Energía solar fotovoltaica

Energía solar fotovoltaica

La energía solar fotovoltaica (PV) es un método para generar energía eléctrica al convertir la radiación de energía solar en energía eléctrica de corriente continua utilizando semiconductores que exhiben el efecto fotovoltaico. La energía solar fotovoltaica es una fuente de energía renovable y sostenible. La energía solar fotovoltaica es ahora la tercera fuente de energía renovable más importante después de la energía hidráulica y eólica en términos de capacidad instalada a nivel mundial. Las células solares, también llamadas células fotovoltaicas por los científicos, convierten la energía solar directamente en electricidad. PV recibe su nombre del proceso de convertir la luz (fotones) en electricidad (voltaje), que se denomina "efecto fotovoltaico (PV)". El efecto PV se refiere a los fotones de luz que excitan a los electrones a un estado superior de energía, lo que les permite actuar como portadores de carga para una corriente eléctrica. El efecto fotovoltaico fue observado por primera vez por Alexandre-Edmond Bequerel en 1839. El término fotovoltaico denota el modo de funcionamiento imparcial de un fotodiodo en el que la corriente a través del dispositivo se debe completamente a la energía de la luz transducida. Prácticamente todos los dispositivos fotovoltaicos son algún tipo de fotodiodo. El efecto fotovoltaico del silicio (un elemento que se encuentra en la arena) se descubrió en 1954, cuando los científicos de Bell Telephone descubrieron que el silicio creaba una carga eléctrica cuando se exponía a la luz solar.

La energía solar es el recurso energético más abundante en la tierra. La conversión directa de la energía solar en energía eléctrica en células fotovoltaicas es una de las tres tecnologías solares activas. Las otras dos tecnologías son 'energía solar de concentración (CSP)' y 'colectores solares térmicos para calefacción y refrigeración (HSC)'. En la actualidad, la energía fotovoltaica proporciona más del 0,1 % de la generación total de energía mundial. También tiene un futuro prometedor. La capacidad fotovoltaica global está aumentando a una tasa de crecimiento anual promedio de más del 40 % desde 2000 y tiene un potencial significativo para el crecimiento a largo plazo en los próximos años. La energía solar fotovoltaica es una tecnología confiable disponible comercialmente para la generación de energía. La energía solar fotovoltaica no solo contribuye a una reducción significativa de las emisiones de gases de efecto invernadero, sino que también brinda beneficios en términos de seguridad del suministro de energía y desarrollo socioeconómico. Debido a la creciente demanda de fuentes de energía renovable, la fabricación de células solares y fotovoltaicas ha avanzado considerablemente en los últimos años.

Las células solares producen electricidad de corriente continua a partir de la luz solar que se puede utilizar para alimentar equipos o para recargar una batería. La primera aplicación práctica de la energía fotovoltaica fue para alimentar satélites en órbita y otras naves espaciales, pero hoy en día la mayoría de los módulos fotovoltaicos se utilizan para la generación de energía conectada a la red. En este caso, se utiliza un inversor para convertir la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA).

Los paneles solares que se utilizan para la generación de energía suelen estar hechos de células solares combinadas en módulos que contienen unas 40 células. Muchos paneles solares se combinaron para crear un sistema que se llama panel solar. Los cables solares de cobre conectan módulos (cable de módulo), matrices (cable de matriz) y subcampos. Un edificio típico utilizará entre 10 y 20 paneles solares para satisfacer sus necesidades de energía. Para grandes aplicaciones industriales o de servicios eléctricos, cientos de paneles solares están interconectados para formar un sistema fotovoltaico a gran escala.

Para obtener el mejor rendimiento, los paneles solares fotovoltaicos tienen como objetivo maximizar el tiempo que pasan frente al sol para una mayor generación de energía. Los seguidores solares logran esto moviendo los paneles fotovoltaicos para seguir al sol. Esto les permite capturar la mayor parte de la luz solar. El aumento puede ser de hasta un 20 % en invierno y hasta un 50 % en verano. Los sistemas montados estáticos se pueden optimizar mediante el análisis de la trayectoria del sol. Los paneles a menudo se configuran en inclinación de latitud, un ángulo igual a la latitud, pero el rendimiento se puede mejorar ajustando el ángulo para la temporada de verano y la temporada de invierno. Por lo general, como ocurre con otros dispositivos semiconductores, las temperaturas superiores a la temperatura ambiente reducen el rendimiento de las células fotovoltaicas.

La celda solar consiste en capas de un material semiconductor. Cuando la luz brilla sobre la celda, crea un campo eléctrico a través de las capas, lo que hace que fluya la electricidad. Cuanto mayor es la intensidad de la luz, mayor es el flujo de electricidad. Sin embargo, un sistema fotovoltaico también puede generar electricidad en días nublados. No necesita luz solar intensa para funcionar. El rendimiento de una celda solar se mide en términos de eficiencia al convertir la luz solar en electricidad. Un módulo fotovoltaico solar con una eficiencia del 12,5 % significa que convierte una octava parte de la luz solar que incide sobre el módulo en electricidad.

La capacidad de energía fotovoltaica se mide como la potencia de salida máxima en condiciones de prueba estandarizadas (STC) en 'Wp' (vatios pico). La potencia de salida real en un momento determinado puede ser menor o mayor que este valor estandarizado o "nominal", según la ubicación geográfica, la hora del día, las condiciones climáticas y otros factores. El factor de carga de la planta (PLF, por sus siglas en inglés) de los paneles solares fotovoltaicos suele ser inferior al 25 %, que es inferior al de muchas otras fuentes industriales de electricidad.

Células solares fotovoltaicas

Las células solares tradicionales están hechas de silicio. Suelen ser de placa plana y generalmente son los más eficientes. Las celdas requieren protección del medio ambiente y, por lo general, se empaquetan herméticamente detrás de una hoja de vidrio. La tecnología fotovoltaica utiliza los siguientes tipos de células solares.

• Célula solar de silicio cristalino:estas son las células solares más eficientes y están hechas de "silicio de grado solar". Esta tecnología fue desarrollada primero y hoy representa la mayoría de las aplicaciones en los paneles solares. Las celdas están hechas de láminas finas (obleas) cortadas de un solo cristal de silicio (silicio monocristalino c-Si) o de un bloque de cristales de silicio (silicio poli o multicristalino poli-Si o mc-Si). Las celdas de obleas monocristalinas tienden a ser costosas ya que se cortan a partir de lingotes cilíndricos. No cubren completamente un módulo cuadrado de celdas solares sin un desperdicio sustancial de silicio refinado. Por lo general, hay espacios descubiertos en las cuatro esquinas de las celdas hechas de un solo cristal. Las celdas de silicio policristalino o multicristalino están hechas de lingotes cuadrados fundidos que son grandes bloques de silicio fundido cuidadosamente enfriados y solidificados. Las celdas de poli-Si son menos costosas de producir que las celdas de silicio monocristalino, pero son menos eficientes.
• Célula solar de película delgada:se trata de células solares de segunda generación y se fabrican depositando capas extremadamente delgadas de materiales fotosensibles sobre un respaldo de bajo costo, como vidrio, acero inoxidable o plástico. Los materiales fotosensibles utilizados son materiales de silicio amorfo y no silicio, como telururo de cadmio (Cd-Te), seleniuro/sulfuro de cobre, indio y galio (CIGS). Las células solares de película delgada usan capas de materiales semiconductores de solo unos pocos micrómetros de espesor. Los menores costos de producción compensan la menor eficiencia de esta tecnología. Se han vuelto populares en comparación con las obleas de silicio debido a los costos más bajos y las ventajas que incluyen flexibilidad, pesos más livianos y facilidad de integración. Un proceso típico de fabricación de película delgada incluye (i) el recubrimiento del sustrato con una capa conductora transparente, (ii) el depósito de la capa activa mediante diversas técnicas, como la deposición química/física de vapor, (iii) la metalización de la parte posterior (contactos) con láser scribing o serigrafía tradicional, y (iv) encapsulado en una carcasa de polímero de vidrio. Las técnicas de rollo a rollo a menudo se usan con sustratos flexibles para reducir el tiempo y los costos de producción.

• Otros tipos de células:actualmente se están desarrollando o comenzando a comercializarse otros tipos de tecnologías fotovoltaicas. Se trata de células solares de tercera generación que se fabrican a partir de una variedad de materiales nuevos, incluidas tintas solares que utilizan tecnologías de imprenta convencionales, tintes solares y plásticos conductores. Algunas células solares nuevas utilizan lentes o espejos de plástico para concentrar la luz solar en una pieza muy pequeña de material fotovoltaico de alta eficiencia. El material fotovoltaico es más caro, pero debido a que se necesita tan poco, estos sistemas se están volviendo rentables para su uso por parte de las empresas de servicios públicos y la industria. Sin embargo, dado que las lentes deben estar orientadas hacia el sol, el uso de colectores de concentración se limita a las partes más soleadas.

La eficiencia de conversión de diferentes tecnologías se proporciona en la Tabla 1. La vida útil de una celda solar fotovoltaica es de 25 años. Sin embargo, su eficiencia y, por lo tanto, la generación de energía se deteriora con el tiempo. El deterioro es del 10 % en los primeros diez años y otro 10 % en los próximos 15 años.

Aplicaciones de la Energía Solar Fotovoltaica

Los sistemas solares fotovoltaicos se pueden instalar en los techos o se pueden montar en el suelo. Pueden ser centrales eléctricas conectadas a la red o pueden ser sistemas fuera de la red. La conexión a la red permite transferir a la red los excedentes de energía producidos e importar energía cuando no se genera energía por falta de sol. Los sistemas fuera de la red llevan electricidad a áreas remotas. Los sistemas fuera de la red también se pueden utilizar para electrificaciones rurales. La energía solar fotovoltaica también se puede utilizar para bienes de consumo. Los esquemas de una planta solar fotovoltaica se muestran en la Fig. 1.

Fig. 1 Esquemas de una planta fotovoltaica solar

Ventajas de la energía solar fotovoltaica

• La luz solar que llega a la superficie de la tierra es abundante y tiene el potencial de convertirse en la principal fuente de energía del mundo.
• La energía solar no contamina durante su uso.
• Las instalaciones fotovoltaicas tienen una larga vida útil con muy poco mantenimiento.
• Los costos operativos de las instalaciones fotovoltaicas son extremadamente bajos.
• La electricidad solar conectada a la red se puede utilizar localmente, lo que reduce las pérdidas de transmisión/distribución.

Desventajas de la energía solar fotovoltaica

• La inversión inicial es alta.
• Necesita un espacio grande
• No hay generación de energía cuando la luz del sol no está disponible
• El tamaño máximo de la planta para una planta de energía conectada a la red está limitado a 10 MW.






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