.



Colectores de concentración para fluidos a altas temperaturas.

En estos tipos de clectores se utilizan espejos que concentran la radiación solar sobre un foco determinado a través de una linea denominada eje focal, donde se ubica el receptor.
El colector de concentración consta de tres partes básicas:
  1. Reflector y/o lentes.
  2. Substancia de absorción.
  3. Estructura de alojamiento y soporte.

El índice de concentración varía según las características constructivas, desde valores muy pequeños del orden de 2 con sistemas concentradores muy simples, hasta valores de 1000 o más, en sistemas sofisticados. En general. Estos tipos de colectores suelen instalarse con sistemas automáticos de seguimiento solar de gran precisión, demdiante servomecanismos.
Se pueden mencionar los siguientes colectores de concentración:
  • Colector lineal
  • Colector puntual
Colector Lineal

Un colector de concentración lineal está formado básicamente por un cilindro parabólico en forma de espejo y un tubo ubicado en el foco de la parábola, por el cual circula el fluido a calentar, como se indica en las siguientes figuras.












En la primer figura se detalla la característica de montaje de un colector de concentración lineal. El índice de concentración varía de 15 a 50 y la temperatura que puede alcanzar el fluido se sitúa entre los 500 y 600 ºC, dependiendo de la configuración del sistema.
El eje de este colector se monta en la dirección norte-sur, pudiendo efectuarse un seguimiento de la altura solar mediante el movimiento de la superficie reflectora, o eventualmente mediante el desplazamiento del eje focal a través de un sistema de servomecanismo automático.
De esa manera, mediante la parábola reflectora, los rayos solares se concentran sobre la línea focal, calentando el fluido térmico que generalmente es aceite que circula por el interior del tubo receptor central que se puede ver en la figura de arriba de la derecha. Este tipo de receptor central esta construido con un alto vacío y una pintura selectiva que tiene la absorción del 97% de un cuerpo negro ideal y la emisión de radiación del 6 al 7 % del cuerpo negro ideal casi 
igualando la radiación emitida por un cuerpo blanco ideal a dicha temperatura, lo que hace que tenga un alto grado de captación de la energía solar y así poder llegar a las altas temperaturas que llega.

Colector Puntual

El colector de concentración puntual, presenta un índice de concentración mucho mayor que las anteriores, alcanzando índices de concentración de más de 500. Este colector está basado en una superficie de revolución reflectora que concentra la radiación solar sobre un punto focal en la cual se encuentra una pequeña caldera formada por varios tubos concéntricos.

Por ellos circula el fluido térmico que generalmente es aceite especial, que alcanza temperaturas superiores a los 1.000 ºC. En la figura 3 se señalanlas características de este tipo de colector, en forma esquemática. La operación correcta de este tipo de colectores depende en gran medida del estado de mantenimiento de las superficies reflñectoras y del mecanismo de rastreo, especialmente en zonas de alta contaminación atmosférica. Por esto, resulta más adecuado para regiones con cielos limpios y despejados, en donde la mayor parte de la radiación es directa.
Las elevadas temperaturas que pueden obtenerse permiten usar satisfactoriamente este tipo de colectores en sistemas solares de frío y climatización.


Posición del colector solar

Para obtener el mayor rendimiento del colector solar, es necesario que tenga una dirección que vaya siguiendo la trayectoria del sol durante el día. Sin embargo en la mayoria de las instalacione simples, la ubicación del colector es fija, por lo que debe dotarse a su emplazamiento de determinadas características que hacen a dos aspectos básicos:
  • Orientación
  • Inclinación

Orientación

La orientación óptima del colector es que su superficie de captación este dirigida hacia el norte (en el hemisferio sur), dado que permite aprovechar el mayor número de horas del sol, independientemente de la estación del año y de la latitud de emplazamiento.
En aquellos casos en que esa colocación no sea posible por condiciones constructivas como obstrucciones, sombras, etc. Debe orientarse tratando de asegurar el mayor número de horas de sol. Para ello debe buscarse no desviarse de la orientación norte mas de 20º

Inclinación del colector

La inclinación del colector es aquella que se asegura la mayor captación de energía solar, lo que depende de dos factores:
  1. Latitud del lugar de emplazamiento.
  2. Período de utilización durante el año.

El cálculo exacto es muy largo, por lo queen la práctica se recurre a establecer la inclinación del clector en función de las siguientes reglas, que permiten determinar con suficiente aproximadación, de acuerdo al período de uso:
  • Para el período de verano, eñ ángulo de inclinación debe ser igual a la latitud del lugar menos 20º.
  • Para el período de invierno, el ángulo de inclinación será igual a la latitud del lugar más 10º.
  • Para el uso del colector durante todo el año, la inclinación será igual a 0,9 de la latitud del lugar.

Por ejemplo, para la ciudad de Buenos Aires, con 35º de latitud sur, corresponden las siguientes inclinaciones, según los períodos de aplicación a que están destinados los colectores.
  • Verano: Para refrigeración solar: 35º - 20º = 15º
  • Invierno: Para procvisión de agua caliente de uso domiciliario o calefacción: 35º + 10º = 45º
  • Todo el año: 0,9 x 35º = 31,5º

En la siguiente figura se detalla lo indicado precedentemente.


Equipo integral de calentamiento de agua solar

A fin de reducir costos, espacios y simplificar notablemente el montaje, se fabrican equipos para producción de agua caliente integrales, en los que el tanque de acumulación viene directamente incorporado al colector. En estos sistemas la circulación es por termosifón, ubicándose el tanque de almacenamiento en la parte superior del equipo, tal como se muestra en la siguiente figura:

Estos equipos ya vienen, incluso, con una resistencia eléctrica de inmersión adicional para el caso de no contarse con el suministro de calor solar, en períodos excepcionales.

En la segunda figura se detalla la forma de montaje en el caso de instalarse sobre un techo de tejas con pendiente.


Captación de energía de distintos tipos de colectores solares durante el año
 


 
Fuentes consultadas:

Libro: "Energía Solar", Autor: Nestor Quadri, Editorial: Librearía y Editorial Alsina, 3º Edición, 2003.

Libro: "Energías Renovables", Autor: Mario Ortega Rodríguez, Editorial: Parainfo, 2003.