Semiconductores
Un semiconductor es un componente que no es directamente un conductor de corriente, pero tampoco es un aislante. En un conductor la corriente es debida al movimiento de las cargas negativas (electrones). En los semiconductores se producen corrientes producidas tanto por el movimiento de electrones como de las cargas positivas (huecos). Los semiconductores son aquellos elementos pertenecientes al grupo IV de la Tabla Periódica (Silicio, Germanio, etc.). Generalmente a estos se le introducen átomos de otros elementos, denominados impurezas, de forma que la corriente se deba primordialmente a los electrones o a los huecos, dependiendo de la impureza introducida. Otra característica que los diferencia se refiere a su resistividad, estando ésta comprendida entre la de los metales y los aislantes.
Efecto de la temperatura sobre los materiales.
La resistencia de un conductor metálico aumenta al aumentar la temperatura. Dicho aumento depende de la elevación de la temperatura y del coeficiente térmico de resistividad alfa (
), el cual se define como el cambio de resistividad por grado centígrado de variación. Los semiconductores tienen un coeficiente de temperatura negativo, mientras que muchos metales se tornan superconductores a pocos grados por encima del cero absoluto.
La temperatura de trabajo (Tt) que alcanza un panel fotovoltaico
obedece una relación lineal dada por la expresión:
Tt=Ta+K.R
• Tt: Temperatura de trabajo
• Ta: Máxima temperatura ambiente
• R: radiación solar en mW/cm2 (varía entre 80 y 100 mW/cm2).
• K: coeficiente que varía entre 0,2 y 0,4 ºC.cm2/mW dependiendo de la velocidad promedio del viento. Cuando ésta es muy baja, o inexistente, el enfriamiento del panel solar es pobre o nulo y K toma
valores cercanos o iguales al máximo (0,4). Si la velocidad del viento produce un enfriamiento efectivo del panel, el valor de K será el mínimo (0,2).
K.R: Representa el incremento de temperatura que sufre panel sobre la máxima temperatura ambiente.
Para calcular la Potencia de salida a la temperatura de trabajo
(Pt) que alcanza un panel fotovoltaico, el primer paso es calcular la
Temperatura de trabajo y luego se determina el incremento en
la temperatura respecto a la de prueba (25 ºC).
La expresión aproximada para el cálculo es:
Pt= Pp δ.Dt
• Pt: Potencia de salida a la temperatura de trabajo.
• Pp: Potencia pico del panel (25 ºC).
• δ: Coeficiente de degradación (0,6 % / ºC)
• Dt: Incremento de temperatura sobre los 25 ºC (Tt – 25ºC)
El personal técnico de la revista “HOME POWER” ha llevado a cabo una serie de evaluaciones, usando paneles solares con células de diferentes tipos, a temperaturas de trabajo no inferiores a los 50°C. Los resultados de estas pruebas han sido publicados en tres de sus números: el 24 (Págs. 26-30) y el 33 (Págs. 17-20) y el 49 (Págs. 28-33). La última evaluación es la más interesante por dos motivos: fue llevada a cabo después de un largo tiempo de uso de los paneles solares fotovoltaicos puestos a prueba y la temperatura de trabajo es la de verano. Ellos evaluaron nueve paneles con tres tipos diferentes de células: cristalina, policristalina y amorfa. Los resultados muestran que la mayoría de los paneles, independientemente del tipo de célula, ofrecen un coeficiente de degradación que oscila entre 0,7 y 0,86%.
Tecnología Fotovoltaica
La célula fotovoltaica
El fenómeno fotovoltaico fue descubierto en 1839 por el científico francés, Henri Becquerel. Las primeras celdas solares de selenio fueron desarrolladas en 1880, sin embargo, no fue sino hasta 1950 que se desarrollaron las celdas de silicio monocristalino que actualmente dominan la industria fotovoltaica. Las primeras celdas de este tipo tenían una eficiencia de conversión de solo 1%; ya para 1954 se había logrado incrementar la eficiencia al 6% en condiciones normales de operación, mientras en el laboratorio se lograron eficiencias cercanas a 15%. Desde entonces hasta nuestros días la eficiencia en las células no ha mejorado notablemente.
La producción eléctrica está basada en el fenómeno físico denominado "efecto fotovoltaico", que básicamente consiste en convertir la luz solar en energía eléctrica por medio de unos dispositivos semiconductores denominados células fotovoltaicas. Estas células están elaboradas a base de silicio puro (uno de los elementos más abundantes en la naturaleza, componente principal de la arena) con adición de impurezas de ciertos elementos químicos (boro y fósforo), y son capaces de generar cada de ellas una corriente de 2 a 4 Amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48 Voltios, utilizando como fuente de energía la radiación luminosa. Las células se montan en serie sobre paneles o módulos solares para conseguir un voltaje adecuado. Parte de la radiación incidente se pierde por reflexión (rebota) y otra parte por transmisión (atraviesa la célula).
El resto es capaz de hacer saltar electrones de una capa a la otra creando una corriente proporcional a la radiación incidente. La capa antirreflejo aumenta la eficacia de la célula.
Generalmente, una célula fotovoltaica tiene un grosor que varía entre los 0,25 y los 0,35 mm y una forma generalmente cuadrada, con una superficie aproximadamente igual a 100 mm2.
Los materiales para la fabricación de los paneles solares son:
-Silicio Monocristalino: de rendimiento energético hasta 15 - 17%
-Silicio Poli-cristalino: de rendimiento energético hasta 12 - 14 %
- Silicio Amorfo: con rendimiento energético menor del 10 %;
- Otros materiales: Arseniuro de galio, diseleniuro de indio y cobre, telurio de cadmio.
Actualmente, el material más utilizado es el silicio monocristalino que tiene prestaciones y duración en el tiempo superiores a cualquier otro material utilizado para el mismo fin.
