Fundamentos de Energía Fotovoltaica: Procesos, Materiales y Sistemas

Fundamentos de la Energía Fotovoltaica

El calentamiento es el aumento de la vibración de los átomos, lo cual genera energía mecánicamente; este es el principio de funcionamiento de los generadores termoeléctricos. Por otro lado, la ionización ocurre cuando un fotón extrae un electrón de su órbita, convirtiéndolo en energía eléctrica.

Radiación y Espectro Solar

• Fotones: Son los portadores de la radiación electromagnética. El espectro visible para el ojo humano comprende un margen de 400-800 nm.
• Irradiación isotrópica: Radiación sin pérdidas de una fuente radiante con intensidad constante.
• Constante Solar: Es la irradiancia media durante el año en la superficie fuera de la atmósfera y perpendicular a los rayos solares. Su valor es de 1353 W/m² (AM0, radiación de cuerpo negro a una temperatura de 5800 K).

Masa de Aire y Parámetros Técnicos

La Masa de aire (Air Mass, AM) es la distancia óptica de la luz solar a través de la atmósfera hasta el nivel del mar. El Coeficiente de masa de aire (m) es la distancia de masa de aire relativa respecto al cenit. Este valor modifica la irradiancia y el espectro. Los paneles fotovoltaicos se caracterizan para un valor de m = 1,5, que corresponde a un ángulo de φ = 42 grados. Cabe destacar que las unidades fotométricas, a diferencia de las radiométricas, tienen en cuenta la percepción del ojo humano.

Celdas Fotovoltaicas y Unión PN

Las celdas fotovoltaicas utilizan Silicio. La red cristalina se dopa sustituyendo átomos de silicio por átomos de Fósforo (añadiendo un electrón, tipo N) o Boro (creando un hueco, tipo P). La Unión PN es la red cristalina donde conviven átomos de Fósforo (rica en electrones libres) y Boro (rica en huecos).

• Equilibrio Termodinámico: Cuando hay una alta concentración de N y P, se crea una difusión de electrones de N a P y viceversa. Esto genera una zona de carga espacial que origina un campo eléctrico de N a P, provocando una corriente de arrastre en sentido contrario a la difusión hasta alcanzar el equilibrio. En la oscuridad, las corrientes se igualan y se anulan.

Rendimiento y Tipos de Paneles

El factor NOCT es especificado por el fabricante e indica la temperatura de la celda a una irradiancia de 800 W/m², temperatura de 20 °C y velocidad del viento de 1 m/s.

Clasificación de paneles:

• Monocristalino: Un único cristal, mayor eficiencia (15-18%), rendimiento menor en interiores, coste alto, celdas hasta 900 nm.
• Policristalino: Conglomerado de pequeños cristales con diferente orientación, coste menor, rendimiento inferior.
• Amorfos: No forman red, coste menor, diseño delgado, rendimiento mucho menor, mayor degradación, mejor desempeño en interiores, celdas hasta 600 nm.

Componentes de la Radiación y Sistemas

La luz solar en superficie se descompone en tres componentes: radiación solar directa (trayectoria definida), radiación difusa y radiación reflejada (albedo). El Albedo es el porcentaje de radiación que una superficie refleja respecto a la que incide sobre ella. La irradiancia máxima se obtiene cuando la radiación directa es perpendicular a la superficie del panel.

Bloques de una instalación fotovoltaica:

1. Panel Fotovoltaico: Genera corriente continua; sus características dependen de la iluminación, temperatura y tensión de polarización.
2. Inversor: Convierte corriente continua en alterna en fase con la red; incluye MPPT para el seguimiento del punto de máxima potencia.
3. Sistema de protección: Circuitos para usuarios y equipos.

En los sistemas autónomos, se requiere panel, batería, control de carga y regulador DC/AC. Estos sistemas tienen un estado de reposo (donde disminuye la potencia consumida) y uno activado. Existen dos formas de conectar el panel a la batería: mediante interruptor (conexión directa) o mediante conexión con MPPT.