2. Módulo 3: Energía Solar Fotovoltaica
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Energía solar fotovoltaica
"Fotovoltaico" viene del griego foto (luz) y volt (eléctrico), y significa la
transformación directa de la energía del sol en energía eléctrica. La energía
solar es una energía renovable, obtenida a partir del aprovechamiento de
la radiación electromagnética (luz, calor y rayos ultravioleta principalmente)
procedente del Sol. El aprovechamiento de la energía solar se puede
realizar de dos formas: por conversión térmica de alta temperatura (sistema
fototérmico) y por conversión fotovoltaica (sistema fotovoltaico), utilizada
para las instalaciones de plantas fotovoltaicas.
La energía solar fotovoltaica se basa en el principio de que la energía
contenida en las partículas de luz (los fotones) puede ser convertida en
electricidad. Esto se logra a través del denominado proceso de conversión
fotovoltaica. A grandes rasgos lo que ocurre es que, mediante la utilización
de un dispositivo especialmente diseñado a tal efecto, se obtiene
electricidad gracias al efecto fotoeléctrico de la luz solar. Generalmente
estos dispositivos consisten en una lámina metálica semiconductora que
recibe el nombre de célula fotovoltaica. Como resultado de este proceso
de conversión fotovoltaica, se obtiene energía a bajas tensiones y en
corriente continua. Posteriormente se utiliza un inversor para transformarlo
en corriente alterna. Los aparatos donde se encuentran estas células
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fotovoltaicas se denominan paneles solares, que pueden ser usados para
uso personal y/o familiar.
El efecto fotovoltaico
La conversión directa de la energía solar en energía eléctrica se debe al
fenómeno físico de la interacción de la radiación luminosa con los
electrones en los materiales semiconductores, fenómeno conocido como
efecto fotovoltaico.
El objeto físico en el que este fenómeno tiene lugar es la célula solar, que no
es otra cosa que un diodo con la característica esencial de tener una
superficie muy amplia (unas decenas de cm2).
Una célula solar es un sistema semiconductor que absorbe luz (energía
solar) y la convierte en energía eléctrica. Para convertir la energía del Sol en
energía eléctrica y poder utilizarla de la forma más eficiente y racional
posible se diseñan los sistemas fotovoltaicos. La célula solar es el elemento
que convierte los fotones que proceden del Sol en una corriente eléctrica
que circula por un elemento que denominamos carga. Hoy en día la célula
solar más común es un dispositivo de estado sólido fabricado con materiales
semiconductores.
El efecto fotovoltaico fue identificado por primera vez en 1839 por
Becquerel, quien observó que la tensión que aparecía entre dos electrodos
inmersos en electrolito dependía de la intensidad de luz que incidiese sobre
ellos. El mismo efecto fue observado por Adams y Day, en 1879, pero esta
vez utilizando un elemento sólido: el Selenio. Sin embargo la primera célula
solar moderna tuvo que esperar a Chapin en 1954. Fue una célula de Silicio
y no se dieron muchos detalles de su estructura debido, probablemente, al
temor a que fuese copiada. La motivación para el estudio y desarrollo de
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las células solares durante los primeros años de investigación fue su
aplicación como fuente suministradora de energía a los satélites espaciales.
Hoy se espera que las células solares y la energía solar fotovoltaica
contribuyan de forma importante al suministro de energía limpia a la
sociedad.
Las células solares funcionan gracias a algunas de esas propiedades que es
necesario conocer para adquirir una buena comprensión del
funcionamiento de una célula solar.
Aunque la teoría atómica es complicada, sabemos que los electrones que
se encuentran orbitando alrededor del núcleo atómico no pueden tener
cualquier energía sino solamente unos valores determinados que
denominaremos niveles energéticos a los que se le pone nombre: 1s, 2s, 2p,
3s, etc... En el caso del Silicio la última capa, la número 3, posee cuatro
electrones y faltan también cuatro electrones para completarla. Cuando los
átomos de Silicio se unen unos a otros comparten los electrones de las
últimas capas con los átomos vecinos formando lo que se denomina enlaces
covalentes, muy estables y fuertes. Estas agrupaciones se llevan a cabo de
forma ordenada dando lugar a un sólido de estructura cristalina. De la
misma forma que los electrones en un átomo no pueden tener cualquier
energía, los electrones en un cristal tampoco pueden tomar cualquier
energía. Sin embargo, lo que antes, en el átomo, era un único nivel, ahora,
son agrupaciones de niveles llamadas bandas de energía. Y de la misma
forma que los últimos niveles energéticos en un átomo definen las
propiedades químicas del átomo, las últimas bandas de energía definen las
propiedades electrónicas de un cristal. Las dos últimas bandas ocupadas
(total o parcialmente por electrones) reciben el nombre de banda de
conducción (para la más energética) y banda de valencia.
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Tomado de: curso de energía solar fotovoltaica componentes de una
instalación solar fotovoltaica
Uso de silicio en los paneles solares
Símbolo Si, número atómico 14 y peso atómico 28.086. El silicio es el elemento
electropositivo más abundante de la corteza terrestre. Es un metaloide con
marcado lustre metálico y sumamente quebradizo. Por lo regular, es
tetravalente en sus compuestos, aunque algunas veces es divalente, y es
netamente electropositivo en su comportamiento químico. Además, se
conocen compuestos de silicio pentacoordinados y hexacoordinados.
El silicio elemental crudo y sus compuestos intermetálicos se emplean como
integrantes de aleaciones para dar mayor resistencia al aluminio, magnesio,
cobre y otros metales. el silicio metalúrgico con pureza del 98-99% se utiliza
como materia prima en la manufactura de compuestos organosilícicos y
resinas de silicona, elastómeros y aceites. Los chips de silicio se emplean en
circuitos integrados. Las células fotovoltaicas para la conversión directa de
energía solar en eléctrica utilizan obleas cortadas de cristales simples de
silicio de grado electrónico. El dióxido de silicio se emplea como materia
prima para producir silicio elemental y carburo de silicio. Los cristales grandes
de silicio se utilizan para cristales piezoeléctricos. Las arenas de cuarzo
fundido se transforman en vidrios de silicio que se usan en los laboratorios y
plantas químicas, así como en aislantes eléctricos. Se emplea una dispersión
coloidal de silicio en agua como agente de recubrimiento y como
ingrediente de ciertos esmaltes.
El silicio natural contiene 92.2% del isótopo de masa número 28, 4.7% de
silicio-29 y 3.1% de silicio-30. Además de estos isótopos naturales estables, se
conocen varios isótopos radiactivos artificiales. El silicio elemental tiene las
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propiedades físicas de los metaloides, parecidas a las del germanio, situado
debajo de él en el grupo IV de la tabla periódica. En su forma más pura, el
silicio es un semiconductor intrínseco, aunque la intensidad de su
semiconducción se ve enormemente incrementada al introducir pequeñas
cantidades de impurezas. El silicio se parece a los metales en su
comportamiento químico. Es casi tan electropositivo como el estaño y
mucho más positivo que el germanio o el plomo. De acuerdo con este
carácter más bien metálico, forma iones tetrapositivos y diversos
compuestos covalentes; aparece como un ion negativo sólo en unos pocos
siliciuros y como un constituyente positivo de oxiácidos o aniones complejos.
Forma varias series de hidruros, diversos halogenuros (algunos de los cuales
contienen enlaces silicio-silicio) y muchas series de compuestos que
contienen oxígeno, que pueden tener propiedades iónicas o covalentes.
El silicio se encuentra en muchas formas de dióxidos y en innumerables
variaciones de los silicatos naturales. Para un análisis de las estructuras y
composiciones de las clases representativas.
Por su abundancia, el silicio excede en mucho a cualquier otro elemento,
con excepción del oxígeno. Constituye el 27.72% de la corteza sólida de la
Tierra, mientras que el oxígeno constituye el 46.6%, y el siguiente elemento
después del silicio, el aluminio se encuentra en un 8.13%.
Se sabe que el silicio forma compuestos con 64 de los 96 elementos estables
y probablemente forme siliciuros con otros 18 elementos. Además de los
siliciuros metálicos, que se utilizan en grandes cantidades en metalurgia,
forma compuestos importantes y de empleo frecuente con hidrógeno,
carbono, los halógenos, nitrógeno, oxígeno y azufre. Además, se han
preparado derivados organosilícicos de gran utilidad.
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Tomado de : https://www.lenntech.es/periodica/elementos/si.htm#ixzz6NhzIhYua
Partes de un panel fotovoltaico
Las células se encapsulan en una resina, y se colocan entre dos láminas para
formar los módulos fotovoltaicos. La lámina exterior es de vidrio y la posterior
puede ser de plástico opaco o de vidrio, si se quiere hacer un módulo
semitransparente.
Imagen 1
En el mercado se pueden encontrar 3 tipos de paneles fotovoltaicos
*Imagen 2
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Imágenes tomadas de: Manual sobre instalaciones de plantas fotovoltaicas, ayllu solar serc chile
