Funcionamiento y Características de las Células Fotovoltaicas: Una Mirada Detallada

Fundamentos de la Célula Fotovoltaica

Unión P-N

La célula fotovoltaica se forma uniendo una capa de silicio tipo N y otra capa de silicio tipo P. Los electrones de la zona N próximos a la unión se desplazan y se recombinan con los huecos de la zona P. Se crea una zona con carga neta denominada zona de transición.

Efecto Fotovoltaico

La radiación solar incide sobre la zona N y genera pares electrón-hueco. Los huecos de la zona N son atraídos hacia la zona P, concentrando carga a ambos lados de la unión.

Comportamiento Eléctrico de una Célula Solar

Si la célula no suministra corriente (circuito abierto), la tensión es máxima y se denomina tensión de circuito abierto (Voc). Al comenzar a suministrar corriente, la tensión de la célula disminuye gradualmente. Llega un punto en que la célula ya no puede suministrar más corriente y su tensión cae rápidamente. Si la célula está cortocircuitada (resistencia de valor 0 entre sus terminales), la corriente es máxima y se denomina corriente de cortocircuito (Isc). La curva representa la potencia suministrada por la célula en cada posición del potenciómetro.

En los puntos extremos, la potencia suministrada es 0. Partiendo del circuito abierto, si la célula comienza a suministrar corriente, la potencia aumenta. Alcanza un punto de máxima potencia y, si se le exige más corriente, la potencia disminuye. Este punto se denomina potencia máxima y ocurre a una tensión denominada Vmpp (tensión en el punto de máxima potencia). Trazando la vertical, el punto donde corta a la línea azul indica Impp (corriente en el punto de máxima potencia).

Factores que Afectan el Rendimiento

Irradiancia

• Isc: Es proporcional a la irradiancia.
• Voc: Permanece relativamente constante.

Temperatura

• Isc: Se mantiene constante.
• Voc: Varía ligeramente, aumentando a medida que la temperatura disminuye.

Condiciones de Medida y Operación

Condiciones Estándar de Medida (CEM)

Para comparar el funcionamiento de células de diferentes fabricantes, se utilizan condiciones estandarizadas:

• Irradiancia: 1000 W/m²
• Temperatura de la célula: 25 °C

Condiciones Nominales de Operación (CNO)

Condiciones más realistas de operación:

• Irradiancia: 800 W/m²
• Temperatura ambiente: 20 °C
• Velocidad del viento: 1 m/s

Eficiencia y Factor de Forma

Eficiencia de una Célula (η)

Es el porcentaje de potencia recibida (irradiancia solar) que se transforma en potencia eléctrica. Se representa con la letra griega η (eta) y se expresa en porcentaje.

Tipos de Células

• Silicio monocristalino
• Silicio policristalino
• Película fina

Factor de Forma (FF)

Es el cociente entre la potencia máxima y el producto de Isc por Voc. Es adimensional.

Conexiones de Células Fotovoltaicas

Conexión en Serie

Aumenta la tensión del conjunto.

• Vp = Ns x Vc
• Ip = Ic
• Pp = Vp x Ip = Ns x Vc x Ic = Ns x Pc

Conexión en Paralelo

Aumenta la corriente del conjunto.

• Ip = Np x Ic
• Vp = Vc
• Pp = Vp x Ip = Np x Ic x Vc = Np x Pc

Conexión Mixta (Serie-Paralelo)

Aumenta tanto la tensión como la corriente.

• Ip = Np x Ic
• Vp = Ns x Vc
• Pp = Vp x Ip = Np x Ic x Ns x Vc = Np x Ns x Pc

Donde:

• Vp: Tensión del panel
• Ip: Intensidad del panel
• Pp: Potencia del panel
• Vc: Tensión de una célula
• Ic: Intensidad de una célula
• Pc: Potencia de una célula
• Ns: Número de células en serie
• Np: Número de células en paralelo

Parámetros del Panel

• Vocp: Tensión de circuito abierto del panel = Ns x Vocc
• Iscp: Intensidad de cortocircuito del panel = Np x Iscc
• Pmax: Potencia máxima del panel = Ns x Np x Pmaxc (También llamada potencia pico)
• Vmppp: Tensión en el punto de máxima potencia = Ns x Vmppc
• Imppp: Intensidad en el punto de máxima potencia = Np x Imppc

Generador Fotovoltaico

Cuando se combinan paneles en serie y paralelo, se forma un generador fotovoltaico.

Conexión en Serie

• Vg = Ns x Vp
• Ig = Ip
• Pg = Vg x Ig = Ns x Vp x Ip = Ns x Pp

Conexión en Paralelo

• Ig = Np x Ip
• Vg = Vp
• Pg = Vg x Ig = Np x Ip x Vp = Np x Pp

Conexión Mixta

• Ig = Np x Ip
• Vg = Ns x Vp
• Pg = Vg x Ig = Np x Ip x Ns x Vp = Ns x Np x Pp

Donde:

• Vg: Tensión del generador
• Ig: Intensidad del generador
• Pg: Potencia del generador
• Vp: Tensión de un panel
• Ip: Intensidad de un panel
• Pp: Potencia de un panel
• Ns: Número de paneles en serie
• Np: Número de paneles en paralelo