1838, Descubrimiento
del efecto fotovoltaico
por Alexandre
Edmond Bequerel.
1873, Willoughby
Smith descubre de la
fotoconductividad del
selenio.
1877, William Grylls
Adams con Richard
Evans Day, crearon la
primera celda
fotovoltaica de selenio.
1953, Gerald Pearson
de Bell Laboratories,
fabricó una célula de
silicio.
Daryl Chaplin y Calvin
Fuller perfeccionaron
este invento y
produjeron células
solares de silicio.
1904, Albert Einstein
publica su trabajo
acerca del efecto
fotovoltaico.
1954 , Murray Hill,
Chapin, Fuller, y
Pearson publican los
resultados de su
descubrimiento celdas
solares de silicio( 4,5%).
1955, Se comercializa
el primer producto
fotovoltaico (2%) , $25
cada celda de 14 mW.
1958, 17 de marzo se
lanza el Vanguard I,el
primer satélite artificial
alimentado parcialmente
con energía fotovoltaica
0,1 W.
1959, Hofman
Electronics, construye
una celda solar (10%),
e introduce el uso de
contacto metálico.
1963, En Japón se
instala un sistema
fotovoltaico de 242 W
en un faro.
1978, El NASA LeRC
instala un sistema FV de
3.5-kWp en la reserva india
Papago (Arizona). Es
utilizado para bombear
agua y abastecer 15 casas
hasta 1983.
1974-1977, Se fundan las
primeras compañías de energía
solar. El Lewis Research Center
(LeRC) de la NASA coloca los
primeras aplicaciones en
lugares aislados. La potencia
instalada de ESF supera los
500 kW.
1980, La empresa
ARCO Solar es la
primera en producir
más de 1 MW en
módulos Fotovoltaicos
en un año.
1981, Se instala en
Jeddah, Arabia Saudita,
una planta
desalinizadora por
ósmosis-inversa
abastecida por de 8-kW.
1999, 1000 MW,
instalados alrededor del
mundo.
1991, Estados Unidos
establecen la NREL.
1967, Soyus 1 es el
primer satélite que
utiliza celdas solares.
1973, La universidad de
Delaware construye
"Solar One", una de las
primeras viviendas con
energía solar
fotovoltaica.
1982, La producción
mundial de ESF supera los
9.3 MW. Entra en
funcionamiento la planta
ARCO Solar Hisperia en
California de 1-MW.
1983, La producción
mundial de ESF supera
los 21.3 MW, y las
ventas superan los 250
millones de dólares.
2004, El gobierno de
California, propone una
iniciativa, para que en el
2017, se tengan instalados
un millón de SF.
2010, Se instala un SF.
En la Casa Blanca.
ESTRUCTURA DE UNA CELDA FOTOVOLTAICA
¿COMO SE FABRICA EL SILICIO MONOCRISTALINO?
Método
Czochralski
Arena SiO2
Se retira el oxigeno y se
purifíca el silicio.
Obleas de Silicio monocristalino
CONDICIONES ESTÁNDAR DE PRUEBA
Temperatura de la celda o módulo: 25°C
Densidad de potencia de radiación: 1000 W/m2
Distribución espectral: AM 1.5
Air Mass = 1/cosθ
Watt-pico: potencia máxima
entregada por una celda irradiada
con las condiciones estándar.
En la práctica, la eficiencia de celdas fotovoltaicas comerciales es de 17% (silicio
monocristalino). Esta eficiencia es normalmente menor a las alcanzadas en laboratorio
ya que:
1)Las celdas de laboratorio normalmente no tienen recubrimientos de protección.
2)Hay áreas inactivas en el arreglo de celdas fotovoltaicas (entre módulos adyacentes
y el marco exterior).
3)Hay pérdidas en el alambrado entre celdas y en las conexiones de los diodos que
las protegen de cortocircuitos.
4)Es difícil reproducir las condiciones óptimas de un laboratorio en la producción en
masa de celdas.
5)Hay pérdidas debido a diferencias eléctricas entre celdas conectadas en serie.
RETO: REDUCIR COSTOS Y AUMENTAR EFICIENCIA
Aunque se pueden alcanzar eficiencias
relativamente buenas, el costo de
producción es muy alto debido a que:
1)Los procesos de manufactura son lentos
2)Se requiere operadores con mucho
conocimiento y experiencia
3)Emplea mucha mano de obra y energía
4)Se utiliza Silicio de “grado metalúrgico”
Algunas soluciones:
Utilizar Silicio de “grado solar”: menor
costo, reducción de eficiencia muy
pequeña. (Silicio policristalino)
●Utilizar
otros materiales fotovoltaicos
(GaAs).
●
El Silicio policristalino no es más que una aglomeración de pequeños granos
de silicio monocristalino. Es más fácil y más barato producir lingotes de este
material, sin embargo su eficiencia se reduce debido a recombinaciones de
pares electron-hueco en las fronteras entre los granos.
Se pueden alcanzar eficiencias de hasta 14% o más si se controla el tamaño
y orientación de los granos.
• Son aquellas porciones de material solido que no
rebasan los 101 Å (10 Å es 1 nm).
• Existen diferentes métodos que permiten obtener este
tipo de materiales, ya sean químicos o físicos, en
cualquiera de los casos, el material se forma sobre un
sustrato apropiado que puede ser cristalino o amorfo.
Técnicas
de
Deposito
.
Químicas
Electrolítico.
De
Anodización.
Físicas.
Rocío
Pirolitico.
Baño
Químico.
Sputtering.
Evaporación.
Celdas Multiunión
Se apilan uniones PV
de diferente banda
prohibida. Cada capa
absorberá una porción
de la radiación
incidente.
La banda prohibida de
Silicón amorfo, por
ejemplo, puede
incrementarse con
Carbón y reducirse con
Germanio.
SISTEMAS PV CON CONCENTRACIÓN
Se usan espejos o lentes
para concentrar la radiación
solar incidente, por lo que se
requieren sustancialmente
menos celdas.
Las celdas deben enfriarse
para prevenir
sobrecalentamiento.
Los sistemas de alta
concentración contienen
sensores, controles y
motores para seguir la
dirección del sol y absober
la mayor cantidad de
radiación.
La utilidad de los sistemas fotovoltaicos se está
demostrando principalmente en sitios remotos, donde
resulta difícil y costoso extender la red eléctrica.
• Electrificación de pueblos en áreas remotas (Electrificación rural).
• Instalaciones médicas en áreas rurales.
• Instalaciones de casa de campo.
• Sistemas de comunicaciones de emergencia.
• Sistemas de vigilancia.
•Sistemas para cargar acumuladores de barcos.
•Fuentes de energía para naves espaciales.
Estaciones de detección sísmica
En Italia tienen
30 estaciones de
detección
sísmica
equipadas cada
una con dos
módulos solares,
dos reguladores
de carga y
dos baterías de
gel.
El sistema
energiza dos
sensores de
detección
sísmica, un
radio para la
transmisión re
mota de datos
y un módem pa
ra la
transmisión
de alarmas.
Sistemas fotovoltaicos interconectados a la
red eléctrica
Se pueden agrupar en cuatro áreas: sistemas residenciales, estaciones
centrales, estaciones de apoyo a la red y sistemas integrados en edificios.
Ventajas.
• En México, la actual Ley de Servicio
Eléctrico permite que los
particulares generen electricidad
para su propio consumo.
• No hay limitantes de
almacenamiento, en el caso de CFE.
• Presentan algunas ventajas para la
compañía eléctrica, como lo son: la
nivelación de carga al reducir la
demanda pico, el soporte de voltaje
y la disminución de pérdidas por
transmisión y distribución.
Desventajas.
• Pueden producir distorsión
armónica en el voltaje de línea,
incremento de la carga reactiva
del alimentador, variaciones de
voltaje e interferencia
electromagnética.
• Para evitar estos efectos
indeseables, la energía inyectada
a la red debe cumplir con
estándares de calidad bien
definidos.
• Reglamentos de protección y
seguridad
Residencias alimentados con sistemas FV
e interconectados con la red eléctrica
•El límite es 10 KW, para conexión con la red
eléctrica.
•CFE otorga un año para recuperar la energía
suministrada a la red.
Sistemas islas
• La diferencia de un
sistema isla con un
interconectado a la red
es el banco de baterías.
• Ventajas.- Sistemas
100% independientes.
• No hay consumos
excedentes.
Estaciones centrales
• Son plantas FV con capacidades entre 1 y 5 MW generalmente.
• Un arreglo fotovoltaico de este tipo requiere de aproximadamente
7000 metros cuadrados de módulos por cada MWp instalado.
Ejemplo.- La planta fotovoltaica mas grande del mundo se
encuentra ubicada en Amareleja Portugal
• Tiene 46 MWp de potencia y producirá anualmente 93 millones
de kWh –equivalentes al consumo eléctrico de más de 30000
hogares portugueses.
•Ocupa una superficie de 250 hectáreas y consta de 2520
seguidores solares con 262080 módulos fotovoltaicos.
ACCIONA pone en marcha la mayor planta fotovoltaica del mundo
en Portugal, con una inversión total de 261 millones de euros
Evitará la emisión de 89383 toneladas anuales de CO2 en
centrales de carbón.
Estaciones de apoyo a la red
Los sistemas FV tienen una función y localización específica dentro del
sistema de distribución, características que les confieren ventajas
estratégicas:
• Posibilidad de posponer inversiones por incremento de capacidad
de los sistemas de transmisión y distribución.
• Aumento de la vida útil de las instalaciones existentes (líneas,
transformadores, etcétera).
• Disminución de las caídas de tensión por conducción.
• Disminución de pérdidas por transmisión y distribución ya que
parte de la energía se produce localmente.
• Aumento de confiabilidad del alimentador al disminuir la
probabilidad de no satisfacer la demanda pico.
Beneficios de la Generación Distribuida
Integración en edificios
Estos sistemas se distinguen de los residenciales en que
son típicamente de mayor potencia y en que el arreglo
fotovoltaico constituye una parte integral de la fachada
del inmueble.
• Ofrece una gran oportunidad de reducción de costos,
pues además de evitarse inversiones de terreno y
estructuras, los módulos fotovoltaicos sustituyen a
algunos materiales de construcción.
Por sus beneficios actualmente existen muchos sistemas de
este tipo en operación e instalándose en varios países de
Europa, lo mismo que en Japón y Estados Unidos.
HOTEL TRES REYES. EJEMPLO DE INTEGRACIÓN ARQUITECTÓNICA
FOTOVOLTAICA EN EL SECTOR HOTELERO ESPAÑOL
Evitarán la emisión
de 1391 toneladas
anuales de CO2.
Promete no sólo
aportar un valor
añadido estético sino
también, mejorar el
aislamiento y el
balance térmico, así
como proteger al
medio ambiente.
Sanyo Solar Ark. Arquitectura fotovoltaica en Japón
Edifício gigante forrado de 5.000 paneles fotovoltaicos, Produce 500.000 KWh
al año y tiene una potencia instalada de 630 KW de paneles fotovoltaicos. En su
interior hay un museo sobre la energía solar.
Programas de apoyo
Japón.- En 1974 creó el proyecto Sunshine cuyo objetivo primordial era financiar el
desarrollo de tecnologías para la explotación de fuentes alternas de energía.
• La mayoría de sus programas están enfocados prácticamente desde su inicio hacia
los sistemas residenciales conectados a la red.
Ha emprendido programas mediante dos mecanismos principales:
•
El establecimiento de incentivos económicos como la reducción de impuestos a
inversionistas.
• La aplicación de subsidios del 50 y 66% para particulares e instituciones que deseen
instalar sistemas fotovoltaicos.
• El establecimiento en 1993 de una tarifa de compra de energía FV por las compañías
suministradoras (al mismo precio de venta).
• La revisión de políticas regulatorias que en 1990 redujo de manera substancial los
requisitos legales para la instalación de generadores fotovoltaicos.
Conclusión sobre las aplicaciones FV
• El costo de un sistema FV depende en gran medida del precio de las celdas
fotovoltaicas, sin embargo ha venido disminuyendo en forma importante en
los últimos años.
• Se espera que en un futuro muy próximo se consoliden en el mercado
tecnologías FV de menor costo que faciliten su introducción comercial
masiva.
• Apunta la necesidad de establecer un marco regulatorio y técnico normativo
que facilite la introducción ordenada de tales tecnologías, garantizando la
seguridad de los sistemas y de los individuos que interactúan con ellos, la
calidad del servicio eléctrico proporcionado y la estabilidad de la red
eléctrica.
• La Ley Mexicana de Servicio Eléctrico establece el marco jurídico para que
los individuos y las personas morales puedan instalar sus propios
generadores eléctricos y producir electricidad para su consumo particular. A
la vez, establece el derecho de los autogeneradores de interconectarse con la
red eléctrica nacional.
La energía solar fotovoltaica es, al igual que el resto de energías
renovables:
• Inagotable.- Debido a que el elemento base para la fabricación de las celdas
fotovoltaicas (Silicio), es muy abundante, no siendo necesario explotar
yacimientos de forma intensiva.
• limpia.- No emite sustancias contaminantes al medio ambiente.
• Impacto visual es reducido .- Al ser una energía fundamentalmente de
ámbito local, evita cables, postes, no se requieren grandes tendidos eléctricos.
• Prácticamente se produce la energía con ausencia total de ruidos.
Impacto ambiental
Aspectos económicos
Aunque el costo de los sistemas FV no ha llegado a la
madurez suficiente para competir en el mercado, si
consideramos los siguientes aspectos, esta tecnología
estaría muy cerca de ser económicamente competitiva.
•
•
•
•
•
•
•
El valor de la energía
El valor de la capacidad de transmisión
Ahorro en Pérdidas
Valor de la potencia reactiva
Confiabilidad
Valor Ecológico
Política Tarifaria
CARACTERISTICAS SOCIO-ECONÓMICAS
• Su instalación es simple.
• Requiere poco mantenimiento.
• Tienen una vida larga (los paneles solares duran
aproximadamente 30 años).
• Resisten condiciones climáticas extremas: granizo,
viento, temperatura, humedad.
• No existe una dependencia de los países productores de
combustibles.
• Generalmente se utilizan en lugares de bajo consumo y
en casas ubicadas en parajes rurales donde no llega la
red eléctrica general.
• Se puede vender los excedentes de electricidad a una
compañía eléctrica.
• Tolera aumentar la potencia mediante la incorporación
de nuevos módulos fotovoltaicos.
Inconvenientes de los sistemas FV
• Impacto en el proceso de fabricación de las placas.
• Necesidad de grandes extensiones de terreno
(Impacto visual).
Barreras para su desarrollo
• De carácter administrativo y legislativo: Falta de
normativa sobre la conexión a la red.
• De carácter inversor: Inversiones iniciales elevadas.
• De carácter tecnológico: Necesidad de nuevos
desarrollos tecnológicos.
• De carácter social: Falta de información
• En la década de los 90 y en los primeros años del Siglo
XXI las céldas fotovoltaicas han experimentado un
continuo descenso en su coste junto con una ligera
mejora de su eficiencia.
• En Alemania y España las compañías de luz pagan el
excedente de energía a un costo mayor al de venta.
Asociación de la Industria Fotovoltaica Europea
• En 2010 se duplico la producción de Celdas fotovoltaicas, aunque
sigue dominando el mercado el silicio cristalino, la producción de
celdas solares de películas delgadas se esta abriendo paso.
• Entre el 2004 y el 2009 la capacidad Fotovoltaica conectada a la red
se ha incrementado en una tasa promedio anual del 60%.
Renewables 2011. Global Status Report.
Mercado
Eficiencia porcentual de diferentes tipos de celdas
solares.
Pereda Soto, Isidro Elvis; CELDAS FOTOVOLTAICAS EN
GENERACION DISTRIBUIDA ; Santiago de Chile, 2005.
http://web.ing.puc.cl/~power/paperspdf/pereda.pdf
Pronósticos mundiales por segmento del mercado.
• Eficiencia en dependencia de la eficiencia y el
precio de los materiales. De I, II y III,
generación.
http://www.revista.unam.mx/vol.8/num12/art89/int89.htm
• Actualmente, la energía solar solo proporciona el 0.001%
de la demanda energética global. En otros términos, toda
la energía solar generada mundialmente apenas serviría
para alimentar la ciudad de Washington durante seis
días al año.
Según la International Energy Agency, para el año
2015 sólo el 3,3% de la demanda total de energía
del mundo será provista por energía solar mediante
celdas Fotovoltaicas.
Se podría igualar la totalidad de la producción de
energía eléctrica de todo Estados Unidos
únicamente con centrales que funcionen con celdas
fotovoltaicas, y en un área de solo 34000 km2, es
decir, menos del 5% del territorio de Chile; es
suficiente para alimentar energéticamente a más de
250 millones de personas que consumen
aproximadamente el 23% de toda la energía
eléctrica producida en el mundo.
Si actualmente el kWh producido mediante energía
solar cuesta entre 20 y 30 centavos de dólar, en el
corto plazo debería bajar a un mínimo de 18
centavos de dólar, valor suficiente como para ser
una alternativa concreta de uso. En el mediano
plazo, este rango de valor debería bajar hasta
fluctuar entre los 10 y los 20 centavos de dolar por
kWh. Se espera que a largo plazo el valor de un
kWh generado mediante celdas FV llegue a costar
entre 8 y 15 centavos de dólar.
Energía solar que podría ser aprovechada.
http://www.cec.uchile.cl/~arnudman/files/rendimiento.html
Capacidad de producción de energía solar
en cada país.
• Los primeros seis puestos están ocupados por:
Alemania, Japón, Estados Unidos, India, China y
España.
• http://eco.microsiervos.com/energia/energiasolar-mundo-mapping-worlds.html
• La huerta solar es la asociación de varios inversionistas en
paneles solares que forman una central generadora de
energía compartiendo un mismo terreno y los diversos
gastos. Normalmente se llevan a cabo en países que
subsidian las tarifas de venta de este tipo de energía. Este
concepto ha animado a muchos inversionistas que han visto
en ella una fuente de ingreso fija y fiable invirtiéndose
importantes cantidades de dinero en la generación eléctrica
solar.
Amareleja, Portugal.
• Tecnología: Solar fotovoltaica con seguimiento
acimutal.
• Conexión a red: Completada en diciembre de 2008.
• Potencia: 45.78 MW.
• Producción estimada: 93 GWh.
• Consumo equivalente en hogares: 30, 000.
• Superficie: 250 hectáreas.
• Seguidores solares : 2, 520 ACCIONA Buskil k18.
• Superficie de un seguidor: 141 m2.
• Módulos fotovoltaicos: 262, 080.
• Emisiones evitadas: 89, 383 ton. de CO2.
• Inversión: 261 millones de euros.
•En México hay un crecimiento gradual del mercado
pero no al ritmo que está creciendo en otros lugares
del mundo.
•Existen algunos programas gubernamentales que
han permitido instalar sistemas fotovoltaicos en
zonas rurales del país.
• Desafortunadamente, estos esfuerzos aislados, o
programas fomentados por instituciones externas no
han originado una política nacional que fomente el
uso de los sistemas fotovoltaicos, en particular, y
otras fuentes de energía en general.
• Por ello, se espera que las leyes apoyen el uso de
energías renovables. Para difundir y aumentar el uso
de ellas en nuestro país.
Mercado Potencial en México.
Más de 6 000 000 de personas sin
energía eléctrica y sin posibilidades de
tener este servicio. Si cada usuario
pudiera instalar un sistema de sólo 200
Wp, el mercado sería de mas 1.2 GWp.
La industria fotovoltaica para ser
competitiva debe establecerse en
México en el corto plazo, pues de otra
manera los niveles de inversión
requeridos la harán menos factible. En
sólo 10 años se requerirán inversiones
de billones de dólares.
http://www.anes.org/anes/formularios/RedFotovoltaica/frmRedFotovoltaica.php#
De 1993 a 2003, la capacidad instalada de sistemas fotovoltaicos se
incrementó de 7 a 15 MW, generando más de 8,000 MWh/año para
electrificación rural, bombeo de agua y refrigeración.
Con una insolación media de 5 kWh/m2 el potencial en México es de los
más altos del mundo. Se espera tener instalados 25 MW con tecnología
fotovoltaica para 2013, y generar 14 GWh/año.
•Módulos Fotovoltaicos.
Capacidad total instalada en 2009: 5,712 MW
Aislada en 2009: 0.758 MW, 13.28 %
Conectada a la Red en 2009: 4,954 MW,
86.72 %
Acumulado hasta 2009: 25.12 MW
Horas promedio de insolación: 5.2 h/día
Factor de planta y horas sol promedio: 25 %
Disponibilidad de energía solar
primaria = 1, 381 Petajoules .
Generación secundaria
de electricidad = 0.0429 Petajoules.
Uso final.
Electrificación rural, residencial, bombeo de
agua, comercial, industrial. Sistemas aislados
y conectados a la red.
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Energía solar fotovoltaica