Characteriza*on of solar cell systems Rafael Guzmán Cabrera
División de ingenierias
Programa
Las tendencias tecnológicas y energéticas del siglo XXI se pueden expresar en solo 6 palabras:
Mas energía, menos dióxido de carbono El Nuevo Orden Energético Mundial requiere una energía que sea abundante, económica, accesible a todos, de precio no volátil, amigable al ambiente y de carácter sustentable
Opciones de abastecimiento de la demanda mundial 1860-2060
Orden de la presentación • • • • • • •
Problemática Análisis de fallas en líneas de transmisión Objetivos Introducción Conceptos Básicos Ventajas/desventajas Características de las celdas solares
Importancia de la Eficiencia Energética
Necesario satisfacer la demanda de energía de todos los sectores
Altos precios del petróleo mundial
+ Competitividad y Productividad derivados de:
Reducción en el uso de combustibles fósiles menos emisiones de (CO2)
menos GEI’s
Uso racional con sustentabilidad ambiental, con una visión global
Combate mundial de los efectos adversos del calentamiento global mitigación Cambio Climático
Proyectos y Programas EE
1 Menor Consumo de Energía sin afectar el Desarrollo Maximización de la Eficiencia Energética
Ahorro y Uso Eficiente de Energía Eléctrica
Cambio Positivo
Eficiencia Energética con Sustentabilidad Ambiental
2
Cultura del Uso Eficiente de la Energía Eléctrica Fomento a la diversificación de Fuentes
Energías Alternas y Renovables
Mayor Sustentabilidad Económica
Evolución
Pymes , Comercios, Servicios, Industria y Municipios
Diagnósticos Energéticos
Financiamiento del 100% de la inversión
Sustitución de Equipos
Reembolso hasta un plazo máximo de 3 años
Obras Nuevas
Tiempo máximo de ejecución del Proyecto 6 meses
10
• Caso de estudio • Líneas de transmisión subterráneas • (como ejemplo)
Idea intui*va
Structure of an underground electric power conductor.
Implementación para detección de fallas
Falla • Una de las fallas mas comunes es las terminales (mal contacto)
Resultados
Resultados
Correlación de la falla
Correlación de la falla
Objetivos • Estudio y caracterización de células fotovoltaicas mediante un modelo eléctrico teórico que contrastaremos con los resultados obtenidos experimentalmente. • Comparación entre diferentes mediciones de voltaje dependiendo la altura a la que se encuentra la lámpara led. • Medición del voltaje en la celda fotovoltaica dependiendo el ángulo de inclinación respecto a la lámpara led. • Obtener la curva caracterís*ca I-‐V de la celda
Introduction • • • •
Energías no renovables Energías renovables ¿Cómo se puede ahorrar energía ? ¿Cómo podemos ahorrar energía en casa ?
Introduction: Energías renovables: Energía solar
Energía eólica Energía hidráulica Energía mareomotriz Energía geotérmica Energía de biomasa Energía de residuos sólidos urbanos
Introduction: Emisiones de dióxido de carbono
Emisiones de dióxido de carbono por unidad de energía
producida por varios combustibles, expresadas en porcentajes de las emisiones producidas por el carbón.
Introduction: Generación – Distribución • El medio rural aparece como el mejor escenario para implementar el uso de fuentes de energía renovable. Las energías renovables (solar térmica, solar fotovoltaica, eólica, mini hidráulica, biomasa) también llamadas energías limpias, utilizan todas ellas, directa o indirectamente, la energía del sol.
Energía solar • La energía que procede del sol es fuente directa o indirecta de casi toda la energía que usamos. • Los combustibles fósiles existen gracias a la fotosíntesis que convirtió la radiación solar en las plantas y animales de las que se formaron el carbón, gas y petróleo. • El ciclo del agua que nos permite obtener energía hidroeléctrica es movido por la energía solar que evapora el agua, forma nubes y las lleva tierra adentro donde caerá en forma de lluvia o nieve. • El viento también se forma cuando unas zonas de la atmósfera son calentadas por el sol en mayor medida que otras.
Conceptos Básicos: Tipos de materiales • Conductores: electrones de valencia poco ligados al núcleo. • Semiconductores: electrones de valencia más ligados al núcleo. • Aislantes: configuración muy estable. Los materiales usados en las celdas solares son semiconductores.
Conceptos Básicos: Celdas solares
Conceptos Básicos: Celdas solares • Transforman directamente la energía solar en energía eléctrica. • Energía resultante de reacciones nucleares de fusión.
Conceptos Básicos: Celdas solares • Fotovoltaica es la conversión directa de luz en electricidad a nivel atómico. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.
Conceptos Básicos: Celdas solares • La celdas solares o fotovoltaicas funcionan bajo el principio de que la electricidad circulará entre dos semiconductores disímiles al ponerlos en contacto uno con el otro y ser expuestos a la luz. Un conjunto de dos o más unidades de celdas fotovoltaicas de iguales características constituyen un módulo fotovoltaico.
Conceptos Básicos: Celdas solares Varios módulos pueden ser conectados unos con otros para formar un arreglo. Los módulos y arreglos fotovoltaicos producen corriente directa. Estos arreglos pueden ser conectados tanto en serie como en paralelo para producir cualquier can*dad de voltaje o corriente que se requiera.
Introduction: Principales aplicaciones Generalmente es utilizado en zonas aisladas de la red de distribución eléctrica convencional, pudiendo trabajar en forma independiente o combinada con sistemas de generación eléctrica convencional. Sus principales aplicaciones son: • Electrificación de inmuebles rurales: luz, TV, telefonía, comunicaciones, bombas de agua • Electrificación de cercas • Alumbrado exterior • Balizado y Señalización • Protección catódica • Náutica, Casas Rodantes, etc.
Ventajas de las celdas fotovoltaicas No consumen combus*bles.
No *enen partes de movimiento. Son modulares, lo que permite aumentar la potencia instalada, sin interrumpir el funcionamiento La vida ú*l es superior a 20 años. Resisten condiciones externas como vientos, granizos, temperatura y humedad. Son totalmente silenciosos. No contaminan el medio ambiente.
Características de la Tecnología Fotovoltaica • No contienen fluidos o gases que puedan derramarse o fugarse. • Tienen una respuesta rápida, alcanzando plena producción eléctrica instantáneamente. • El 85% de las celdas FV se fabrican de silicio, el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre. • Tienen una eficiencia de conversión de luz solar a electricidad relativamente alta • Tienen amplio rango de capacidad de generación, de microwats a Megawats. • Tienen alta relación de potencia a peso.
Limitaciones de los Sistemas FV: • No son aún económicamente competitivos para la mayoría de las aplicaciones, especialmente en aplicaciones de escala intermedia y grande. • Para la manufactura de cierto tipo de celdas requiere el manejo de sustancias que pueden ser nocivas para el ambiente en caso de descargas accidentales. • Las tecnologías de producción están controladas por los países industrializados.
Conceptos Básicos: Estructura semiconductores • Materiales: Si, Ge, P, As. • Estructura del Si: – segundo elemento del planeta más abundante. – 14 electrones y 14 protones, 4e-‐ de valencia. – se presenta en la naturaleza de dos formas dis*ntas, una amorfa y otra cristalizada
Conceptos Básicos: Semiconductor “*po I” • Celda elemental de Si: – se unen 5 átomos del material, enlace covalente. – no hay electrones libres, por lo cual se denomina conductor intrínseco o “*po I”.
Conceptos Básicos: Semiconductor “*po N” • Si incorporamos una impureza, P (5 electrones de valencia) habrá un electrón libre. • El material tendrá exceso de cargas nega*vas.
Conceptos Básicos: Semiconductor “*po P” • Si incorporamos B (3 electrones de valencia) aparecerá un hueco. • No se produce enlace covalente y hay exceso de cargas posi*vas.
Conceptos Básicos: Unión “NP” • Unión de material “*po N” y “*po P”. • Los electrones sobrantes del material N pasan hacia el material P y los “huecos” del material P pasan al material N. • Cuando la luz incide sobre el semiconductor, se liberan electrones del átomo de Si, se rompe el equilibrio de la unión NP y se producen los denominados par “electrón-‐hueco”. • Se genera un campo eléctrico que al conectar una carga externa entre ambas zonas, genera la corriente eléctrica. • Para el Si, se pueden obtener potenciales de aproximadamente 550mV.
Conceptos Básicos: Tipos de celdas de Si Mono cristalinas: – estructura atómica muy ordenada. – rendimiento entre el 15% y el 18%. – didcil construcción, alto precio. • Poli cristalinas: – estructura atómica no tan ordenada como en el mono cristalino. – rendimiento entre el 12% y el 15% . • Amorfas: – estructura atómica bastante desordenada. – rendimiento es inferior al 10%. – fabricación sencilla, más barato. •
Elementos de una celda solar de Si – Un contacto superior en la zona del material “*po N”. – Dos semiconductores “*po N” y “*po P”. – Un contacto inferior en la zona del material “*po P”.
La luz del sol se puede convertir directamente en electricidad
Fotones con energía suficiente
Fotones con energía insuficiente
Usan el efecto fotoeléctrico. Las células fotovoltaicas no *enen rendimientos muy altos. La eficiencia media en la actualidad es de un 10 a un 15%, aunque algunos proto*pos experimentales logran eficiencias de hasta el 30%. Por esto se necesitan grandes extensiones si se quiere producir energía en grandes can*dades.
Caracterís*cas de las celdas solares • Caracterís*cas I-‐V
– Voltaje de circuito abierto VOC – Corriente de cortocircuito ISC – Potencia Máxima (rectángulo)
• Factor de llenado (fill factor) : cociente entre el rectángulo de máxima potencia y el rectángulo inscrito entre el voltaje de circuito abierto y la corriente de corto circuito. Esta medida nos da una idea de la calidad de la celda
Caracterís*cas de las celdas solares • Caracterís*cas I-‐V
– Esto precisamente es lo que haremos en el taller (mas adelante los detalles)
Caracterís*cas de las celdas solares: Eficiencia • Definición: Relación entre la potencia eléctrica generada por unidad de área (W/m2) y la irradiación solar incidente (W/m2) para obtenerla • Máximas eficiencias teóricas para las celdas solares para diversos materiales (J.J. Loferski 1963)
Características de las celdas solares: Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio • Silicio mono cristalino:estructura cristalina uniforme • Silicio poli cristalino:estructuras ubicadas arbitrariamente. Estos “granos” hacen que la estructura no sea uniforme y se obtenga una eficiencia menor • Silicio amorfo:presenta todavía bajos niveles de eficiencias
Caracterís*cas de las celdas solares: Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio
• El Silicio se ob*ene a par*r de elementos como arena o cuarzo • Se presentan en la naturaleza con altos grados de impurezas, por este mo*vo es necesario procesarlos • Obtenemos un Silicio con propiedades de semiconductor y así lograr celdas de alta eficiencia • el Silicio es el segundo elemento más abundante en la superficie terrestre, luego del oxígeno.
Características de las celdas solares:Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio Producción de Silicio Poli cristalino • Proceso – Consiste en llevar los granos de cuarzita a temperaturas sumamente elevadas, agregando carbón para eliminar el oxigeno presente en la cuarzita y producir una sustancia gris metálica brillante de una pureza de aproximadamente 99%. – Para llegar a purezas de 99,9999%, la sustancia obtenida es depurada mediante un proceso similar al u*lizado en las refinerías de petróleo, llamado des*lación fraccionada
Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio
Producción de Silicio Mono cristalino • Proceso – Método de crecimiento de Czochralski (CZ)
• El Silicio Policristalino se funde en un crisol a temperaturas cercanas a 1.410ºC, • Se introduce una “semilla” de Silicio Mono cristalino, • Se re*ra lentamente (10cm/hora) haciendo crecer un lingote cilíndrico de material Mono cristalino
Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio • Método Flotante (FZ) – Se coloca una “semilla” Mono cristalina sobre una barra de Silicio Poli cristalino – Luego gracias a una bobina que induce un campo eléctrico, la barra se calienta y se funde con la semilla – Al desplazarse completamente por la bobina permite la obtención del lingote de Silicio Mono cristalino – Este lingote es más puro que el producido con el método CZ
Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio Producción de obleas • Una vez obtenido el cilindro de Silicio Mono cristalino, se procede a cortar las obleas o wafers con espesor aproximado de 300um • Para realizar esta operación se u*liza una sierra con mul*filamentos, la cual al cortar las obleas produce parnculas de Silicio • Se pierde casi un 20% de material
Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio Producción de obleas • Las obleas son dopadas con átomos de Fósforo en un horno a temperaturas entre 800ºC y 900ºC para obtener la capa N • El substrato tipo P se logra, antes de obtener los lingotes, dopando el Silicio con átomos de Boro, para luego cortar las obleas que serán utilizadas como material tipo P en las celdas
Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio Película anti reflectante • Consiste en una tratamiento o texturizado que se le da al Silicio para disminuir el índice de reflexión • Estructura piramidal, que aumenta la absorción de la luz incidente, gracias a reflexión múltiple de ésta
Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio Contactos • Superior : Debe construirse con unidades lo bastante gruesas, para transportar la corriente eléctrica y lo bastante finas, para no obstaculizar el paso de la luz solar • Inferior : material conductor simple (aluminio)
Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio • Celdas de Arseniuro de Galio (GaAs) – Eficiencias mayores a las de Silicio. • Algunos fabricantes, como Spectrolab, han construido celdas con multijunturas, superponiendo junturas específicas para un determinado espectro de la luz solar y así aprovechar totalmente el espectro
Fabricación de módulos. Caracterización N celdas en serie o en paralelo, la potencia total de salida es WP = N ·∙ (IP ·∙ VP) IP = corriente peak de la celda VP = voltaje peak de la celda
Característica
Silicio
Ip [mA/cm ]
28
VP [V]
0,5
WP [mW/cm ]
14
VOC [V]
0,6
Aplicaciones de celdas Fotovoltaicas Electrificación de viviendas Electrificación establecimientos rurales Iluminación, Televisores, Telefonía, Bombeo de agua Comunicaciones. Electrificación de alambradas Balizas Casas rodantes Náu*ca
Prác*ca • Equipo y material a u2lizar: • Celda fotovoltaica de Si célula mono cristalina. 1 V, 400mA. • Mulnmetro. • Potenciómetro de 5 KΩ. • Lámpara led. • Cables de conexión. • Clavija. • Cable. • Socket.
Prác*ca
Muchas Gracias
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