Instituto Interamericano de Electrónica
CENTRO DE FORMACIÓN TÉCNICA PRIVADO
Desde 1987 conectados con el Futuro, formando Capital Humano.
Hoy, aprender va mucho más allá de asistir a una escuela, universidad, leer manuales o ver tutoriales. Frente a los constantes cambios, estamos en modo aprendizaje todo el tiempo, aunque no siempre seamos conscientes de ello. Por experiencia sabemos que prender no sólo es leer. Aprender también requiere hacer, practicar, experimentar, incluso equivocarse y volver a intentar.
Es lo que pedagógicamente realizamos en nuestros exitosos Cursos.
NUESTRA TECNOLÓGICA SALA DE CLASES
Esta página muestra la excelencia técnica de nuestra enseñanza, pedagógicamente pensada para todo tipo de público, con o sin conocimientos previos, junto a la calidad gráfica con las cuales han sido generados nuestros contenidos de estudio, los que proporcionamos a nuestros alumnos en formatos PDF, posibles de revisar en pantalla o imprimirlos a todo color.
Todos nuestros Cursos incluyen etapas prácticas presenciales.
AQUÍ APRENDERÁS CON NUESTRO EXITOSO MÉTODO PEDAGÓGICO PIRAMIDAL, COMPLEMENTADO CON CLASES PRÁCTICAS PRESENCIALES.
LECCION N°3
Las Celdas Solares
Temas:
Introducción, tipos de materiales, estructura, conexionado, topologías de armado de paneles solares
La autorizada voz de los investigadores, refiriéndose a sistemas generadores de electricidad fotovoltaica, señala que con muy poca superficie terrestre sería posible cubrir todas las necesidades de energía eléctrica del planeta y, por tanto, es cuestión de tiempo que vayamos viendo cada vez más huertos y parques solares o instalaciones industriales de energía eléctrica de origen fotovoltaico.
Los paneles solares fotovoltaicos de tipo domésticos están formados por cierto número de celdas solares (36) conectadas en serie para configurar un panel Fotovoltaico, en el cual cada uno de los voltajes individuales de cada una de las celdas se suman entre si, a objeto de entregar un determinado voltaje al final de la serie.
Celda Solar Fotovoltaica
Estos a su vez —los paneles fotovoltaicos formados por un conjunto determinado de celdas—, conforme sean los requerimiento de intensidad o corriente, suelen conectarse en configuración paralelo o serie entre si, a objeto de sumar la corriente/intensidad, en el primer caso, o el voltaje en el segundo. Según sea el tipo de configuración de conexión que utilicemos, se obtendrá determinado resultado desde el punto de vista energético.
Al ser expuesta a la luz, una celda solar produce electricidad. Dependiendo de la intensidad de la luz solar y del área de superficie de la celda, se genera proporcionalmente mayor o menor cantidad de energía y, obviamente, la luz solar plena es siempre preferible, aunque con la luz difusa (y en estricto rigor en ciertas noches particularmente claras, también se genera algo de energía en los paneles, aunque jamás suficiente como para recuperar la carga en las baterías de respaldo). Debemos tener presente que la eficacia de los paneles disminuye significativamente cuando la temperatura de la celda aumenta y es por esta razón se sugiere que la parte posterior de los paneles debe ser ligeramente abierta y ventilada para que el conjunto no se caliente excesivamente debido a la exposición solar. Cada celda de unos 15 centímetros por lado, aproximadamente, es capaz de generar también aproximadamente 1,5 watts, y es así entonces que un típico panel solar fotovoltaico de algo más de un metro cuadrado de superficie, entregará muy aproximadamente unos 100 watts, pues ello depende del material de las celdas, su tamaño y factores externos muy variables como, cantidad de luz solar, época del año, hora del día, inclinación del panel, temperatura de operación, temperatura ambiente, velocidad del viento, su orientación, latitud terrestre y las condiciones atmosféricas de un momento dado.
Las especificaciones técnicas establecen que las celdas fotosensibles están fabricadas mayoritariamente de silicio tipo mono cristalino, también del silicio policristalino y de silicio amorfo, no obstante se está experimentando incesantemente nuevos materiales (orgánicos) en búsqueda de mejores características y menores costos de producción. El silicio, el material de mayor tradición utilizado en todo tipo de semiconductores, no es más que cierto tipo de fina arena de la playa, propietaria de muy particulares características geológicas, la cual se funde para fabricar con ella un cristal muy puro y buen conductor eléctrico, al que luego se le incorporan otros compuestos aislantes —no conductores— conocidos como “dopantes”, obteniéndose finalmente lo que se conoce como un material semiconductor (no muy buen conductor eléctrico).
Una vez moldeado y frío (cristalizado) en forma de cilindros de silicio, se cortan industrialmente en finos trozos de una décima de milímetro de espesor, que posteriormente son encapsulado en vidrio, obteniéndose así el material necesario para finalmente armar con él una célula o celda solar. El silicio policristalino es más económico, rinde aproximadamente entre un 5% / 10% menos que el silicio mono cristalino, pero hace posible que las celdas fabricadas con él resulten algo más flexibles y por tanto menos delicadas a la manipulación. Es particularmente adecuado para fabricar paneles solares de manera artesanal.
Una tercera técnica consiste en vaporizar silicio gaseoso sobre un sustrato dado, obteniéndose células fotosensibles muy flexibles y livianas pero con un rendimiento todavía menor a las descritas precedentemente. Para obtener un promedio en el tiempo de 18 voltios y determinada corriente desde un Panel Solar Fotovoltaico se conectan en serie 36 celdas, pero es necesario tener en mente que, además de la temperatura solar, todo trabajo eléctrico genera calor y que ambos factores se suman aumentando la resistencia interna de cada celda y con ello también su temperatura y junto con ello la caída o pérdida en el voltaje de salida consecuente, lo cual disminuirá en cierto grado la tensión final entregada por el panel. Cada 10 grados de incremento de temperatura por sobre los 25°C., se pierden muy aproximadamente un promedio 0,7 voltios.
Podemos mencionar además que los factores que afectan el rendimiento de una celda solar son principalmente dos:
- La intensidad de la radiación solar
- La temperatura de la celda
A mayor intensidad de radiación solar, mayor es la corriente producida pero también mayor es la temperatura de operación de la celda, pudiendo alcanzarse un punto de saturación a partir del cual la celda no es capaz de aumentar su generación de energía.
Por otra parte, el efecto de embalaje térmico de la celda (calentamiento) tiene directa incidencia en el nivel del voltaje de operación de ella, el cual tiende a bajar en relación a su valor nominal, teniendo por tanto como resultado un nivel de potencia menor a la nominal.
Los fabricantes de celdas solares y en relación a las pérdidas señaladas, proporcionan ciertos valores representativos de coeficientes de temperatura utilizables para efectos de cálculo, que para las actuales tecnologías en uso establecen en valores estimados entre 0,35% a 0,44%, por cada grado de temperatura que se encuentre por sobre la temperatura de pruebas en el laboratorio, para todos los efectos, equivalente a 25°C. Al respecto cabe señalar que las celdas por lo general operan entre 20°C y 30°C, por sobre la temperatura de laboratorio, por tanto una celda operando a 50°C, por citar un ejemplo:
50°C – 25°C = son 25°C por sobre la temperatura de laboratorio
entonces:
25°C por sobre la temperatura de laboratorio x 0,44% = 11% de pérdida de eficiencia
Es decir, a la temperatura de 50°C, una celda solar de:
0,5V. x 3 A.= 1,5W. – 11% = genera 1,33W.
operando a 50°C., valor a considerar en los respectivos cálculos.
Lo precedente explica que por cada grado de temperatura por sobre la aplicada en pruebas de laboratorio (25°C), se va perdiendo una fracción de voltio, estimada entre 0,33mV. y 0,44 mV (milésimas de voltio), lo cual tiene como resultado una perdida de la potencia estimativa, atendiendo a no es posible hablar de porcentajes exactos en cuanto a pérdidas, puesto que las condiciones de pruebas hechas en ambientes de laboratorio distan mucho de las enfrentadas en la realidad, donde el rendimiento efectivo de un panel solar resulta afectado por condiciones tan cambiantes como la temperatura ambiente, velocidad del viento, altura de la instalación, niveles de irradiación, horas del día, etc.
Estructura de una celda solar
Descrita en términos muy simples, las celdas solares fotovoltaicas modernas están formadas materiales semiconductores de Silicio tipo P y N y separados por una zona de transición o juntura de reducido espesor (típico: 0,3 mm), similar a la utilizada en los diodos semiconductores de estado sólido. El anverso (-), de color azul, es la cara fotosensible, siendo el reverso (+) de color gris. Ambas caras permiten soldar a ellas los conductores tabuladores necesarios para realizar el conexionado entre celdas.
La celda se completa mediante contactos alambrados (tabuladores o buses) y soldados en las capas P y N, sobre material de reducida resistencia eléctrica —buen conductor eléctrico— para no provocar caídas de tensión adicionales. Se fabrican celdas solares circulares (mono cristalinas) y rectangulares (policristalinas) en tamaños de 5 x 5, 6 x 6 y 7 x 7 pulgadas. Por lo general las celdas generan 0,5 voltios y su corriente está en directa proporción con su tamaño. Al conectar 36 celdas solares en serie (electrodos de contacto positivos conectados a los electrodos de contacto negativos) sus voltajes parciales se suman y las corrientes individuales no se suman o permanecen igual.
Al incidir los corpúsculos luminosos o fotones sobre la juntura, una parte de ellos se refleja (energía perdida) otra penetra en el semiconductor “P” y una tercera parte de ellos cruza a través de la celda y también se pierde. Los fotones que ingresan con energía suficiente liberan electrones desde los átomos de silicio, dando así origen a una corriente eléctrica. De este modo, cualquiera que sea la región semiconductora en que queda absorbido el fotón y liberados los portadores de carga (electrones), el efecto fotovoltaico produce un desplazamiento de portadores que da lugar a una diferencia de potencial aprovechable de alrededor de 0,5 V entre los electrodos (contactos) de la celda, medición realizada a circuito abierto.
La barrera de potencial o juntura impide que el proceso se revierta, aunque puede existir una pequeña corriente de fuga inversa. Desde el punto de vista eléctrico, las celdas fotovoltaicas pueden compararse operacionalmente con los diodos de silicio normales.
Si una de las celdas conectadas queda a la sombra, 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 que a su vez afectará en gran medida al conjunto del cual forma parte. Si la carga o consumo aplicada al panel solar es tal que demanda una corriente superior a dicha corriente limitada, la celda afectada —sombreada— tenderá a funcionar en sentido inverso, eléctricamente hablando, lo que provocará su calentamiento, el que puede llevar a un riesgo de ruptura de ella y, en el mejor de los casos al colapso energético de la serie de la cual forma parte. Para solucionar este inconveniente, se limita la tensión inversa máxima que puede producirse, añadiendo diodos de Protección o By Pass en paralelo con el panel, situados habitualmente en la caja de conexiones, para proteger a las celdas del sobrecalentamiento debido a sombras parciales en la superficie del panel, según analizaremos oportunamente.
Atendiendo a lo precedente, resulta evidente que es extremadamente importante que los paneles no reciban sombras de obstáculos cercanos, ni provocarse sombras mutuamente en cualquier horario y época del año.
Topologías clásicas para armado de Paneles Solares
Existen muchas opciones y muchos criterios entre diferentes fabricantes de paneles solares, siendo la más clásica la que puede advertirse en el ángulo superior derecho de la figura adjunta, que nos muestra las 36 celdas solares en serie dispuestas en topología 9 celdas por 4 columnas y un diodo Schottky de bloqueo conectado a la salida positiva.
En el ángulo inferior izquierdo de la figura, podemos observar una variante en topología 9 x 2 más 9 x 2 – claramente son dos grupos de 18 celdas provistas de sus respectivos diodos de protección o By Pass – unidas entre sí por el diodo central operando como elemento de bloqueado entre ambos grupos y finalmente el diodo de bloqueo en la salida positiva.
En el ángulo superior derecho podemos ver una tercera variante, esta vez para paneles solares de 72 celdas, que nos presenta un sistema doble de protección y bloqueo mediante diodos Schottky.
Son los propios fabricantes quienes determinan las formas o topologías que utilizarán para el armado de sus paneles, cuyos sistemas de protección y bloqueo vienen armados en las cajas de conexión, que a veces se presentan selladas con algún material aislante de tipo gel siliconado. Más adelante analizaremos las características y trabajo de los diodos Schottky mencionados.
Características de una celda solar – Condiciones de laboratorio.
Tensión a circuito abierto – Vco:
Esta magnitud corresponde a la diferencia de potencial (V) entre los contactos de la celda y en ausencia de consumo, con una fuente de iluminación fija y a una temperatura determinada. Su valor depende de la juntura utilizada y varía muy poco con la intensidad luminosa.
Corriente óptima – Im:
Magnitud correspondiente a la intensidad o corriente que circula por la celda en un punto estimado, realizada en laboratorio, identificada como de funcionamiento óptimo, teniendo además aplicada una carga o consumo de valor óptimo, elegida de modo tal que la potencia eléctrica sea la máxima.
Tensión o voltaje óptimo – Vm:
Esta magnitud es la tensión o voltaje —medida a nivel de laboratorio— que origina la corriente óptima, al ser aplicada sobre una carga o consumo de valor ideal, elegida de modo tal que la potencia eléctrica sea máxima.
Temperatura límite de funcionamiento – Tº max.:
Esta magnitud ronda los 100 grados centígrados…
——————————————————————————————————————–
Ya lo ves… No es un estudio complejo y está muy bien explicado.
¿TE INTERESA PARTICIPAR EN NUESTROS CURSOS?
TOMA CONTACTO CON NOSOTROS: http://www.cursosdeenergiasolar.cl/formulario
99 219 7271
