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Energia Solar Fotovoltaica.org

Energia solar fotovoltaica de concentracion

¿Podría la energía solar concentrada convertirse en la fuente de energía del futuro?

La energía solar concentrada (CSP) tiene el potencial de llevar energía a áreas remotas del mundo. Pero las plantas de CSP tienen un defecto fatal, necesitan mucho para funcionar.

La energía fotovoltaica es ideal para desiertos soleados, pero la arena y el polvo del desierto hacen que todos los espejos deban limpiarse regularmente con agua preciosa.

En una torre central en una planta en el sur de España, los espejos concentran el calor del sol convirtiendo el agua en vapor en una planta, alimentando una turbina de energía.

Definición y categorías

Los sistemas fotovoltaicos permiten generar directamente electricidad a partir de energía luminosa convertida por un material de efecto fotoeléctrico. El efecto fotovoltaico es más específicamente causado por la absorción de fotones en un material semiconductor que transforma su energía luminosa en voltaje eléctrico.

La energía solar fotovoltaica que se usa actualmente (exposición directa) consiste en cubrir toda la superficie de los paneles de células solares, generalmente de silicio.

solar fotovoltaica “concentración” es por su parte para captar la radiación solar a través de un pavimento óptica (lentes o espejos) de bajo costo para centrarse en un área mucho más pequeña (1/1000 XX ) en la que Coloque una pequeña célula solar con alto rendimiento.

La pila de materiales fotoeléctricos III-V (categorías de elementos en la matriz Mendeleyev (1) : As, Ga, In, P, B) que constituyen las células de alto rendimiento es tal que el espectro de radiación solar se convierte en energía eléctrica es más extenso que en las células fotovoltaicas de silicio (IV). 

Para el mismo flujo solar capturado, los rendimientos de energía logrados hoy (30% a 40% para el conjunto de lente y sensor) son el doble de los de paneles solares fotovoltaicos con exposición directa (alrededor del 10% y hasta el 20% ). El potencial de estas estructuras hace posible esperar a largo plazo lograr una eficiencia de conversión del flujo solar en energía eléctrica superior al 50%.

Funcionamiento técnico o científico

Principio de funcionamiento de una célula fotovoltaica.

Las células fotovoltaicas explotan el efecto fotoeléctrico para producir corriente continua por absorción de radiación solar. Consisten en una base hecha de un material semiconductor, generalmente silicio, dopado con una “impureza” de tipo p, por ejemplo boro u otro material de categoría III, que carga positivamente su banda de conducción por defecto. electrones.

En esta base dopada “p” (positiva), se hace una unión “pn” depositando una capa delgada de silicio dopado con una impureza tipo V “n” (negativa), cargando así negativamente la banda de valencia en el parte superior de la unión.

En la unión, por lo tanto, se ha creado una diferencia potencial entre las bandas de valencia y conducción, por lo tanto, un campo permanente en la brecha de banda que separa estas dos bandas.

Cuando un fotón golpea la superficie de la célula fotovoltaica y transmite su energía a un electrón de valencia del semiconductor, este último puede cruzar la banda prohibida y unirse a la banda de conducción si la energía recibida es suficiente.

Si el ancho de banda prohibido es de 0.7 a 0.4 eV, que es el del espectro de energía solar, la célula fotovoltaica puede generar una corriente eléctrica continua cuando es iluminada por el sol.

Hoy en día, hay tres tipos de células solares producidas industrialmente. Estas son células de silicio utilizadas para paneles solares con exposición directa. Se distinguen por su costo, su eficiencia y su eficiencia espacial (Wc / m 2 ):

  • silicio amorfo condensado en capas delgadas al vacío sobre placas de vidrio. Los costos son bajos pero los rendimientos también (5-7%, 60 Wc / m 2 ). La principal ventaja de este tipo de células es la economía del material de silicio;
  • silicio monocristalino sólido de alto rendimiento (15%, 150 Wc / m 2 );
  • silicio policristalino, rendimiento intermedio.

Energia solar fotovoltaica de concentracion

Características de las células de alta eficiencia (fotovoltaica concentrada)

El silicio tiene el principal defecto estructural de poseer un espectro de absorción fotónica que no cubre todo el espectro de radiación solar recibida por la superficie de la tierra.

Por lo tanto, los físicos han propuesto reemplazarlo con células fotovoltaicas de alta eficiencia, que consisten en una pila de tres uniones pn sucesivas que asocian semiconductores de las familias III y IV que absorben la energía solar en un espectro de luz mucho más amplio que el silicio (IV).

Los materiales más utilizados son el arseniuro de galio y sus aleaciones derivadas que se depositan por epitaxia (2) en la fase de vapor, de acuerdo con una técnica estándar de la industria de componentes para obtener cristales depositados en capas delgadas sobre un sustrato de germanio. .

Las capas de cristales se superponen para crear en el grosor del material hasta tres niveles de conversión de energía luminosa en energía eléctrica. Cada uno está adaptado a una parte del espectro de luz desde ultravioleta a infrarrojo.

La primera unión tiene un ancho de banda alto para absorber los fotones solares más energéticos (UV) y permanecer transparente para los demás. El segundo está adaptado a las frecuencias medias (radiación visible), el tercero al infrarrojo, el sustrato de germanio absorbe las frecuencias más distantes.

Los materiales celulares de alta eficiencia se usaron inicialmente para aplicaciones espaciales, pero su uso se ha extendido en los últimos años a la fabricación de diodos emisores de luz (LED), ahora producidos a costos competitivos.

El diseño de una célula fotovoltaica de buena eficiencia energética es el recíproco de la realización de un LED que emite un espectro de luz caliente, es decir, multicromo.

En un caso, un amplio espectro de luz se transforma en electricidad al sumar el resultado de conversión de la energía cosechada en tres sub-bandas de frecuencia. En el otro, tres componentes electroluminiscentes, cada uno con su propia subbanda de frecuencia de luz, son excitados por la energía eléctrica.

Dispositivos de concentración

Se utilizan dos dispositivos principales de enfoque óptico, que integran lentes Fresnel o espejos parabólicos. En ambos casos, la célula fotovoltaica de múltiples funciones se coloca en el plano focal del dispositivo. El tamaño de la celda varía de 1 a 2 cm 2 y el módulo receptor óptico ocupa una superficie del orden de 1000 a 2000 cm 2 . En la práctica, los factores de concentración de la energía solar están entre 500 y 1500.

Cuanto mayor sea la concentración, más precisa será la orientación solar del panel solar que agrupa los módulos. Para un factor de concentración de 500, el panel debe orientarse con una precisión de 1.5 ° (y 0.5 ° si llega a 1500).

La estructura orientable del panel (rastreador) también tiene la función de evacuar las calorías resultantes de la transformación en calor de la energía solar incidente que no se transforma en energía eléctrica dentro de las células. El enfriamiento de la estructura se realiza por convección natural y, por lo tanto, no requiere fluido.

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Desafío económico

Si, con un flujo solar recibido equivalente, la eficiencia de conversión eléctrica de un panel solar de concentración ya es al menos dos veces mayor que la de un panel de silicio, no es lo mismo desde un punto de vista económica. De hecho, es necesario integrar los costos adicionales asociados a los concentradores ópticos, los rastreadores y la fabricación de células fotovoltaicas multicapa.

Las estimaciones globales actuales estiman los costos potenciales de concentrar la generación de energía fotovoltaica en 15 centavos por kilovatio-hora, competitiva con la energía fotovoltaica “convencional”, pero aún más del doble del costo del gas y la energía nuclear. .

Como los LED están destinados a ser producidos en masa para uso del consumidor, el costo de concentrar las células debería beneficiarse de los efectos seriales sustanciales y, en última instancia, suplantar a los paneles de silicio.

Potencial de crecimiento y huella

En general, la energía solar absorbida por la corteza terrestre es aproximadamente 7,000 veces la energía consumida por los humanos. En comparación, la energía eléctrica generada por el sol producida hoy por la energía fotovoltaica es, según la AIE , 2 milésimas de la producción mundial de electricidad, es decir insignificante, mientras que la fotosíntesis absorbe alrededor de 0 , 5% de la energía solar no reflejada, 35 veces el consumo mundial de energía, que es considerable.

Dada la inmensidad del recurso, existen márgenes sustanciales de progreso siempre que la tecnología permita costos de producción competitivos y que el establecimiento de plantas de energía solar siga siendo ambientalmente aceptable.

Esta es una de las fortalezas de la energía fotovoltaica concentrada, que, gracias a su buena eficiencia de conversión, permite reducir significativamente las áreas de captura de granjas solares (relación de 1 a 2 entre la energía fotovoltaica tradicional y la fotovoltaica concentrada).

Actores principales

El Instituto Fraunhofer ha contribuido mucho en Europa al desarrollo de sistemas fotovoltaicos concentrados (CPV (3) ). Se extendió en 2005 al crear la empresa Concentrix Solar, adquirida en 2009 por la empresa francesa Soitec. El tándem Soitec / Concentrix comparte el liderazgo del mercado global de CPV con American Amonix y SolFocus, ambos con sede en California. Concentrix y Amonix utilizan lentes de lentes Fresnel, mientras que SolFocus eligió el espejo Cassegrain.

Pasado y presente

Esta tecnología, reservada durante mucho tiempo para el sector espacial, donde el precio por kilogramo en órbita justifica los costos adicionales de obtener un rendimiento óptimo, se ha utilizado con éxito en algunas operaciones piloto, especialmente en España bajo el programa europeo Hércules y su suites (capacidad instalada o en construcción de 18 MW) y en los Estados Unidos (capacidad instalada o en construcción de 330 MW).

futuro

Los expertos predicen un aumento muy rápido en el sector de concentración que podría tener una capacidad instalada en el mundo de 1 GW en 2015. Esto sigue siendo bajo en comparación con el sector fotovoltaico tradicional que usa silicio, y casi insignificante en términos de producción total de electricidad.

La intermitencia solar sigue siendo un obstáculo estructural para el desarrollo del sector, ya que necesariamente conduce a la duplicación de estas instalaciones mediante la producción eléctrica a partir de gas, que emite CO 2 . ¿La mejora de los sistemas de almacenamiento eléctrico hará del sector solar una verdadera “energía limpia”?

Sabías ?

Para construir una central eléctrica de 20 MW, es necesario utilizar 300 kg de materiales semiconductores, 3.500 toneladas de acero y 2.500 toneladas de vidrio. La energía consumida para transformar estos elementos básicos es producida por la planta en 12 meses, que es un ciclo de retorno de energía particularmente corto.

Una planta de energía de 20 MW requiere un área de captura del orden de 5 hectáreas en condiciones óptimas de luz solar (2500 horas de sol al año).

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