Capitulo 3 celdas solares



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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ORIZABA

DEPTO. DE ING. ELECTRÓNICA UNIDAD 3




CAPÍTULO 3 CELDAS SOLARES.
3.1 Construcción.

Fabricación de un panel fotovoltaico:


Un panel fotovoltaico esta formado por un conjunto de celdas solares conectadas eléctricamente entre si en serie y paralelo hasta conseguir el voltaje adecuado para su utilización.


Este conjunto de celdas esta envuelto por unos elementos que le confieren protección frente a los agentes externos y rigidez para acoplarse a las estructuras que los soportan.
Los elementos son los siguientes:
Encapsulante.

Constituido por un material que debe presentar una buena transmisión a la radiación y una degradabilidad baja a la acción de los rayos solares.


Cubierta exterior de vidrio templado.

Que a parte de facilitar al máximo la transmisión luminosa, debe resistir a las condiciones climatológicas mas adversas y soportar cambios bruscos de temperatura.


Cubierta posterior.

Constituida normalmente por varias capas opacas que reflejan la luz que ha pasado entre las células, haciendo que vuelvan a incidir otra vez sobre estas.


Caja de terminales.

Incorpora los bornes para la conexión del modulo.


Diodo de protección.

Impiden daños por sombras parciales en la superficie del panel.




Paneles policristalinos y monocristalinos.

Los paneles fotovoltaicos están compuestos por células fotovoltaicas de silicio monocristalino ó policristalino. La diferencia entre una y otra radica en el procedimiento de fabricación. Las células de silicio monocristalino se obtienen a partir de silicio muy puro, que se refunde en un crisol junto con una pequeña proporción de boro. Una vez que el material se encuentra en estado liquido se le introduce una varilla de “cristal germen” de silicio, que se va haciendo recrecer con nuevos átomos procedentes del liquido, que quedan ordenados siguiendo la estructura del cristal. De esta forma se obtiene un monocristal dopado, que luego se corta en obleas de aproximadamente 3 décimas de milímetro de grosor. Estas obleas se introducen después en hornos especiales, dentro de los cuales se difunden átomos de fósforo que se depositan sobre una cara y alcanzan una cierta profundidad en su superficie. Posteriormente y antes de realizar la serigrafía para las interconexiones de superficies, se recubren con un tratamiento antireflexivo de bióxido de titanio o zirconio.


En las células policristalinas, en lugar de partir de un monocristal, se deja solidificar lentamente sobre un molde de pata de silicio, con lo cual se obtiene un sólido formado por muchos pequeños cristales de silicio, que pueden cortarse luego en finas obleas policristalinas.
3.2 Efecto fotovoltaico.

Sistema fotovoltaico:
Un sistema fotovoltaico es un dispositivo que, a partir de la radiación solar, produce energía eléctrica en condiciones de ser aprovechada por el hombre. El sistema consta delos siguientes elementos; los cuales también se podrán observar en las figuras 3.2.a y 3.2.b.


  • El generador solar, compuesto por un conjunto de paneles fotovoltaicos, que captan la radiación luminosa procedente del sol y la transforman en corriente continua a baja tensión (12 o 24 volts).




  • El acumulador, que almacena la energía producida por el generador y permite disponer de corriente eléctrica fuera de las horas de luz ó días nublados.




  • El regulador de carga, cuya misión es evitar sobrecargas ó descargas excesivas al acumulador, que le produciría daños irreversibles; y asegurar que el sistema trabaje siempre en el punto de máxima eficiencia.




  • Un inversor (opcional), que transforma la corriente continua de 12 ó 24 v almacenada en el acumulador, en corriente alterna de 120 vac.



Fig. 3.2.a Instalación solar fotovoltaica sin inversor, utilización a 12 vcc.


Fig. 3.2.b Instalación solar fotovoltaica con inversor, utilización a 120 vca.


Una vez almacenada la energía eléctrica en el acumulador hay dos opciones: Sacar una línea directamente de este para la instalación y utilizar lámparas y elementos de consumo de 12 ó 24 vcc ó bien transformar la corriente continua en alterna de 230 vac, a través de un inversor.
Funcionamiento del panel solar:
La producción esta basada en el fenómeno físico denominado “efecto fotovoltaico”, que básicamente consiste en convertir la luz solar en energía eléctrica por medio de unos dispositivos semiconductores denominados células fotovoltaicas. Estas células están elaboradas a base de silicio puro (uno de los elementos mas abundantes, componente principal de la arena) con una adición de impurezas de ciertos elementos químicos (boro y fósforo), y son capaces de generar una corriente de 2 a 4 amperios, a un voltaje de 0.46 a 0.48 volts, utilizando como fuente la radiación luminosa. Las células se montan en serie sobre paneles ó módulos solares para conseguir un voltaje adecuado. Parte de la radiación incidente se pierde por reflexión (rebota) y otra parte se por transmisión (atraviesa la célula). El resto es capaz de hacer saltar electrones de una capa a la otra creando una corriente proporcional a la radiación incidente. La capa antirreflejo aumenta la eficiencia de la célula; el efecto fotovoltaico se muestra en la figura 3.3.

Fig. 3.3 Efecto fotovoltaico en una célula solar.



La vida útil de un panel fotovoltaico.

Teniendo en cuenta que el panel carece de partes móviles y que las células y los contactos van encapsulados en una robusta resina sintética, se consigue una muy buena fiabilidad junto con una larga vida útil, del orden de 30 años ó más. Además se una de las células falta, esto no afecta al funcionamiento de las demás, y la intensidad y el voltaje producidos pueden ser fácilmente ajustados añadiendo o suprimiendo células.


Las instalaciones fotovoltaicas requieren un mantenimiento mínimo y sencillo, que se reduce a las siguientes operaciones:


  • Paneles. Requieren un mantenimiento nulo ó muy escaso, debido a su propia configuración, no tienen partes móviles y las células y sus conexiones internas están encapsuladas en varias capas de material protector. Es conveniente hacer una inspección general 1 o 2 veces al año, asegurarse de que las conexiones entre paneles y al regulador estén bien ajustadas y libres de corrosión. En la mayoría de los casos, la acción de la lluvia elimina la necesidad de limpieza delos paneles; en caso de ser necesario, simplemente utilizar agua y algún detergente no abrasivo.

  • Regulador. La simplicidad del equipo de regulación reduce sustancialmente el mantenimiento y hace que las averías sean muy escasas. Las operaciones que se pueden realizar son las siguientes: Observación visual del estado y funcionamiento del regularos. Comprobación del conexionado y cableado del equipo. Observación de los valores instantáneos del voltímetro y amperímetro; dan un índice del comportamiento de la instalación.

  • Acumulador. Es el elemento de la instalación que requiere una mayor atención, de su uso correcto y buen mantenimiento dependerá en gran medida su duración. Las operaciones usuales que deben realizarse son las siguientes: Comprobación del nivel del electrolito (cada 6 meses aproximadamente): Debe mantenerse dentro del margen comprendido entre las marcas de máximo y mínimo. Si no existen estas marcas, el nivel correcto del electrolito es de 20 mm por encima del protector de separadores. Si se observa un nivel inferior en alguno de los elementos, se deben rellenar con agua destilada. No debe rellenarse nunca con ácido sulfúrico. Al realizar la operación anterior debe comprobarse también el estado de los terminales de la batería; debe limpiarse de posibles depósitos de sulfato y cubrir con vaselina neutra todas las conexiones. Medida de la densidad del electrolito (si se dispone de un densímetro): Con el acumulador totalmente cargado, debe ser de 1.240 +/- 0.01 a 20 ºC. Las densidades deben ser similares en todos los vasos. Diferencias importantes en un elemento es señal de posibles averías.


Aplicaciones de los paneles solares.

Prácticamente cualquier aplicación que necesite electricidad para funcionar se puede alimentar con un sistema fotovoltaico adecuadamente dimensionado. La única limitación es el costo del equipo y en algunas ocasiones el tamaño del campo de paneles. No obstante, en lugares remotos alejados de la red de distribución eléctrica, lo más rentable suele ser instalar energía solar fotovoltaica antes que realizar la conexión a la red.


Entre las principales aplicaciones se incluyen, electrificación de viviendas, sistemas de bombeo y riego, iluminación de carreteras, repetidoras de radio y televisión, depuradoras de aguas residuales, satélites, esto se muestra en la figura 3.4.
paneles fotovoltaicos

Fig. 3.4 Los satélites para su funcionamiento utilizan celdas solares.


Existen otros elementos, pero que no son eléctricos, pero aprovechan la energía del sol para sustituir ó compensar algún energético como electricidad, petróleo, etc.
Estos elementos ocupan la radiación del sol para calentar algo, como agua, cocinar, fundir, etc. Básicamente el panel solar transforma la energía solar en energía eléctrica. La materia que estudia todos estos elementos se llama energía solar o energía renovable.
Muchos de estos elementos son hornos solares (fundidoras de metal). Estufas solares, calefacción solar (enfriar o calentar el ambiente de un cuarto) y muchos otros como se muestra en la figura 3.5.

Fig. 3.5 El calentador solar entibia el agua de la alberca.


3.3 Baterías y acumuladores.

Los acumuladores, en un arreglo solar tienen una doble función. Estos deben de proveer de potencia a la carga cuando no haya luz solar disponible y amortiguar las variaciones de energía; la función de los módulos solares es recargar diariamente estas baterías ó acumuladores.


El tipo de acumuladores utilizados en los arreglos fotovoltaicos son los llamados de ciclo profundo, pueden ser como los tradicionales de plomo ácido o las baterías selladas libres de mantenimiento. No se deben usar acumuladores automotrices ya que no están diseñados para este propósito. Los acumuladores de ciclo profundo para los sistemas fotovoltaicos están diseñados para ser descargados lentamente durante muchas horas, sin ser recargados completamente por varios días o semanas, sin que por ello sufran daños y se reduzca su vida útil.
Es importante conocer el funcionamiento de un regulador o controlador de carga, porque éste es necesario cuando se utilizan las baterías. El controlador de carga es un dispositivo electrónico que regula el estado de carga entre límites preestablecidos. El voltaje de las baterías se mide y se toma como factor principal para estimar el estado de carga, además del voltaje, algunos controladores miden la temperatura de la batería. Es muy importante el uso de un controlador de carga para incrementar la vida útil de su banco de baterías. Existen algunos que incluso desconectan la carga cuando la batería está por descargarse (desconexión por bajo voltaje LVD).


Principales Desperfectos de las Baterías:


  • Oxidación de los bornes.

  • Grietas en tapas y paredes de la caja.

  • Autodescarga acelerada de la batería.

  • La densidad del electrolito alterada.

  • Sulfatación de las placas.

  • Destrucción anticipada de las placas.

  • Cortocircuito.


Almacenamiento:


  • Almacenar las baterías desmontadas en zonas secas.

  • Limpiar los bornes y engrasarlos; frotar en seco la superficie de la batería.

  • Comprobar la densidad del electrolito cada 15 días.

  • Colocar la batería en fila con los bornes. Hacia arriba y los tapones bien enroscados.

  • Proteger las baterías de la acción directa de los rayos solares.

  • Si se almacenan por un periodo mayor de 30 días, suministrarle carga mensual.


Comprobación del Estado Técnico:


  • Por inspección exterior se verifican.

  • La limpieza de la superficie y las tapas.

  • Existencia de grietas en las paredes de las cajas.

  • Grado de oxidación de los bornes.

  • Por balanceo de los bornes se revela si hay juego dentro de los casquillos de plomo.

  • Verificar la limpieza de los orificios de ventilación y el nivel de electrolito.

  • Si al desenroscar los tapones se observa el desprendimiento de burbujas de gas del electrolito, ello testimonia la formación de corrientes locales dentro de la sustancia activa de las placas.

  • Comprobar la densidad del electrolito para el acumulador descargado no debe ser menor de 1,15 g/cm; mientras que para el acumulador cargado debe estar entre 1,24 a 1,25 g/cm.



Reglas de seguridad durante la carga:


  • Apretar bien los bornes para evitar el arco eléctrico.

  • Al cargar deben estar abierto los orificios de llenado, e inspeccionar los tapones de ventilación.

  • Efectuar correctamente las mediciones de densidad y voltaje con los instrumentos pertinentes.

  • No fumar ni encender fuego en los locales para cargas de baterías.

  • Si cae electrolito en los ojos del operario, lavarlos con solución de 10% de bicarbonato de sodio y acudir de inmediato al médico.

  • Emplear caretas delanteras y guantes en manos.

  • La formación de burbujas indica desprendimiento de oxigeno o hidrógeno.

  • Las baterías deben estar marcadas y registradas.



Servicio de baterías:


  • Marcar y registrar la batería.

  • Limpieza externa

  • Desenroscar los tapones de ventilación y checar los orificios de salida de cada uno de los casos, de estar sellados eliminar la obstrucción.

  • Situar la batería en la zona de carga, suministrarle a cada celda el electrolito (1,240 gr/cm a 200°C) hasta el nivel requerido de 1cm. Sobre la porción superior de las placas.

  • Esperar de 3 a 5 horas y verificar la temperatura del electrolito que no deberá superar los 350 °C.

  • Ajustar el cargador con el valor asignado.

  • Conectar los polos de la fuente de energía (cargador) a los bornes de la batería (+ y -).

  • Comenzar el suministro por un periodo de 15 horas, verificar las temperaturas y las densidades cada 3 horas, durante este proceso la temperatura no sobrepasará los 430°C, en caso de ocurrir interrumpir la carga y dejar enfriar hasta el valor asignado.

  • Durante las últimas 3 horas de cargas verificar la temperatura y densidad del electrolito cada una hora haciendo la corrección a 200 °C, si los valores son mantenidos en este intervalo de tiempo, la batería se considera cargada y estará lista para entrar en explotación o uso.


Preparación del Electrolito:


  • Para preparar el electrolito se debe partir de un ácido sulfúrico puro con densidad de1840 Kg./m a una temperatura de 150°C. Este ácido servirá de base para preparar la solución madre con densidad de 1400Kg/m a 150°C.

  • Para obtener la solución base aludida, se requiere de las siguientes proporciones volumétricas por litros.

  • Ácido (1840) -- 0,401 l.

  • Agua Destilada -- 0,662 l.

  • A partir de esta solución base, se podrá obtener lo que finalmente se requiere emplear como electrolito para el funcionamiento de la batería. La proporción para obtener un litro de este producto final con densidad de 1230 kg/m a 150°C será.

  • Solución Base (1400 kg/m) -- 0,568 l.

  • Agua Destilada -- 0,445 l.

  • Se debe resaltar que durante la preparación de cada solución se debe realizar la corrección a la temperatura ambiental.

3.4 Algo más acerca de las celdas solares. Las celdas solares de silicio se elaboran utilizando planchas ( wafers) monocristalinas, planchas policristalinas ó láminas delgadas.


Las planchas monocristalinas (de aproximadamente 1/3 a 1/2 de milímetro espesor) se cortan de un gran lingote monocristalino que se ha desarrollado a aproximadamente 1400°C, este es un proceso muy costoso. El silicio debe ser de una pureza muy elevada y tener una estructura cristalina casi perfecta.

Las planchas policristalinas son realizadas por un proceso de moldeo en el cual el silicio fundido es vertido en un molde y se lo deja asentar. Entonces se rebana en planchas. Como las planchas policristalinas son hechas por moldeo son apreciablemente más baratas de producir, pero no tan eficiente como las celdas monocristalinas. El rendimiento más bajo es debido a las imperfecciones en la estructura cristalina resultando del proceso de moldeo.

En los dos procesos anteriormente mencionados, casi la mitad del silicio se pierde como polvo durante el cortado.

El silicio amorfo, una de las tecnologías de lámina delgada, es creado depositando silicio sobre un substrato de vidrio de un gas reactivo tal como silano (SiH4). El silicio amorfo es una de grupo de tecnologías de lámina delgada. Este tipo de célula solar se puede aplicar como película a substratos del bajo costo tales como cristal ó plástico. Otras tecnologías de lámina delgada incluyen lámina delgada de silicio multicristalino, las celdas de seleniuro de cobre e indio/sulfuro de cadmio, las celdas de teluro de cadmio/sulfuro del cadmio y las celdas del arseniuro de galio. Las celdas de lámina delgada tienen muchas ventajas incluyendo una deposición y un ensamblado más fácil, la capacidad de ser depositadas en substratos o materiales de construcción baratos, la facilidad de la producción en masa, y la gran conveniencia para aplicaciones grandes.

En la producción de celdas solares al silicio se le introducen átomos de impurezas (dopado) para crear una región tipo p y una región tipo n de modo de producir una unión p-n. El dopado se puede hacer por difusión a alta temperatura, donde las planchas se colocan en un horno con el dopante introducido en forma de vapor. Hay muchos otros métodos de dopar el silicio. En la fabricación de algunos dispositivos de lámina delgada la introducción de dopantes puede ocurrir durante la deposición de las láminas o de las capas.

Un átomo del silicio tiene 4 electrones de valencia (aquellos más débilmente unidos), que enlazan a los átomos adyacentes. Substituyendo un átomo del silicio por un átomo que tenga 3 ó 5 electrones de la valencia producirá un espacio sin un electrón (un agujero) o un electrón extra que pueda moverse más libremente que los otros, ésta es la base del doping. En el doping tipo p, la creación de agujeros, es alcanzada mediante la incorporación en el silicio de átomos con 3 electrones de valencia, generalmente se utiliza boro. En el dopaje de tipo n, la creación de electrones adicionales es alcanzada incorporando un átomo con 5 electrones de valencia, generalmente fósforo. Ver figura 3.6.



efecto fotoelectrico

Fig. 3.6 Composición de una celda solar.



Una vez que se crea una unión p-n, se hacen los contactos eléctricos al frente y en la parte posterior de la célula evaporando ó pintando con metal la plancha. La parte posterior de la plancha se puede cubrir totalmente por el metal, pero el frente de la misma tiene que tener solamente un patrón en forma de rejilla o de líneas finas de metal, de otra manera el metal bloquearía al sol del silicio y no habría ninguna respuesta a los fotones de la luz incidente.

Paneles fotovoltaicos.

Puesto que una sola célula fotovoltaica tiene un voltaje de trabajo cercano a 0.5 v, estas generalmente se conectan juntas en serie (positivo con negativo) para proporcionar voltajes más grandes. Los paneles se fabrican en una amplia gama de los tamaños para diversos propósitos que generalmente caen en una de tres categorías básicas:


  • Paneles de bajo voltaje / baja potencia son confeccionados conectando entre 3 y 12 segmentos pequeños de silicio amorfo fotovoltaico con un área total de algunos centímetros cuadrados para obtener voltajes entre 1.5 y 6 v y potencias de algunos milivatios. Aunque cada uno de estos paneles es muy pequeño, la producción total es grande. Se utilizan principalmente en relojes, calculadoras, cámaras fotográficas y dispositivos para detectar la intensidad de luz, tales como luces que se encienden automáticamente al caer la noche.



  • Paneles pequeños de 1 - 10 vatios y 3 - 12 v, con áreas de 100cm2 a 1000cm2 son hechos ya sea cortando en pedazos celdas mono ó policristalinas de 100cm2 y ensamblándolas en serie, o usando paneles amorfos de silicio. Los usos principales son en radios, juguetes, bombeadores pequeños, cercas eléctricas y cargadores de baterías.



  • Los paneles grandes, de 10 a 60 vatios, y habitualmente 6 o 12 voltios, con áreas de 1000cm2 a 5000cm2 son generalmente construidos conectando de 10 a 36 celdas del mismo tamaño en serie. Se utilizan individualmente para bombeadores pequeños y energía de casas rodantes (luces y refrigeración) o en conjuntos para proporcionar energía a casas, comunicaciones, bombeadores grandes y fuentes de energía en área remotas.


Módulos y conjuntos.

Una aplicación requiere más energía de la que puede ser proporcionado por un solo panel, pueden ser hechos sistemas más grandes combinando juntos un número de paneles. Sin embargo, se presenta una complicación en los casos en que la potencia y voltaje requerido es mayor al nivel y uniformidad que puede ser proporcionado directamente de los paneles. En estos casos, se utilizan los sistemas fotovoltaicos, compuestos por las siguientes partes:





  • Un conjunto de paneles fotovoltaicos, variando de dos a varios centenares de paneles.

  • Un panel de control, que regula la energía de los paneles.

  • Un sistema del almacenaje de energía, constituido generalmente de un conjunto de baterías especialmente diseñadas.

  • Un inversor, para convertir la Corriente Continua en Corriente Alterna (por ejemplo ac de 220 v).

  • Un marco y una cubierta para el sistema.

  • En forma opcional se puede contar con fuentes de alimentación de reserva tales como generadores diesel.

  • Otros elementos que pueden llegar a formar parte del sistema son mecanismos de seguimiento y sensores.

 

Los paneles en los conjuntos funcionan generalmente en serie / paralelo, para limitar el voltaje de la salida entre 12 y 50 voltios, pero con un amperaje más alto (corriente). Esto es por seguridad y para reducir al mínimo las pérdidas de energía.

Los conjuntos de paneles se están utilizando cada vez más en la construcción de edificios en donde cumplen dos funciones, proporcionar una pared o un techo y abastecer de energía eléctrica al edificio. Eventualmente cuando bajen los precios de celdas solares, la construcción de edificios con celdas solares integradas puede convertirse en una fuente de la energía eléctrica importante.

La cantidad de energía diaria entregada por los paneles fotovoltaicos variará dependiendo de la orientación, de la localización, del clima y de la época del año. En promedio, en verano, un panel producirá cerca de cinco veces la energía especificada en vatio por horas y por día, y en invierno cerca de dos veces esa cantidad. Por ejemplo, en verano un panel de 50 vatios producirá un promedio de 250 vatios / hora, y en invierno cerca de 100 vatios / hora. Estos valores son solamente indicativos, y se debe buscar ayuda profesional para obtener cálculos más exactos.

Los mecanismos de seguimiento se utilizan para mantener los paneles fotovoltaicos directamente frente al sol, de modo de aumentar la potencia de salida de los paneles. Los mecanismos de seguimiento pueden casi duplicar la salida de un conjunto de paneles fotovoltaicos. Se requiere de un análisis cuidadoso para determinar si el incremento en el coste y la complejidad mecánica de un mecanismo de seguimiento es rentable en circunstancias particulares. Ver la figura 3.7.

mecanismos de seguimiento

Fig. 3.7 Respuesta de una celda fotovoltaica.

Frecuentemente es necesario almacenar la energía debido a que se requiere energía aun cuando el sol no está brillando (ya sea durante la noche o en períodos cuando el cielo esta nublado) ó en cantidades mayores a las que pueden ser provistas directamente del conjunto. Se utilizan generalmente baterías de " ciclo profundo" diseñadas especialmente. A diferencia de las baterías normales, estas pueden descargar cerca de la mitad de la energía almacenada varias miles de veces antes de que deterioren. Cada batería generalmente es de 2 v, y el conjunto total de baterías está formado generalmente por varias baterías conectadas en series o paralelo para proporcionar el nivel de energía requerido. Las baterías deben ser las adecuadas para satisfacer cada uso particular, dependiendo de la radiación solar diaria total, la carga total, la carga máxima y el número de días de almacenaje requerido.

Los inversores transforman la corriente continua de la baja tensión de las baterías (12v, 24v, 32, 48v) en corriente alterna de alto voltaje (por ejemplo 110 vac ó 220 vac). Los inversores son necesarios si se van utilizar electrodomésticos o instrumentos de voltaje normal. En la determinación del costo total del sistema, puede llegar a ser más económico comprar un inversor y electrodomésticos producidos para consumo masivo que utilizar electrodomésticos de corriente continua de baja tensión que pueden ser más costosos.

Algunas aplicaciones, tales como luces de alta eficacia actualmente no se encuentran disponibles para bajas tensiones. En este caso, el costo de utilizar más paneles debe ser equilibrado con el costo de un inversor.

Fuentes de potencia auxiliar ó de reserva son requeridas cuando debe ser garantizada la confiabilidad de la fuente de electricidad, cuando es poco económico proporcionar el almacenaje con baterías para períodos nublados extendidos infrecuentes, ó cuando algunas aplicaciones tienen requisitos intermitentes de grandes cantidades de energía que sean poco convenientes de satisfacer con el sistema fotovoltaico.





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