Celdas Fotovoltaicas

Las celdas fotovoltaicas son elementos que producen electricidad al incidir la luz sobre su superficie. La fuente de luz utilizada generalmente es el sol, considerando su costo marginal nulo. Estas celdas también son conocidas como baterías solares, fotopilas o generadores helio voltaicos.

Dado que cada elemento puede generar una cantidad reducida de electricidad, en sus orígenes se destinaron a alimentar consumos pequeños con requerimientos particulares, como los de la exploración espacial. Con el avance tecnológico este campo se fue ampliando, como se puede ver en detalle en la bibliografía sugerida al final. Generalmente se las agrupa en disposiciones serie-paralelo, formando paneles solares para aumentar la potencia generada.

La fiabilidad de las celdas solares es muy grande y no necesitan mantenimiento. Son bastante insensibles a las variaciones climáticas y a los agentes atmosféricos, salvo, como es lógico, los que impiden la llegada de la luz.

Su desarrollo empezó en el año 1839 cuando Becquerel descubrió que si se ilumina uno de dos electrodos sumergidos en un electrolito, aparece entre ambos una diferencia de potencial, dando lugar al efecto fotovoltaico. En 1876, mientras Adams y Day se hallaban experimentando con la conductividad de unas varillas de selenio amorfo embebidas en hierro, descubrieron que se creaba una diferencia de potencial cuando sus aparatos eran iluminados.

Por otra parte, en el año 1873, W. Smith observó una variación de la capacidad de conducción del selenio por efecto de la luz. A partir de ese descubrimiento, denominado efecto fotoconductivo, Siemens construyó un fotómetro, que contribuyó a la divulgación del nuevo fenómeno.

En 1887, investigando la descarga eléctrica entre dos electrodos usada como fuente de ondas electromagnéticas, Hertz descubrió el efecto fotoeléctrico externo o fotoemisión, observando que la intensidad de la descarga aumentaba si radiaba el electrodo positivo con luz ultravioleta, lo que sugirió que las superficies iluminadas emitían más electrones. En 1888 Hallwachs analizó este efecto en profundidad y además descubrió que si radiaba un electrodo negativo no se observaba ninguna variación. Cabe señalar en aquel entonces se utilizaban superficies metálicas pulidas de selenio policristalino de alto grado de pureza y doce años después Hallwachs observó el mismo fenómeno en un semiconductor compuesto por cobre y óxido cuproso.

Las experiencias posteriores demostraron que la emisión electrónica aumenta cuando se aumenta la intensidad de la radiación que incide sobre la superficie del metal, ya que hay mas energía disponible para liberar electrones; pero también se observa que depende en forma característica de la frecuencia de la radiación incidente y que hay una frecuencia límite por debajo de la cual no se emiten fotoelectrones por mas que se aumente la intensidad de la radiación.

Por su parte, en el año 1900 Planck desarrolló la teoría cuántica, que le permitió a Einstein explicar la fotoemisión en 1905. De manera simplificada, esta explicación indica:

1 - La luz recibida se debe considerar como una lluvia de partículas cuánticas (fotones) que transmiten su energía a los electrones del metal irradiado. Si la energía que suministran es suficientemente grande como para que los electrones adquieran una energía superior a la energía de ligazón de la red cristalina, se liberan electrones de la estructura atómica, los que éstos salen de la superficie del metal.

2 - La energía cuántica depende directamente de la frecuencia de las ondas luminosas (a través de la constante de Planck). La intensidad de la luz determina sólo la cantidad de electrones que se pueden liberar si los fotones suministran la energía mínima necesaria para la salida de los electrones.

3 - La carga eléctrica de la placa metálica expuesta a la radiación luminosa puede facilitar la salida de los electrones con carga negativa, o dificultar su salida con carga positiva.

La carga positiva aumenta la atracción entre los electrones y por lo tanto se necesita una mayor energía para romper la estructura atómica, mientras que la carga negativa produce el efecto contrario.

La explicación del efecto fotoeléctrico externo permitió también explicar el efecto fotoconductivo y el efecto fotovoltáico. En 1920 Gudden y Pohl indicaron que en el efecto fotoconductivo, los electrones excitados permanecen dentro del metal, ocupando las órbitas externas de los átomos y gozando de mayor libertad, provocándose así un aumento en la capacidad de conducción. Por su parte, en el efecto fotovoltáico los electrones son desplazados a través de una barrera en el sólido, produciéndose así una diferencia de potencial.

Elster y Geitel crearon la primera célula fotoeléctrica basada en el efecto fotoeléctrico externo, que se utilizó en las cámaras de televisión, entre otras aplicaciones. En cambio, el funcionamiento de los luxímetros, fotómetros y células solares se basan en los efectos fotoeléctricos internos.

Los fotoelementos de selenio se fabricaron en la década de 1940, alcanzando un rendimiento del 1%. En el año 1948 se produjo un notable avance con el invento del transistor de germanio y posteriormente el de silicio, que resulta menos sensible a los cambios de temperatura.

Finalmente en el año 1954 se inventó la celda fotovoltáica de silicio, en la que los electrones que se liberan en el interior de una juntura semiconductora N-P iluminada dan lugar a una fuerza electromotriz en la misma.

Los avances tecnológicos mas recientes estuvieron orientados a reducir los costos de las celdas mediante el uso de distintos materiales como el silicio monocristalino, policristalino o amorfo, el arseniuro de galio y muchos otros; y mediante la reducción del volumen de material necesario, utilizando celdas de capa delgada (0,02 mm - 50 milimicras); que como son muy elásticas pueden ser enrolladas o plegadas, pero su rendimiento es menor, como puede verse en detalle en la bibliografía sugerida al final.

Construcción y funcionamiento

Las celdas fotovoltáicas modernas están formadas generalmente por una juntura semiconductora P-N de silicio de gran superficie y reducido espesor (típico: 0,3 mm), similar a la utilizada en los diodos de estado sólido; pero cuando la unión P-N se emplea como generador fotovoltáico, el sentido del flujo de los electrones es opuesto al que se observa cuando se lo usa como rectificador.

En la transición entre las capas P y N (capas con dopaje positivo y negativo respectivamente) se forma por difusión una capa límite en la que se establece una barrera de potencial. Para lograr un buen rendimiento energético, la capa límite deberá encontrarse lo mas cerca posible de la superficie expuesta a la luz.

La celda se completa mediante los contactos óhmicos (no rectificadores) en las capas P y N, de reducida resistencia eléctrica para no provocar caídas de tensión adicionales.

Se fabrican celdas solares circulares y rectangulares de cerca de 100 mm de lado. Estas últimas se emplean cuando se requiere un óptimo aprovechamiento del espacio, como en los satélites artificiales; resultando algo más caras que las circulares.

Al incidir la luz sobre la juntura, una parte de la luz se refleja (energía perdida) y la otra penetra en el semiconductor. Los fotones que ingresan con energía suficiente liberan cada uno un par electrón-hueco. Los portadores de carga liberados se propagan por el cristal mediante difusión o bajo la influencia de un campo eléctrico. Los electrones pueden recombinarse durante su recorrido, pero si un portador minoritario (electrón en la zona P, hueco en la zona N) alcanza la capa límite de la barrera de potencial, queda atraído por el campo eléctrico de esa capa y penetra en la región en que son mayoritarios los portadores de igual signo.

Por otro lado, el campo de la capa límite retiene los portadores mayoritarios en la región en que han sido liberados.

De este modo, cualquiera que sea la región en que queda absorbido el fotón y liberados los portadores de carga, el efecto fotovoltáico produce un desplazamiento de portadores que da lugar a una diferencia de potencial aprovechable de alrededor de 0,5 V entre los electrodos a circuito abierto. La barrera de potencial impide que el proceso se revierta, aunque puede existir una pequeña corriente de fuga. En circuito cerrado la corriente pasa por la carga del borne P al N, por el exterior de la célula.

Desde el punto de vista eléctrico, las celdas fotovoltaicas pueden compararse con los diodos de silicio normales.

Así la curva tensión-corriente trazada en la oscuridad (O) resulta igual a la de un diodo ordinario, mientras que la curva correspondiente a la incidencia sobre la celda de una determinada iluminación (E), resulta de la traslación de la curva anterior, proporcional a la energía luminosa recibida.

Analizando la curva (E) se ve, que en el primer cuadrante (1), correspondiente al diodo con polarización directa, la característica no sale del origen, pues a corriente nula la tensión en bornes no es cero (Vco).

En el tercer cuadrante (3), la curva (O) indica la corriente inversa de fuga en la oscuridad en función de la tensión inversa, mientras que la curva (E) da la variación de esa corriente con la iluminación. Aquí la celda funciona como fotodiodo.

Finalmente, en el cuarto cuadrante (4), la celda funciona como generador de energía, siendo la región de trabajo normal de las celdas fotovoltaicas. En estas condiciones, la potencia que entrega pasa por un máximo (Pm) para determinados valores de tensión (Vm) y corriente (Im), fijados en función de la resistencia óptima de carga (Rm = Vm / Im ).

En la práctica, las celdas fotovoltaicas trabajan con dificultad fuera del cuarto cuadrante (4), sobre todo, la tensión inversa que pueden soportar es pequeña, lo que obliga a la instalación de un diodo de protección en serie para prevenir daños.

En una celda determinada, el rendimiento energético es función del reparto espectral de los fotones, lo que equivale a decir que, con radiaciones de determinadas longitudes de onda (colores) proporciona más energía eléctrica que con otras.

Si una de las celdas conectadas en serie queda oscurecida, aunque sea parcialmente, de forma que sólo recibe una parte de la energía solar que llega a las que la rodean, sólo podrá generar una corriente limitada. Si la carga aplicada al panel solar es tal que demanda una corriente superior a dicha corriente limitada, la celda afectada funcionará en sentido inverso, lo que provoca su calentamiento y acarrea un riesgo de ruptura.

Para solucionar este inconveniente, se limita la tensión inversa máxima que puede producirse añadiendo diodos en paralelo, situados habitualmente en la caja de conexiones, para proteger a las celdas del sobrecalentamiento debido a sombras parciales en la superficie del panel.

Análogamente, si una de las celdas conectadas en paralelo queda oscurecida, aunque sea parcialmente, de forma que sólo recibe una parte de la energía solar que llega a las que la rodean, sólo podrá generar una tensión limitada, menor a las restantes en paralelo. Entonces la celda afectada funcionará como receptor si la tensión de funcionamiento se hace superior a la suya a circuito abierto; lo que también provoca su calentamiento y acarrea un riesgo de ruptura.

Para solucionar este inconveniente, se añaden diodos anti-retorno, situados habitualmente en la caja de conexiones, para proteger a las celdas del sobrecalentamiento debido a sombras parciales en la superficie del panel.

Por todo lo anterior, resulta evidente que es muy importante que los paneles no reciban sombras de obstáculos cercanos, ni hacerse sombra mutuamente en cualquier horario y época del año.

Características de empleo

Cuando se deseen utilizar celdas fotovoltaicas en instalaciones prácticas, deberán tenerse en cuenta las siguientes características:

a) Corriente de cortocircuito Icc: Esta magnitud es la intensidad que circula con la celda en cortocircuito, con una iluminación determinada y fija. Su valor es directamente proporcional a la energía solar recibida, y por lo tanto a la superficie total y al nivel de iluminación.

b) Tensión de vació Vco: Esta magnitud es la diferencia de potencial entre los bornes de la celda en ausencia de consumo, con una iluminación fija y a una temperatura determinada. Su valor depende de la juntura utilizada y varía muy poco con la intensidad luminosa.

c) Corriente óptima Im: Esta magnitud es la intensidad que circula por la celda en el punto de funcionamiento óptimo, teniendo aplicada una carga Rm de valor óptimo, elegida de modo de que la potencia eléctrica sea máxima.

d) Tensión óptima Vm: Esta magnitud es la tensión que origina la corriente óptima, al ser aplicada sobre una carga Rm de valor óptimo, elegida de modo de que la potencia eléctrica sea máxima.

e) Temperatura límite de funcionamiento: Esta magnitud ronda los 100 grados centígrados.

f) Rendimiento h: Esta magnitud es la relación entre la energía eléctrica entregada y la energía luminosa recibida. Su valor ronda el 18 %, según la tecnología constructiva de la celda.

Este bajo rendimiento se explica porque aproximadamente el 57 % de la energía luminosa se refleja o se transforma en calor; y del 43 % restante, gran parte se cede nuevamente en forma de calor.

Para una aplicación específica, deben consultarse los gráficos característicos de las celdas a utilizar, que vienen dados como distintas familias de curvas en función de la temperatura y de la iluminación recibida. El examen de estas curvas permite efectuar una selección adecuada.

Estas curvas muestran que el calentamiento de las celdas provoca una disminución de su rendimiento, por lo que se deben instalar radiadores de aletas para reducir su temperatura de trabajo.

La potencia máxima de la celda se obtiene cuando la luz incide perpendicularmente a su superficie, por lo que si incide con un ángulo que no sea recto, la superficie útil disminuirá en una cantidad proporcional al coseno del ángulo correspondiente. Por lo tanto resulta importante la correcta orientación de los paneles, considerando la posición del sol en las distintas estaciones del año, de acuerdo a la latitud de la instalación

El esquema equivalente de una celda solar tiene en paralelo con el generador ideal una resistencia Rp que representa la fuga de corriente en la juntura y también un diodo. En serie tiene una resistencia Rs que representa las pérdidas internas de la celda.

Si bien la energía solar no cuesta nada, su aprovechamiento presenta algunos inconvenientes, de los cuales los más importantes son:

I) La transformación de energía solar en eléctrica todavía es muy cara.

II) Las instalaciones de energía solar ocupan grandes superficies de terreno.

III) La energía de radiación recibida es reducida, salvo en las regiones tropicales (depende de la latitud).

IV) Durante la noche y cuando está nublado, los rayos solares quedan anulados o atenuados.

Por lo tanto, las instalaciones generadoras requieren que las celdas solares vayan acompañadas de acumuladores, para cubrir la demanda durante los períodos de ausencia de sol.

En general, una instalación de generación solar típica tiene los siguientes componentes:

1) Paneles solares.

2) Reguladores de tensión.

3) Desconectadores de descarga.

4) Acumuladores.

5) Convertidores CC/CA.

6) Concentradores luminosos.

7) Accesorios.

Los paneles solares están formados por una gran cantidad de celdas fotovoltaicas conectadas en serie-paralelo para aumentar la tensión y la corriente que pueden entregar, encapsuladas con polímeros resistentes a la radiación ultravioleta y montadas tras una superficie de vidrio especial que brinda protección contra la polución ambiental y contra los cambios bruscos del clima (heladas, lluvias, granizo, etcétera). Generalmente, la cara posterior de los módulos está construida con un material de reconocida resistencia a las condiciones climáticas mas adversas, como por ejemplo aluminio anodizado, y se sella con silicona para trabajar adecuadamente a la intemperie.

Los reguladores de tensión son aparatos diseñados para la regulación y control de la carga de los acumuladores, a los que protegen automáticamente contra las sobrecargas

Los desconectadores de descarga son aparatos que sirven para controlar el estado de descarga de los acumuladores, ya que una excesiva descarga puede provocar daños irreparables al equipo, en lo que atañe a su vida útil.

Los acumuladores generalmente son del tipo alcalino, resultando muy sensibles a la carga excesiva y su vida depende de las condiciones del mantenimiento.

Los conversores CC/CA se emplean cuando resulta necesario transformar la corriente continua generada por las celdas fotovoltaicas en corriente alterna para los consumos que utilizan ese tipo de suministro.

Los concentradores luminosos dirigen la energía solar hacia la superficie activa de los paneles. Los mismos utilizan lentes y espejos, y en muchos casos cuentan con sistemas automáticos para seguir el desplazamiento de la orientación del sol. Esta concentración mejora el rendimiento de las celdas, pues permite la utilización de superficies sensibles menores que las que se necesitarían sin su instalación, para obtener la misma potencia eléctrica.; pero también debe tenerse en cuenta que todo sistema óptico produce una pérdida de luz.

Los accesorios habituales son los compensadores de temperatura, los voltímetros y los amperímetros

En cuanto a la normalización de estos sistemas, digamos que el Comité Técnico 82 (Solar Photovoltaic Energy Systems) del IEC tuvo su última reunión en Tempe, Arizona, durante mayo de 2000, desarrollando normas para celdas de silicio comunes y de película delgada, módulos concentradores, dispositivos de almacenamiento de energía, certificación de productos y laboratorios, balance de sistemas, reguladores de tensión, etcétera.

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