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Energia Solar Fotovoltaica.org

Solar fotovoltaica

La energia solar fotovoltaica es producida por panelessolares que estan formados por celulas solares

Solar fotovoltaica :Definición y categorías

El término “fotovoltaica” puede referirse al fenómeno físico (el efecto fotovoltaico descubierto por Alexandre Edmond Becquerel en 1839) o la tecnología asociada.

La energía solar fotovoltaica es electricidad producida transformando parte de la radiación solar por medio de una célula fotovoltaica. Esquemáticamente, un fotón de luz incidente permite bajo ciertas circunstancias poner en movimiento un electrón, produciendo así una corriente eléctrica.

Las células fotovoltaicas están hechas con materiales semiconductores producidos principalmente a partir de silicio. Estos materiales emiten electrones cuando se someten a la acción de la luz. Estos son expulsados ​​del material y circulan en un circuito cerrado, produciendo así electricidad.

La energía solar es, a escala humana, inagotable y está disponible en cantidades muy grandes.

Este proceso no requiere un ciclo termodinámico intermedio, es decir, la radiación se convierte directamente en electricidad sin el uso intermedio de calor (a diferencia del termodinámico solar ).

Funcionamiento científico

Principio de funcionamiento de una célula fotovoltaica.

Las células fotovoltaicas explotan el efecto fotoeléctrico para producir corriente continua por absorción de radiación solar. Este efecto permite a las células convertir directamente la energía de la luz de los fotones en electricidad a través de un material semiconductor que transporta cargas eléctricas.

Una célula fotovoltaica está compuesta por dos tipos de materiales semiconductores, uno con un exceso de electrones y el otro con una deficiencia de electrones. Estas dos partes se denominan respectivamente “dopado” tipo n y tipo p. El dopaje de los cristales de silicio consiste en agregarles otros átomos para mejorar la conductividad del material.

Un átomo de silicio tiene 4 electrones periféricos. Una de las capas de la célula está dopada con átomos de fósforo, que tienen 5 electrones (1 más que silicio). Hablamos del dopaje de tipo n como negativo porque los electrones (de carga negativa) son excedentes.

La otra capa está dopada con átomos de boro que tienen 3 electrones (1 menos que el silicio). Hablamos de dopaje de tipo p como positivo debido a la deficiencia de electrones así creada. Cuando el primero se pone en contacto con el segundo, los electrones en exceso en el material n se difunden en el material p.

Constitución de una célula fotovoltaica (Conocimiento de Energías, según CEA)

Al cruzar la célula fotovoltaica, los fotones desgarran electrones en los átomos de silicio de las dos capas n y p. Los electrones liberados luego se mueven en todas las direcciones.

Después de salir de la capa p, los electrones toman prestado un circuito para volver a la capa n. Este desplazamiento de electrones no es otro que la electricidad.

Estado de las tecnologías tradicionales.

Fotovoltaica solar no concentrada

Las tecnologías basadas en silicio representan más del 90% del mercado global fotovoltaico (1) .

  • Celdas monocristalinas
    Este es el sector histórico de la energía fotovoltaica. Las células monocristalinas son la primera generación de fotocélulas. Se producen a partir de un bloque de silicio cristalizado en una sola pieza. Tienen un buen rendimiento, pero el método de producción es laborioso y costoso. Esta es la celda de calculadoras y relojes llamada “solar”.
  • Células policristalinas Las células policristalinas
    están hechas de un bloque de silicio compuesto de múltiples cristales. Tienen un rendimiento menor que las células monocristalinas, pero su costo de producción es menor.
  • Los avances tecnológicos ahora permiten producir células policristalinas de película delgada para ahorrar silicio. Estas células tienen un grosor del orden de unas pocas micras de grosor.

En los últimos diez años, la eficiencia promedio de un panel fotovoltaico a base de silicio ha aumentado del 12% al 17% según el instituto alemán Fraunhofer (2) .

Tecnologías prometedoras

Energía solar fotovoltaica concentrada

Los espejos concentran los rayos del sol en una pequeña célula solar fotovoltaica con alta eficiencia. Gracias a esta tecnología de concentración, los materiales semiconductores pueden ser reemplazados por sistemas ópticos menos costosos. Con la misma potencia, esto hace posible usar 1,000 veces menos material fotovoltaico que en paneles fotovoltaicos con exposición directa.

Se espera que esta tecnología ingrese al mercado en un futuro cercano.

El rendimiento teórico máximo de la conversión fotón-electrón es del orden del 85% (el rendimiento de Carnot es del 95%) (3) . El rendimiento experimental máximo obtenido con esta tecnología es actualmente del 46% ( 4) .

Componentes orgánicos (polímeros)

El uso de materiales polímeros tiene como objetivo reemplazar los materiales inorgánicos con semiconductores orgánicos, en otras palabras, plásticos, para la fabricación de células fotovoltaicas.

Estos son baratos, tienen buenas propiedades de absorción y son fáciles de depositar. Su costo muy bajo se combina con características particularmente atractivas: más livianas y menos frágiles, su naturaleza flexible permite obtener materiales flexibles hechos de polímeros orgánicos o silicona e incluso tintas fotovoltaicas.

Con una corta esperanza de vida, actualmente ofrecen solo un poco más de 10% de rendimiento en el laboratorio (5), pero podrían servir como base para el desarrollo de un sector industrial.

Células híbridas: térmicas y fotovoltaicas.

 

La eficiencia de las células solares fotovoltaicas disminuye cuando los paneles aumentan de temperatura. Algunos centros de investigación (6)  tuvieron la idea de recuperar el calor capturado y liberado por la energía fotovoltaica para optimizar simultáneamente la eficiencia eléctrica y obtener una fuente de calefacción. Desarrollan colectores solares híbridos que combinan energía fotovoltaica y térmica.

Desafíos con la energía.

Ventajas

  • La energía solar  es a escala humana, inagotable y disponible en grandes cantidades. Además, durante la fase de operación, la producción de electricidad mediante paneles fotovoltaicos no es contaminante.
  • El silicio, un material utilizado en los paneles solares más populares de la actualidad, es muy abundante y no tóxico.
  • Los paneles solares tienen una vida útil de 20 a más de 30 años y son casi completamente reciclables.
  • La modularidad de los paneles es muy importante, es decir, es posible diseñar instalaciones de varios tamaños en una amplia variedad de entornos. Por lo tanto, son adecuados para la producción descentralizada de electricidad en sitios aislados.
  • Los paneles fotovoltaicos se pueden utilizar para fines domésticos a pequeña escala (por ejemplo, en techos) o para la producción de energía industrial a gran escala ( por ejemplo, la granja solar Toul-Rosières en Lorena ).

Una célula fotovoltaica tradicional debe operar entre uno y medio y cinco años para compensar la energía utilizada para fabricarla.

limitaciones

  • La tecnología fotovoltaica sigue siendo costosa a pesar de que su costo de producción ( LCOE ) ha disminuido significativamente en los últimos años ( con un costo de producción de $ 70 a $ 90 / MWh en algunas áreas hoy en día, las instalaciones fotovoltaicas a veces alcanzan un nivel local. “Paridad de precios” con medios “convencionales” de producción de electricidad ).
  • Los paneles fotovoltaicos más extendidos, hechos de silicio cristalino, son pesados, frágiles y difíciles de instalar.
  • Una planta de energía requiere grandes áreas, aunque la densidad tiende a mejorar (ejemplo de la planta de energía fotovoltaica de Bresse-sur-Issole en Provenza: 1.2 hectáreas por megavatio instalado ).
  • El impacto ambiental y energético de la fabricación de paneles de silicio no es cero. Una célula fotovoltaica debe operar entre un año y medio y cinco años para compensar la energía utilizada para fabricarla (7) .
  • La energía eléctrica no es almacenable “directamente”, es decir, en su forma primaria. Sin embargo, es posible almacenarlo “indirectamente” en baterías en forma química o en acumuladores cinéticos en forma mecánica. Las tecnologías existentes siguen siendo caras.
Actores principales

Durante varios años, las instalaciones de paneles fotovoltaicos se han acelerado gracias a programas nacionales de incentivos financieros como las tarifas de recompra subsidiadas. electricidad producida para la red pública. Los estados juegan un papel clave en el desarrollo del sector.

El mercado global de células y paneles fotovoltaicos está dominado por un puñado de países (China, Taiwán, Japón, Malasia, Alemania, Estados Unidos). La compañía china Suntech Power se convirtió en 2009 en el principal productor mundial de paneles fotovoltaicos. Sharp (Japón), JA Solar (China) y First Solar (Malasia) son otros grandes nombres en este sector (al que, hasta 2012, la compañía alemana Q-Cells, que el balance de ese año).

Unidades de medida y cifras clave

Vatios pico

La potencia “máxima” de un sistema fotovoltaico (expresada en Wc) es la potencia máxima (sensores bien orientados, bien inclinados y sombreados) que puede producir bajo una determinada cantidad de luz solar.

Esta unidad tiene tres usos principales:

  • la comparación del rendimiento de materiales fotovoltaicos en las mismas condiciones;
  • la calificación del tamaño de una instalación, independientemente de sus condiciones de sol;
  • La comparación de los depósitos solares y su producción eléctrica.

A finales de 2016, la capacidad instalada del parque solar fotovoltaico global superó los 300 gigavatios (GW) instalados, según la PV Market Alliance (8) .

En 2014, la energía solar (fotovoltaica y termodinámica incluida) generó casi 197.1 TWh de electricidad en todo el mundo, o alrededor del 0.8% de la producción mundial de electricidad según los últimos datos de Irena (9) .

Según la AIE , los sectores fotovoltaico y termodinámico tendrán contribuciones equivalentes en 2050 en términos de producción de energía. Alrededor del 80% de la producción mundial de módulos fotovoltaicos todavía se basa en obleas de silicio cristalino. El resto utiliza capas delgadas depositadas en una superficie, una solución más económica para los costos de fabricación pero con menores rendimientos.

Zona de presencia o aplicación

Los países con las empresas más desarrolladas también son los países que han instalado más capacidad fotovoltaica. Esto se debe a que las empresas locales a menudo obtienen subvenciones o mercados nacionales que les permiten crecer más rápido y experimentar con sus tecnologías.

Cabe señalar que la eficiencia de los paneles disminuye cuando aumenta la temperatura. Por lo tanto, hay pocas instalaciones en el desierto. Generalmente son sistemas solares termodinámicos preferidos cuyo rendimiento aumenta con la temperatura.

Pasado y presente

1839  : Antoine Becquerel publica una memoria sobre los efectos eléctricos producidos bajo la influencia de los rayos solares en un experimento realizado por su hijo Edmond con una batería que consta de electrodos de platino y cobre oxidado sumergido en una solución electrolítica ácida. Esta batería puede suministrar corriente.

1877  : W. G. Adams y R. E. Day descubren el efecto fotovoltaico del selenio, y C. Fritts desarrolla el primer panel fotovoltaico basado en células de selenio.

1905  : Albert Einstein publica un artículo sobre el efecto fotoeléctrico, por el cual obtiene un Premio Nobel en 1921.

1954  : DM Chapin, CS Fuller y GL Pearson, dos ingenieros de Bell Telephone Laboratories (EE. UU.), Anuncian el desarrollo de una célula con una eficiencia de conversión de energía del 6%, marcando realmente el nacimiento de electricidad fotovoltaica

1959  : Estados Unidos pone en órbita Vanguard, el primer satélite alimentado por células fotovoltaicas.

1970  : las crisis del petróleo fortalecen el interés y los créditos otorgados a la energía fotovoltaica.

1978  : se alcanza el primer pico de megavatios instalado en 1978.

De 2010 a 2016  : la capacidad instalada del parque fotovoltaico global se multiplicó por 6 entre finales de 2010 (50 GW) y finales de 2016 (305 GW).

futuro

La industria fotovoltaica ahora está recurriendo al desarrollo de técnicas que finalmente utilizarán mucho menos material o materiales menos costosos. La energía solar concentrada, la deposición de la cinta, los paneles de capa delgada y los materiales orgánicos son hoy las principales líneas de investigación e innovación futura.

Finalmente, la investigación sobre el almacenamiento de electricidad también será importante. Este tema transversal de la energía se ocupa más específicamente de la energía solar fotovoltaica, ya que la competitividad de esta tecnología dependerá en gran medida de la capacidad de adaptar su producción para satisfacer necesidades específicas .

concretamente

La potencia del parque fotovoltaico francés ha aumentado más de diez veces entre finales de 2009 y finales de 2011, pero el ritmo del desarrollo de la capacidad se ha ralentizado en los últimos años. El parque fotovoltaico francés tiene una capacidad instalada de 6.8 GW a finales de 2016. Según RTE, produjo 8,3 TWh en 2016, o el 1,6% de la producción nacional de electricidad ese año.

Sabías ?

En una hora, el sol produce más energía de la que consume la humanidad en un año.

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