Centro Tecnolgico Nuevos Horizontes
Curso Energa Fotovoltaica
Aspectos tcnicos y aplicaciones
Caracterizacin de celdas y generadores fotovoltaicos
Reinhold Schmidt
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Introduccin
Sistema fotovoltaicoFuente energtica
Electricidad, energa til
Electrificacin ruralBombeo
Red elctrica
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Como funcionan,
Que caractersticas elctricas tienen .........??????
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Historia y orgen
1 Descubrimiento del efecto fotovoltaico en celda de Selen, Fsico francs Henri Becquerel
1905 Trabajos tericos, Einstein, etc.
1954 Primera celda industrial, si-mono
1950-60 Primeras aplicaciones extraterrestres, satlites, si-mono
> 1973 Inicio de aplicaciones terrestres, Desarrollo tecnolgico: - materiales - celdas - fabricacin, etc.
2010 aprox. 35 GW instalado
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Efecto fotovoltaico:
Generacin directa de un voltaje elctrico en la celda mediante la absorcin de radiacin solar
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- Los materiales adecuados para aprovechar este efecto fotovoltaico son los semiconductores
- A la fecha, silicio es el material mas utilizado para celdas solares
Silicio
Efecto fotovoltaico
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Enlace covalente
Los tomos comparten uno o ms electrones en unnuevo orbital
Se unen a travs de sus electrones en el ltimo orbital
Ejemplos: gases, no-metales, semiconductores ( Si )
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Silicio - semiconductor
Activacin trmica:
T = 0 K: conductividad elctrica = 0
T > 0 K: conductividad elctrica > 0
o:
Activacin ptica:
conductividad elctrica > 0, electrones libres
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Funcionamiento celda solar
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Esquema celda solar fotovoltaica
Funcionamiento principal:
Absorcin de fotones
Generacin de portadores de carga
Separacin de portad. de carga
Electricidad
Celda = semiconductor , diodo
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Dotacin ( impurificacin ) del silicio
Dotacin con fsforo ( 5 valencias )
aumento de la cantidad de electrones, silicio tipo n
Dotacin con boro ( 3 valencias )
aumento de la cantidad de portadores de carga positiva ( huecos ) Silicio tipo p
B P
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Union pn
Excedentes electronesExcedentes huecos
Regin de carga espacial, potencial
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V
Isc
Circuito elctrico equivalente ideal de la celda solar
Corriente, I
Voltaje, V
Curva IV
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4. El generador solar
Celda solar
Panel
GeneradorPanel
El generador solar
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El generador solar fotovoltaico
Produce electricidad de corriente continua, de alta confiabilidad, garanta > 20 aos
Potencia elctrica depende de la intensidad de radiacin solar
Cantidad de energa elctrica disponible es limitada
Potencia peak
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Silicio monocristalino Silicio policristalino
Ejemplos de paneles fotov
oltaicos:
Materiales Tecnologas de celdas Fabricantes
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Tecnologas de celdas fotovoltaicas
- Actualmente existe una gran variedad de diferentes mtodos de fabricacin de celdas y materiales
- Sin embargo, la gran mayora de paneles fv. en el mercado son fabricados por Si mono y poli
Estructura cristalina Estructura amorfa
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Tecnologas de celdas fotovoltaicas
Capacidad fotovoltaica instalada, mundial
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
40.000
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012
MW
p
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Tecnologas de celdas fotovoltaicas
Tecnologas de celdas fotovoltaicas, 2010
80%
4%
13%
3%
Si cristalinoa-SiCdTeOtros, CIS, CPV, etc.
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Tecnologas de celdas fotovoltaicas
Silicio cristalino Celdas de capa fina Otros
Si mono cristalino Silicio amorfo, a-Si Celdas fv de concentracin
Si poli - multicristalino Teleruro de cadmio, CdTe Celdas orgnicas
Silicio en lminas cintas Cobre Indio Selenio, CIS Celdas flexibles
Cobre, Indio, Galio y Selenio, CIGS etc.
Celdas multiunin
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Celdas fotovoltaicas monocristalino
Material de base:
- Se cortan planchas, lminas wafer de un lingote monocristalino- Espesor del wafer entre 0.2 0.3 mm- Perdidas por proceso de corte- Wafer normalmente dopado tipo p- Varios procesos de fabricacin: Capa n, con juntura pn Contactos elctricos Capa de proteccin SiO2 y vidrio Marco hermtico
Celda final
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Material de base:
Silicio fundido se asienta en molde ( durante proceso de solidificacin se forma la estructura policristalina )- Se cortan planchas, lminas wafer del molde- Espesor del wafer entre 0.2 0.3 mm- Perdidas por proceso de corte- Wafer normalmente dopado tipo p- Varios procesos de fabricacin: Capa n, con juntura pn Contactos elctricos Capa de proteccin SiO2 y vidrio Marco hermtico
Celda final
Celdas fotovoltaicas policristalino
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Celdas fotovoltaicas de capa delgada
Ejemplo: Si amorfo:
Material de base:
- Se deposita silicio sobre un sustrato de vidrio otra material- Deposicin de capas delgadas de Si, tipo n y tipo p espesor de aprox 0.5 um- Ahorro significativo de material - Contactos elctricos- Capa de proteccin SiO2 y vidrio- Marco hermtico
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Ejemplo de paneles fotovo
ltaicos:
Instalacin en La Tirana, 600 Wp
Resumen:
- Funcionamiento de la celda fotovoltaica- Tecnologas- Caractersticas elctricas ( V, I, Pel, Eel, temp. )
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Caractersticas elctricas del generador fotovoltaico
Entrada:
- Irradiancia S en W/m2
- Radiacin global Gdia en kWh/m2da
- Temperatura ambiental, Tamb
Salida:
- Voltaje V en Volt, V- Corriente I en Ampere, A- Potencia elctrica Pel en Watt, W- Energa electrica Eel en Watthoras, Wh
Potencia peak en Watt, PpTemperatura de la celda, Tcelda
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Relacin corriente voltaje de la celda fotovoltaica
Voc : Voltaje circuito abiertoIsc : Corriente de cortocircuitoMPP: Punto de mxima potencia, Vm, ImT: Temperatura de la celda
Especificaciones del fabricante:
Pp: Potencia mxima peak con: S = 1000 W/m2 T = 25 C celda Espectro solar AM 1.5
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Efecto de temperatura de la celda
Debido a la absorcin de la radiacin solar en el panel, la temperatura de la celda ( interior )sube:
Aprox. para paneles de silicio cristalino:
Tcelda Tamb + 27 c con I = 1000 Watt/m2
Voltaje = ?
Corriente = ?
Potencia = ?
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Efecto de temperatura de la celda
Los fabricantes entregan coeficientes de temperatura para voltaje, corriente y potencia:
Valores aprox.:
Voltaje: CT = - 0.35 % / KCorriente: CT = 0.03 % / KPotencia: CT = - 0.50 % / K
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Curva IVMdulo 80 Wp, 36 celdas
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Voltaje en Volt
Cor
rient
e en
A25 C 55 C
Potencia elctricaMdulo 80 Wp, 36 celdas
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Voltaje en Volt
Pote
ncia
en
Wat
t
25 C 55 C
Ejemplo:
Mdulo de 80 Wp
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Datos medidos: Potencia elctrica vs. Intensidad de radiacin solar
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000Intensidad de la radiacin solar (W/m2)
Pot
enci
a ge
nera
dor s
olar
(W
)
Soga Pampa del Tamarugal
Ppeak = 1760 W
32 paneles 8s * 4p, 55 Wp
Pel.max = 1380 W
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Relacin radiacin solar y potencia elctrica
Generador solar
Pel. en WS en W/m2
S en W/m2
Pel. en W
1000
Pp
( Tcelda = 25 C ! )
PpeakPel. = S 1000 W/m2
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Relacin radiacin solar y potencia elctrica
En realidad : Tcelda = 40 60 C Factor de correcin, FCp
Ejemplos......
PpeakPel. = FCp S 1000 W/m2
Valores FCp : 0,8 0,9
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Relacin radiacin solar y energa elctrica
Ejemplos......
PpeakPel. = FCp S 1000 W/m2
Valores FCp : 0,8 0,9
General: Eel. = Pel. t
PpeakEel da. = FCp Gd 1000 W/m2
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Diodos de by-pass
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Diodos de by-pass
Proteccin de las celdas en caso de sombras ( parciales )
I1 I2
I1
I2
I2
+
-
I1
Diodos de by-pass
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