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The Solar Settlement , un proyecto comunitario de vivienda sostenible en Freiburg , Alemania.
La sombra fotovoltaica SUDI es una estación autónoma y móvil en Francia que proporciona energía para coches eléctricos utilizando energía solar.
Paneles solares en la Estación Espacial Internacional

La energía fotovoltaica ( PV ) es la conversión de luz en electricidad utilizando materiales semiconductores que exhiben el efecto fotovoltaico , un fenómeno estudiado en física , fotoquímica y electroquímica . El efecto fotovoltaico se utiliza comercialmente para la generación de electricidad y como fotosensores .

Un sistema fotovoltaico emplea módulos solares , cada uno de los cuales comprende una serie de células solares , que generan energía eléctrica. Las instalaciones fotovoltaicas pueden ser montadas en el suelo, montadas en el techo, montadas en la pared o flotantes. El soporte puede ser fijo o usar un seguidor solar para seguir al sol a través del cielo.

La energía fotovoltaica se ha convertido en la fuente de energía eléctrica más barata en las regiones con un alto potencial solar, con una oferta por precios tan bajos como 0,01567 US $ / kWh en Qatar en 2020. [1] Los precios de los paneles se han reducido en un factor de 4 entre 2004 y 2011. Esta competitividad abre el camino a una transición global hacia la energía sostenible , que sería necesaria para ayudar a mitigar el calentamiento global . El presupuesto de emisiones de CO
2para alcanzar el objetivo de 1,5 grados se consumiría en 2028 si las emisiones se mantienen en el nivel actual. Sin embargo, el uso de la energía fotovoltaica como fuente principal requiere sistemas de almacenamiento de energía o distribución global por líneas eléctricas de corriente continua de alto voltaje , lo que genera costos adicionales, así como una serie de otras desventajas específicas, como la generación de energía inestable y el requisito de que las compañías eléctricas compensar el exceso de energía solar en la combinación de suministro disponiendo de fuentes de alimentación convencionales más fiables para regular los picos de demanda y la posible suboferta.

La energía solar fotovoltaica tiene ventajas específicas como fuente de energía: una vez instalada, su funcionamiento no genera contaminación ni emisiones de gases de efecto invernadero , muestra una escalabilidad simple con respecto a las necesidades de energía y el silicio tiene una gran disponibilidad en la corteza terrestre, pero otros materiales requeridos en el sistema fotovoltaico. la fabricación como la plata eventualmente limitará un mayor crecimiento en la tecnología. Otras limitaciones importantes identificadas son la competencia por el uso de la tierra y la falta de mano de obra para realizar las solicitudes de financiación. [2] La producción y la instalación causan contaminación y emisiones de gases de efecto invernadero y no existen sistemas viables para reciclar los paneles una vez que están al final de su vida útil después de 10 a 30 años.

Los sistemas fotovoltaicos se han utilizado durante mucho tiempo en aplicaciones especializadas como instalaciones independientes y los sistemas fotovoltaicos conectados a la red se han utilizado desde la década de 1990. [3] Los módulos fotovoltaicos se produjeron por primera vez en masa en 2000, cuando los ambientalistas alemanes y la organización Eurosolar recibieron fondos del gobierno para un programa de diez mil techos. [4]

En cualquier caso, los avances tecnológicos y el aumento de la escala de fabricación han reducido el coste, [5] aumentado la fiabilidad y aumentado la eficiencia de las instalaciones fotovoltaicas. [3] [6] La medición neta y los incentivos financieros, como las tarifas de alimentación preferenciales para la electricidad generada por energía solar, han respaldado las instalaciones de energía solar fotovoltaica en muchos países. [7] Actualmente, más de 100 países utilizan energía solar fotovoltaica.

En 2019, la capacidad fotovoltaica instalada en todo el mundo aumentó a más de 635 gigavatios (GW) cubriendo aproximadamente el dos por ciento de la demanda mundial de electricidad . [8] Después de las energías hidroeléctrica y eólica , la fotovoltaica es la tercera fuente de energía renovable en términos de capacidad mundial. La Agencia Internacional de Energía espera un crecimiento de 700 - 880 GW de 2019 a 2024. [9]

En 2020, un sistema fotovoltaico en la azotea recupera la energía necesaria para fabricarlo en 1,28 años en Ottawa , Canadá , 0,97 años en Catania , Italia y 0,4 años en Jaipur , India . [10]

La fotovoltaica ha crecido como fuente de energía principalmente como resultado del desarrollo tecnológico que genera costos decrecientes. [11]

Etimología [ editar ]

El término "fotovoltaica" proviene del griego φῶς ( phōs ) que significa "luz", y de "volt", la unidad de fuerza electromotriz, el voltio , que a su vez proviene del apellido del físico italiano Alessandro Volta , inventor de la batería ( celda electroquímica ). El término "fotovoltaica" se utiliza en inglés desde 1849. [12]

Células solares [ editar ]

Artículo principal: célula solar
Las células solares generan electricidad directamente de la luz solar .
Estimaciones del mapa de potencial de energía fotovoltaica, cuántos kWh de electricidad se pueden producir a partir de módulos c-Si independientes de 1 kWp, inclinados de manera óptima hacia el Ecuador. El promedio a largo plazo resultante (diario o anual) se calcula sobre la base de los datos meteorológicos de series de tiempo de al menos 10 años recientes. El mapa es publicado por el Banco Mundial y proporcionado por Solargis.

La energía fotovoltaica se conoce mejor como un método para generar energía eléctrica mediante el uso de células solares para convertir la energía del sol en un flujo de electrones mediante el efecto fotovoltaico . [13] [14]

Las células solares producen electricidad de corriente continua a partir de la luz solar que se puede utilizar para alimentar equipos o recargar una batería . La primera aplicación práctica de la energía fotovoltaica fue para alimentar satélites en órbita y otras naves espaciales , pero hoy en día la mayoría de los módulos fotovoltaicos se utilizan para sistemas conectados a la red para la generación de energía. En este caso, un inversor se requiere para convertir la DC a AC . Todavía existe un mercado más pequeño de sistemas autónomos para viviendas remotas, botes , vehículos recreativos , automóviles eléctricos , teléfonos de emergencia en las carreteras, sensores remotosy protección catódica de tuberías .

La generación de energía fotovoltaica emplea módulos solares compuestos por varias células solares que contienen un material semiconductor. [15] Los cables solares de cobre conectan módulos (cable de módulo), matrices (cable de matriz) y subcampos. Debido a la creciente demanda de fuentes de energía renovables, la fabricación de células solares y matrices fotovoltaicas ha avanzado considerablemente en los últimos años. [16] [17] [18]

Las celdas requieren protección del medio ambiente y generalmente están empaquetadas herméticamente en módulos solares.

La potencia del módulo fotovoltaico se mide en condiciones de prueba estándar (STC) en "W p " ( pico de vatios ). [19] La producción de energía real en un lugar particular puede ser menor o mayor que este valor nominal, dependiendo de la ubicación geográfica, la hora del día, las condiciones climáticas y otros factores. [20] Los factores de capacidad de los conjuntos solares fotovoltaicos suelen estar por debajo del 25%, que es más bajo que muchas otras fuentes industriales de electricidad. [21]

Fabricación [ editar ]

Véase también: Lista de empresas fotovoltaicas

En general, el proceso de fabricación de la creación de energía solar fotovoltaica es simple en el sentido de que no requiere la culminación de muchas partes complejas o móviles. Debido a la naturaleza de estado sólido de los sistemas fotovoltaicos, a menudo tienen una vida útil relativamente larga, de 10 a 30 años. Para aumentar la producción eléctrica de un sistema fotovoltaico, el fabricante simplemente debe agregar más componentes fotovoltaicos y, debido a esto, las economías de escala son importantes para los fabricantes, ya que los costos disminuyen con el aumento de la producción. [22]

Si bien hay muchos tipos de sistemas fotovoltaicos que se sabe que son efectivos, la fotovoltaica de silicio cristalino representó alrededor del 90% de la producción mundial de fotovoltaica en 2013. La fabricación de sistemas fotovoltaicos de silicio tiene varios pasos. Primero, el polisilicio se procesa a partir de cuarzo extraído hasta que es muy puro (grado semiconductor). Esto se derrite cuando pequeñas cantidades de boro, un elemento del grupo III, se agregan para hacer un semiconductor de tipo p rico en huecos de electrones. Normalmente, utilizando un cristal semilla, se hace crecer un lingote de esta solución a partir del líquido policristalino. El lingote también se puede colar en un molde. Las obleas de este material semiconductor se cortan del material a granel con sierras de alambre y luego se someten a un grabado en la superficie antes de limpiarlas. A continuación, las obleas se colocan en un horno de deposición de vapor de fósforo que coloca una capa muy delgada de fósforo, un elemento del grupo V, que crea una superficie semiconductora de tipo n. Para reducir las pérdidas de energía, se agrega un revestimiento antirreflectante a la superficie, junto con contactos eléctricos. Después de terminar la celda, las celdas se conectan a través de un circuito eléctrico de acuerdo con la aplicación específica y se preparan para su envío e instalación. [23]

Los fotovoltaicos de silicio cristalino son solo un tipo de fotovoltaica y, si bien representan la mayoría de las células solares producidas en la actualidad, existen muchas tecnologías nuevas y prometedoras que tienen el potencial de ampliarse para satisfacer las necesidades energéticas futuras. A partir de 2018, la tecnología de células de silicio cristalino sirve como base para varios tipos de módulos fotovoltaicos, incluidos monocristalino, multicristalino, mono PERC y bifacial. [24]

Otra tecnología más nueva, la fotovoltaica de película delgada, se fabrica depositando capas semiconductoras de perovskita , un mineral con propiedades semiconductoras, sobre un sustrato al vacío. El sustrato suele ser vidrio o acero inoxidable, y estas capas semiconductoras están hechas de muchos tipos de materiales, incluidos telururo de cadmio (CdTe), diselenuro de cobre e indio (CIS), diselenuro de cobre , indio, galio (CIGS) y silicio amorfo (a-Si ). Después de depositarse sobre el sustrato, las capas semiconductoras se separan y conectan mediante un circuito eléctrico mediante trazado con láser. [25] [26]Las células solares de perovskita son un convertidor de energía solar muy eficiente y tienen excelentes propiedades optoelectrónicas para fines fotovoltaicos, pero su ampliación de células del tamaño de un laboratorio a módulos de gran superficie aún se está investigando. [27] Es posible que los materiales fotovoltaicos de película delgada se vuelvan atractivos en el futuro, debido a los requisitos de materiales reducidos y al costo de fabricación de módulos que consisten en películas delgadas en comparación con las obleas a base de silicio. [28] En 2019, los laboratorios universitarios de Oxford, Stanford y otros lugares informaron células solares de perovskita con eficiencias del 20-25%. [29]

Otras posibles tecnologías fotovoltaicas futuras incluyen energía fotovoltaica orgánica, sensible a colorantes y de puntos cuánticos. [30]La energía fotovoltaica orgánica (OPV) se incluye en la categoría de fabricación de película delgada y, por lo general, opera en un rango de eficiencia del 12%, que es inferior al 12-21% que suelen observar las fotovoltaicas basadas en silicio. Debido a que los fotovoltaicos orgánicos requieren una pureza muy alta y son relativamente reactivos, deben encapsularse, lo que aumenta enormemente el costo de fabricación y significa que no son factibles para su ampliación a gran escala. Los PV sensibilizados con colorante son similares en eficiencia a los OPV, pero son significativamente más fáciles de fabricar. Sin embargo, estos fotovoltaicos sensibilizados con colorante presentan problemas de almacenamiento porque el electrolito líquido es tóxico y puede potencialmente penetrar los plásticos utilizados en la celda. Las células solares de punto cuántico se procesan en solución, lo que significa que son potencialmente escalables, pero actualmente alcanzan un máximo de eficiencia del 12%. [27]

Economía [ editar ]

Ver también: Sistema fotovoltaico § Costos y economía

Fuente: Apricus [31]

Ha habido cambios importantes en los costos subyacentes, la estructura de la industria y los precios de mercado de la tecnología solar fotovoltaica a lo largo de los años, y obtener una imagen coherente de los cambios que ocurren en la cadena de valor de la industria a nivel mundial es un desafío. Esto se debe a: "la rapidez de los cambios de costes y precios, la complejidad de la cadena de suministro fotovoltaica, que implica una gran cantidad de procesos de fabricación, el equilibrio del sistema (BOS) y los costes de instalación asociados con los sistemas fotovoltaicos completos, la elección de diferentes canales de distribución y diferencias entre los mercados regionales en los que se está implementando la energía fotovoltaica ". Otras complejidades resultan de las numerosas iniciativas de apoyo a las políticas que se han puesto en marcha para facilitar la comercialización de la energía fotovoltaica en varios países. [3]

Las tecnologías de energía renovable generalmente se han vuelto más baratas desde su invención. [32] [33] [34]

Costos de hardware [ editar ]

Precio por vatio histórico para las células solares convencionales ( c-Si ) desde 1977.

En 1977, los precios de las células solares de silicio cristalino estaban en 76,67 dólares / W. [35]

Aunque los precios de los módulos al por mayor se mantuvieron estables en alrededor de $ 3,50 a $ 4,00 / W a principios de la década de 2000 debido a la alta demanda en Alemania y España gracias a los generosos subsidios y la escasez de polisilicio, la demanda se derrumbó con el abrupto final de los subsidios españoles después de la caída del mercado de 2008. y el precio bajó rápidamente a $ 2,00 / W. Los fabricantes pudieron mantener un margen operativo positivo a pesar de una caída del 50% en los ingresos debido a la innovación y la reducción de costos. A finales de 2011, los precios de fábrica de los módulos fotovoltaicos de silicio cristalino cayeron repentinamente por debajo de la marca de $ 1,00 / W, tomando por sorpresa a muchos en la industria, y ha provocado la quiebra de varias empresas de fabricación de energía solar en todo el mundo. En la industria fotovoltaica a menudo se considera que el costo de $ 1.00 / W marca el logro de la paridad de la redpara fotovoltaica, pero la mayoría de los expertos no cree que este precio sea sostenible. Los avances tecnológicos, las mejoras en los procesos de fabricación y la reestructuración de la industria pueden significar que es posible reducir más los precios. [3] El precio minorista promedio de las células solares monitoreado por el grupo Solarbuzz cayó de $ 3.50 / vatio a $ 2.43 / vatio en el transcurso de 2011. [36] En 2013 los precios al por mayor habían caído a $ 0.74 / W. [35] Esto se ha citado como evidencia que respalda la ley de Swanson , una observación similar a la famosa Ley de Moore que establece que los precios de las células solares caen un 20% por cada duplicación de la capacidad de la industria. [35]

Tenga en cuenta que los precios mencionados anteriormente son para módulos básicos, otra forma de ver los precios de los módulos es incluir los costos de instalación. En los EE. UU., Según la Asociación de Industrias de Energía Solar, el precio de los módulos fotovoltaicos instalados en la azotea para los propietarios de viviendas cayó de $ 9,00 / W en 2006 a $ 5,46 / W en 2011. Incluyendo los precios pagados por las instalaciones industriales, el precio nacional instalado cae a $ 3,45 / W. Esto es notablemente más alto que en otras partes del mundo, en Alemania, las instalaciones en azoteas para propietarios de viviendas promediaron $ 2.24 / W. Se cree que las diferencias de costos se basan principalmente en la mayor carga regulatoria y la falta de una política solar nacional en los EE. UU. [37]

A fines de 2012, los fabricantes chinos tenían costos de producción de $ 0.50 / W en los módulos más baratos. [38] En algunos mercados, los distribuidores de estos módulos pueden obtener un margen considerable, comprando al precio de salida de fábrica y vendiendo al precio más alto que el mercado puede soportar («fijación de precios basada en el valor»). [3]

Costo nivelado de la electricidad [ editar ]

El costo nivelado de la electricidad (LCOE) es el costo por kWh basado en los costos distribuidos durante la vida útil del proyecto, y se cree que es una mejor métrica para calcular la viabilidad que el precio por potencia. Los LCOE varían drásticamente según la ubicación. [3] El LCOE puede considerarse el precio mínimo que los clientes deberán pagar a la empresa de servicios públicos para que pueda cubrir los gastos de la inversión en una nueva central eléctrica. [11] La paridad de la red se logra aproximadamente cuando el LCOE cae a un precio similar al de los precios de la red local convencional, aunque en realidad los cálculos no son directamente comparables. [39] Las grandes instalaciones fotovoltaicas industriales habían alcanzado la paridad de red en California en 2011. [34] [39]Se creía que la paridad de la red para los sistemas de tejados todavía estaba mucho más lejos en este momento. [39] Se cree que muchos cálculos de LCOE no son precisos y se requieren una gran cantidad de suposiciones. [3] [39] Los precios de los módulos pueden bajar más, y el LCOE para la energía solar puede bajar correspondientemente en el futuro. [40]

Debido a que las demandas de energía aumentan y disminuyen a lo largo del día, y la energía solar está limitada por el hecho de que el sol se pone, las empresas de energía solar también deben tener en cuenta los costos adicionales de suministrar un suministro de energía alternativa más estable a la red para poder abastecer la red. estabilizar el sistema o almacenar la energía de alguna manera (la tecnología actual de la batería no puede almacenar suficiente energía). Estos costos no se tienen en cuenta en los cálculos del LCOE, ni tampoco hay subsidios o primas especiales que puedan hacer que la compra de energía solar sea más atractiva. [11] La falta de fiabilidad y la variación temporal en la generación de energía solar y eólica es un problema importante. Demasiadas de estas fuentes de energía volátiles pueden causar inestabilidad en toda la red. [41]

A partir de 2017, los precios del acuerdo de compra de energía para las granjas solares por debajo de $ 0.05 / kWh son comunes en los Estados Unidos, y las ofertas más bajas en algunos países del Golfo Pérsico fueron de aproximadamente $ 0.03 / kWh. [42] El objetivo del Departamento de Energía de los Estados Unidos es lograr un costo nivelado de energía para la energía solar fotovoltaica de $ 0.03 / kWh para las empresas de servicios públicos. [43]

Subvenciones y financiación [ editar ]

Los incentivos financieros para la energía fotovoltaica , como las tarifas de alimentación (FIT), a menudo se ofrecen a los consumidores de electricidad para instalar y operar sistemas de generación de energía solar y, en algunos países, tales subsidios son la única forma en que la energía fotovoltaica puede seguir siendo económicamente rentable. En Alemania, las subvenciones FIT son generalmente alrededor de € 0,13 por encima del precio de venta normal de un kWh (€ 0,05). [44] Los FIT fotovoltaicos han sido cruciales para la adopción de la industria y están disponibles para los consumidores en más de 50 países a partir de 2011. Alemania y España han sido los países más importantes en cuanto a ofrecer subsidios para la energía fotovoltaica, y las políticas de estos países han impulsada por la demanda en el pasado. [3]Algunas empresas estadounidenses de fabricación de células solares se han quejado repetidamente de que la caída de los precios de los módulos fotovoltaicos se ha logrado debido a las subvenciones del gobierno de China y al dumping de estos productos por debajo de los precios justos del mercado. Los fabricantes estadounidenses generalmente recomiendan aranceles elevados a los suministros extranjeros para que sigan siendo rentables. En respuesta a estas preocupaciones, la administración Obama comenzó a imponer aranceles a los consumidores estadounidenses de estos productos en 2012 para aumentar los precios de los fabricantes nacionales. [3] Bajo la administración Trump, el gobierno de Estados Unidos impuso aranceles adicionales a los consumidores estadounidenses para restringir el comercio de módulos solares. [ cita requerida ]Estados Unidos, sin embargo, también subsidia a la industria, ofreciendo a los consumidores un crédito fiscal federal del 30% para comprar módulos. En Hawái, los subsidios federales y estatales reducen hasta dos tercios de los costos de instalación. [37]

Algunos ambientalistas han promovido la idea de que los incentivos gubernamentales deben usarse para expandir la industria de fabricación de energía fotovoltaica para reducir los costos de la electricidad generada por energía fotovoltaica mucho más rápidamente a un nivel en el que pueda competir con los combustibles fósiles en un mercado libre. Esto se basa en la teoría de que cuando la capacidad de fabricación se duplica, las economías de escala harán que los precios de los productos solares se reduzcan a la mitad. [11]

En California, la energía fotovoltaica alcanzó la paridad de red en 2011, que generalmente se define como los costos de producción de energía fotovoltaica a los precios minoristas de la electricidad o por debajo de ellos (aunque a menudo todavía están por encima de los precios de las centrales eléctricas para la generación a carbón o gas sin su distribución y otros costos). Sin embargo, en muchos países todavía existe la necesidad de un mayor acceso al capital para desarrollar proyectos fotovoltaicos. Para solucionar este problema se ha propuesto la titulización y se ha utilizado para acelerar el desarrollo de proyectos solares fotovoltaicos. [45] [46] Por ejemplo, SolarCity ofreció la primera seguridad estadounidense respaldada por activos en la industria solar en 2013. [47]

Eficiencias de las células solares [ editar ]

Las eficiencias de las células solares varían del 6% para las células solares basadas en silicio amorfo al 44,0% para los fotovoltaicos experimentales concentrados de unión múltiple . [48] Las eficiencias de conversión de energía de las células solares para los fotovoltaicos disponibles comercialmente son de alrededor del 14 al 22%. [49] [50]

Otro [ editar ]

La energía fotovoltaica también se genera durante un momento del día cercano al pico de demanda (lo precede) en sistemas eléctricos con alto uso de aire acondicionado. Dado que la operación fotovoltaica a gran escala requiere respaldo en forma de reservas rotativas, su costo marginal de generación a la mitad del día suele ser el más bajo, pero no cero, cuando la fotovoltaica genera electricidad. Esto se puede ver en la Figura 1 de este documento: [51] Para las propiedades residenciales con instalaciones fotovoltaicas privadas conectadas a la red, el propietario puede ganar dinero extra cuando se incluye el tiempo de generación, ya que la electricidad vale más durante el día que durante la noche. [52]

Un periodista teorizó en 2012 que si las facturas de energía de los estadounidenses fueran forzadas al alza imponiendo un impuesto adicional de $ 50 / tonelada sobre las emisiones de dióxido de carbono de la energía a carbón, esto podría haber permitido que la energía solar fotovoltaica pareciera más competitiva en costos para los consumidores en la mayoría de los casos. ubicaciones. [36]

Convencionalmente, la electricidad generada por corriente continua (CC) a partir de energía solar fotovoltaica debe convertirse en corriente alterna (CA) utilizada en la red eléctrica, con una pérdida promedio del 10% durante la conversión. Debido a que las baterías que se usan en los vehículos eléctricos usan CC, el propietario de dichos productos puede lograr mayores eficiencias si de alguna manera puede conectar la batería directamente a la celda solar. Se produce una pérdida de eficiencia adicional en la transición de regreso a CC para los dispositivos y vehículos que funcionan con baterías. [ cita requerida ]

Desarrollos actuales [ editar ]

Para obtener el mejor rendimiento, los sistemas fotovoltaicos terrestres tienen como objetivo maximizar el tiempo que pasan frente al sol. Los seguidores solares logran esto moviendo los módulos fotovoltaicos para seguir el sol. [ cita requerida ] . Los sistemas montados estáticos se pueden optimizar mediante el análisis de la trayectoria del sol . Los módulos fotovoltaicos a menudo se configuran en inclinación de latitud, un ángulo igual a la latitud , pero el rendimiento se puede mejorar ajustando el ángulo para verano o invierno. Generalmente, al igual que con otros dispositivos semiconductores, las temperaturas superiores a la temperatura ambiente reducen el rendimiento de los módulos fotovoltaicos. [53]

También se pueden montar varios módulos solares verticalmente uno encima del otro en una torre, si la distancia cenital del Sol es mayor que cero, y la torre se puede girar horizontalmente como un todo y cada módulo adicionalmente alrededor de un eje horizontal. En una torre de este tipo, los módulos pueden seguir exactamente al Sol. Tal dispositivo puede describirse como una escalera montada en un disco giratorio. Cada escalón de esa escalera es el eje medio de un panel solar rectangular . En caso de que la distancia cenital del Sol llegue a cero, la "escalera" se puede rotar hacia el norte o el sur para evitar que un módulo solar produzca una sombra en uno inferior. En lugar de una torre exactamente vertical, se puede elegir una torre con un eje dirigido a la estrella polar., lo que significa que es paralelo al eje de rotación de la Tierra . En este caso, el ángulo entre el eje y el Sol es siempre superior a 66 grados. Durante un día solo es necesario girar los paneles alrededor de este eje para seguir al sol. Las instalaciones pueden estar montadas en el suelo (ya veces integradas con la agricultura y el pastoreo) [54] o integradas en el techo o las paredes de un edificio ( energía fotovoltaica integrada en el edificio ).

Eficiencia [ editar ]

Artículo principal: eficiencia de la célula solar
Las mejores eficiencias de células de investigación

La eficiencia eléctrica de una celda fotovoltaica es una propiedad física que representa cuánta energía eléctrica puede producir una celda para una irradiancia solar determinada . La expresión básica para la máxima eficiencia de una célula fotovoltaica viene dada por la relación entre la potencia de salida y la energía solar incidente (área de tiempos de flujo de radiación)

[55]

La eficiencia se mide en condiciones ideales de laboratorio y representa la eficiencia máxima alcanzable de la celda o módulo fotovoltaico. La eficiencia real está influenciada por la temperatura, la irradiancia y el espectro. [ cita requerida ]

El tipo más eficiente de célula solar hasta la fecha es una célula solar concentradora de múltiples uniones con una eficiencia del 46,0% [56] producida por Fraunhofer ISE en diciembre de 2014. Las eficiencias más altas logradas sin concentración incluyen un material de Sharp Corporation al 35,8% utilizando una tecnología patentada de fabricación de triple unión en 2009, [57] y Boeing Spectrolab (el 40,7% también utiliza un diseño de triple capa). Alta Devices, el fabricante fotovoltaico especializado de arseniuro de galio (GaAs) con sede en EE. UU., Produce celdas comerciales con una eficiencia del 26% [58]afirmando tener "la celda solar de unión única más eficiente del mundo" dedicada a aplicaciones flexibles y ligeras. En el caso de las células solares de silicio, la empresa estadounidense SunPower sigue siendo líder con una eficiencia de módulo certificada del 22,8% [59], muy por encima de la media del mercado del 15-18%. Sin embargo, las empresas competidoras se están poniendo al día, como el conglomerado surcoreano LG (21,7% de eficiencia [60] ) o el grupo REC de Noruega (21,7% de eficiencia). [61]

Existe un esfuerzo continuo para aumentar la eficiencia de conversión de las células y módulos fotovoltaicos, principalmente para obtener una ventaja competitiva. Para aumentar la eficiencia de las células solares, es importante elegir un material semiconductor con una banda prohibida adecuada que coincida con el espectro solar. Esto mejorará las propiedades eléctricas y ópticas. Mejorar el método de cobro de cargos también es útil para aumentar la eficiencia. Hay varios grupos de materiales que se están desarrollando. Los dispositivos de ultra alta eficiencia (η> 30%) [62] se fabrican utilizando semiconductores GaAs y GaInP2 con celdas en tándem de múltiples funciones. Se utilizan materiales de silicio monocristalino de alta calidad para lograr celdas de alta eficiencia y bajo costo (η> 20%).

Los desarrollos recientes en células fotovoltaicas orgánicas (OPV) han logrado avances significativos en la eficiencia de conversión de energía del 3% a más del 15% desde su introducción en la década de 1980. [63] Hasta la fecha, la eficiencia de conversión de energía más alta reportada varía de 6.7% a 8.94% para moléculas pequeñas, 8.4% -10.6% para OPV de polímero y 7% a 21% para OPV de perovskita. [64] [65] Se espera que las OPV desempeñen un papel importante en el mercado fotovoltaico. Las mejoras recientes han aumentado la eficiencia y reducido los costos, sin dejar de ser renovables y benignas para el medio ambiente.

Varias empresas han comenzado a incorporar optimizadores de energía en módulos fotovoltaicos llamados módulos inteligentes . Estos módulos realizan el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para cada módulo individualmente, miden los datos de rendimiento para el monitoreo y brindan características de seguridad adicionales. Dichos módulos también pueden compensar los efectos de sombreado, en los que una sombra que atraviesa una sección de un módulo hace que disminuya la salida eléctrica de una o más cadenas de celdas en el módulo. [66]

Una de las principales causas de la disminución del rendimiento de las células es el sobrecalentamiento. La eficiencia de una célula solar se reduce en aproximadamente un 0,5% por cada aumento de 1 grado Celsius en la temperatura. Esto significa que un aumento de 100 grados en la temperatura de la superficie podría disminuir la eficiencia de una celda solar aproximadamente a la mitad. Las células solares auto-refrigerantes son una solución a este problema. En lugar de usar energía para enfriar la superficie, las formas piramidales y cónicas se pueden formar a partir de sílice y se pueden unir a la superficie de un panel solar. Hacerlo permite que la luz visible llegue a las células solares , pero refleja los rayos infrarrojos (que transportan calor). [67]


Efecto de la temperatura [ editar ]

El rendimiento de un módulo fotovoltaico (PV) depende de las condiciones ambientales, principalmente de la irradiancia incidente global G en el plano del módulo. Sin embargo, la temperatura T de la unión p – n también influye en los principales parámetros eléctricos: la corriente de cortocircuito ISC, la tensión de circuito abierto VOC y la potencia máxima Pmax. Los primeros estudios sobre el comportamiento de las células fotovoltaicas en condiciones variables de G y T se remontan a varias décadas atrás.1-4 En general, se sabe que VOC muestra una correlación inversa significativa con T, mientras que para ISC esa correlación es directa, pero más débil, de modo que este incremento no compensa la disminución de VOC. Como consecuencia, Pmax se reduce cuando T aumenta. Esta correlación entre la potencia de salida de una celda solar y la temperatura de trabajo de su unión depende del material semiconductor,2 y se debe a la influencia de T en la concentración, vida útil y movilidad de los portadores intrínsecos, es decir, electrones y huecos, dentro de la celda fotovoltaica.

La sensibilidad a la temperatura se suele describir mediante unos coeficientes de temperatura, cada uno de los cuales expresa la derivada del parámetro al que se refiere con respecto a la temperatura de unión. Los valores de estos parámetros se pueden encontrar en cualquier hoja de datos del módulo fotovoltaico; son los siguientes:

- β Coeficiente de variación de VOC con respecto a T, dado por ∂VOC / ∂T.

- α Coeficiente de variación de ISC con respecto a T, dado por ∂ISC / ∂T.

- δ Coeficiente de variación de Pmax con respecto a T, dado por ∂Pmax / ∂T.


Las técnicas para estimar estos coeficientes a partir de datos experimentales se pueden encontrar en la literatura. [68] Pocos estudios analizan la variación de la resistencia en serie con respecto a la temperatura de la celda o módulo. Esta dependencia se estudia procesando adecuadamente la curva corriente-voltaje. El coeficiente de temperatura de la resistencia en serie se estima utilizando el modelo de diodo único o el de diodo doble. [69]

Crecimiento [ editar ]

Artículo principal: Crecimiento de la energía fotovoltaica
Crecimiento mundial de la energía fotovoltaica en una parcela semilogarítmica desde 1992

La energía solar fotovoltaica está creciendo rápidamente y la capacidad instalada mundial alcanzó alrededor de 515 gigavatios (GW) en 2018. [70] La producción total de energía de la capacidad fotovoltaica mundial en un año natural supera ahora los 500 TWh de electricidad. Esto representa el 2% de la demanda eléctrica mundial. Más de 100 países utilizan energía solar fotovoltaica. [71] [72] A China le siguen Estados Unidos y Japón , mientras que las instalaciones en Alemania , que alguna vez fue el mayor productor del mundo, se han ralentizado.

En 2017, un estudio en Science estimó que para 2030 las capacidades instaladas de energía fotovoltaica global estarán entre 3.000 y 10.000 GW. [42] El escenario de cambio de paradigma de generación solar de EPIA / Greenpeace (anteriormente llamado escenario avanzado) de 2010 muestra que para el año 2030, 1.845 GW de sistemas fotovoltaicos podrían generar aproximadamente 2.646 TWh / año de electricidad en todo el mundo. Combinado con mejoras en la eficiencia del uso de energía , esto representaría las necesidades de electricidad de más del 9% de la población mundial. Para 2050, más del 20% de toda la electricidad podría ser proporcionada por energía fotovoltaica. [73]

Michael Liebreich , de Bloomberg New Energy Finance , anticipa un punto de inflexión para la energía solar. Los costos de la energía eólica y solar ya están por debajo de los de la generación de electricidad convencional en algunas partes del mundo, ya que han caído drásticamente y continuarán haciéndolo. También afirma que la red eléctrica se ha expandido enormemente a nivel mundial y está lista para recibir y distribuir electricidad de fuentes renovables. Además, los precios mundiales de la electricidad se vieron sometidos a una fuerte presión de las fuentes de energía renovables, que son, en parte, acogidas con entusiasmo por los consumidores. [74]

Deutsche Bank prevé una "segunda fiebre del oro" para la industria fotovoltaica en el futuro. La paridad de la red ya se ha alcanzado en al menos 19 mercados en enero de 2014. La energía fotovoltaica prevalecerá más allá de las tarifas de alimentación , volviéndose más competitiva a medida que aumente el despliegue y los precios sigan cayendo. [75]

En junio de 2014, Barclays rebajó la calificación de los bonos de las empresas de servicios públicos estadounidenses. Barclays espera más competencia por un autoconsumo creciente debido a una combinación de sistemas fotovoltaicos descentralizados y almacenamiento de electricidad residencial . Esto podría cambiar fundamentalmente el modelo comercial de la empresa de servicios públicos y transformar el sistema durante los próximos diez años, ya que se prevé que los precios de estos sistemas caerán. [76]

En 2019, China lidera con 205 GW instalados. En segundo lugar está la Unión Europea con 132 GW. El segundo estado es EE. UU. Con 76 GW. El tercero es Japón con 63 GW. El décimo es Francia con 10 GW. La capacidad instalada aumenta rápidamente en 4 años. Honduras es líder en la parte fotovoltaica de todo el sistema eléctrico con un 14,8%. [77]

A partir de 2019, Vietnam tiene la capacidad instalada más alta en el sudeste asiático, alrededor de 4.5 GW. [78] La tasa de instalación anualizada de alrededor de 90 W per cápita por año coloca a Vietnam entre los líderes mundiales. [78]

Factores impulsores y barreras para el crecimiento

Las generosas tarifas de alimentación (FIT) y las políticas de apoyo, como las exenciones de impuestos, son los principales impulsores del auge de la energía solar fotovoltaica en Vietnam. Los impulsores subyacentes incluyen el deseo del gobierno de mejorar la autosuficiencia energética y la demanda del público por la calidad ambiental local. [78]

Una barrera clave es la capacidad limitada de la red de transmisión. [78]

Los 10 principales países fotovoltaicos en 2019 (MW)
Capacidad de energía solar instalada y total en 2019 (MW) [79]
#NaciónCapacidad totalCapacidad agregada
1 porcelana204,70030,100
2 Estados Unidos75,90013,300
3 Japón63.0007.000
4 Alemania49.2003.900
5 India42,8009,900
6 Italia20,800600
7 Australia15.9283.700
8 Reino Unido13,300233
9 Corea del Sur11.2003,100
10 Francia9,900900

Datos: Informe de la IEA-PVPS del informe Global PV Markets 2020 , abril de 2020 [79]
Consulte también Energía solar por país para obtener una lista completa y actualizada continuamente

Impactos ambientales de las tecnologías fotovoltaicas [ editar ]

Tipos de impactos

Si bien las células solares fotovoltaicas (PV) son prometedoras para la producción de energía limpia, su implementación se ve obstaculizada por los costos de producción, la disponibilidad de materiales y la toxicidad. [80] Los datos necesarios para investigar su impacto a veces se ven afectados por una gran cantidad de incertidumbre. Los valores del trabajo humano y el consumo de agua, por ejemplo, no se evalúan con precisión debido a la falta de análisis sistemáticos y precisos en la literatura científica. [2]

La evaluación del ciclo de vida (LCA) es un método para determinar los impactos ambientales de la energía fotovoltaica. Se han realizado muchos estudios sobre los diversos tipos de fotovoltaica, incluida la primera , la segunda y la tercera generación . Por lo general, estos estudios PV LCA seleccionan un límite del sistema de la cuna a la puerta porque a menudo, en el momento en que se realizan los estudios, es una nueva tecnología que aún no está disponible comercialmente y se desconoce el equilibrio requerido de los componentes del sistema y los métodos de eliminación. [81]

Un LCA tradicional puede considerar muchas categorías de impacto diferentes que van desde el potencial de calentamiento global , la ecotoxicidad , la toxicidad humana, el agotamiento del agua y muchos otros.

La mayoría de los ACV de la energía fotovoltaica se han centrado en dos categorías: equivalentes de dióxido de carbono por kWh y tiempo de recuperación de la energía (EPBT). El EPBT se define como "el tiempo necesario para compensar la energía primaria renovable y no renovable total requerida durante el ciclo de vida de un sistema fotovoltaico". [82] Una revisión de 2015 de EPBT de la primera y segunda generación fotovoltaica [83] sugirió que había una mayor variación en la energía incorporada que en la eficiencia de las células, lo que implica que era principalmente la energía incorporada la que necesita reducirse para tener una mayor reducción en EPBT. Una dificultad para determinar los impactos debidos a la energía fotovoltaica es determinar si los desechos se liberan al aire, al agua o al suelo durante la fase de fabricación. [84]Se están realizando investigaciones para tratar de comprender las emisiones y liberaciones durante la vida útil de los sistemas fotovoltaicos. [84]

Impactos de la energía fotovoltaica de primera generación

Los módulos de silicio cristalino son el tipo fotovoltaico más estudiado en términos de LCA, ya que son los más utilizados. Los sistemas fotovoltaicos de silicio monocristalino (mono-si) tienen una eficiencia media del 14,0%. [85] Las células tienden a seguir una estructura de electrodo frontal, película antirreflectante, capa n, capa p y electrodo posterior, con el sol golpeando el electrodo frontal. EPBT varía de 1,7 a 2,7 años. [86] La cuna a la puerta de CO 2 -eq / kWh varía de 37,3 a 72,2 gramos. [87]

Las técnicas para producir células fotovoltaicas de silicio multicristalino (multi-si) son más simples y más baratas que las mono-si, sin embargo, tienden a producir células menos eficientes, un promedio del 13,2%. [85] EPBT oscila entre 1,5 y 2,6 años. [86] La cuna a la puerta de CO 2 -eq / kWh varía de 28,5 a 69 gramos. [87] Algunos estudios han mirado más allá de EPBT y GWP a otros impactos ambientales. En uno de estos estudios, la combinación de energía convencional en Grecia se comparó con la fotovoltaica multi-si y se encontró una reducción general del 95% en los impactos, incluidos los carcinógenos, la ecotoxicidad, la acidificación, la eutrofización y otros once. [88]

Impactos de segunda generación

El telururo de cadmio (CdTe) es una de las células solares basadas en película delgada de más rápido crecimiento que se conocen colectivamente como dispositivos de segunda generación. Este nuevo dispositivo de película delgada también comparte restricciones de rendimiento similares ( límite de eficiencia Shockley-Queisser ) que los dispositivos de Si convencionales, pero promete reducir el costo de cada dispositivo al reducir tanto el consumo de material como de energía durante la fabricación. En la actualidad, la cuota de mercado mundial de CdTe es del 5,4%, frente al 4,7% de 2008. [84] La mayor eficiencia de conversión de energía de esta tecnología es del 21%. [89] La estructura de la celda incluye sustrato de vidrio (alrededor de 2 mm), capa conductora transparente, capa amortiguadora de CdS (50-150 nm), absorbente de CdTe y una capa de contacto de metal.

Los sistemas fotovoltaicos de CdTe requieren menos energía en su producción que otros sistemas fotovoltaicos comerciales por unidad de producción de electricidad. El promedio de CO 2 -eq / kWh es de alrededor de 18 gramos (de la cuna a la puerta). CdTe tiene el EPBT más rápido de todas las tecnologías fotovoltaicas comerciales, que varía entre 0,3 y 1,2 años. [90]

Diselenuro de cobre, indio, galio (CIGS) es una célula solar de película delgada basada en la familia de semiconductores de calcopirita de diselenuro de cobre e indio (CIS) . CIS y CIGS a menudo se usan indistintamente dentro de la comunidad CIS / CIGS. La estructura de la celda incluye vidrio de cal sodada como sustrato, capa de Mo como contacto posterior, CIS / CIGS como capa absorbente, sulfuro de cadmio (CdS) o Zn (S, OH) x como capa amortiguadora, y ZnO: Al como capa amortiguadora. contacto frontal. [91] CIGS tiene aproximadamente una centésima parte del grosor de las tecnologías convencionales de células solares de silicio. Los materiales necesarios para el montaje están fácilmente disponibles y son menos costosos por vatio de celda solar. Los dispositivos solares basados ​​en CIGS resisten la degradación del rendimiento con el tiempo y son muy estables en el campo.

Los impactos potenciales de calentamiento global reportados de CIGS varían de 20.5 a 58.8 gramos de CO 2 -eq / kWh de electricidad generada para diferentes irradiaciones solares (1.700 a 2.200 kWh / m 2 / año) y eficiencia de conversión de energía (7.8 - 9.12%). [92] EPBT oscila entre 0,2 y 1,4 años, [90] mientras que el valor armonizado de EPBT se encontró en 1.393 años. [83] La toxicidad es un problema dentro de la capa de amortiguación de los módulos CIGS porque contiene cadmio y galio. [81] [93] Los módulos CIS no contienen metales pesados.

Impactos de tercera generación

Los fotovoltaicos de tercera generación están diseñados para combinar las ventajas de los dispositivos de primera y segunda generación y no tienen límite Shockley-Queisser , un límite teórico para las células fotovoltaicas de primera y segunda generación. El grosor de un dispositivo de tercera generación es inferior a 1 µm. [94]

Una tecnología alternativa emergente y prometedora se basa en una célula solar híbrida orgánico-inorgánica hecha de perovskitas de haluro de metilamonio y plomo. Las células fotovoltaicas de perovskita han progresado rápidamente en los últimos años y se han convertido en una de las áreas más atractivas para la investigación fotovoltaica. [95] La estructura de la celda incluye un contacto posterior de metal (que puede estar hecho de Al, Au o Ag), una capa de transferencia de huecos (spiro-MeOTAD, P3HT, PTAA, CuSCN, CuI o NiO) y una capa absorbente (CH 3 NH 3 PbIxBr 3 -x, CH 3 NH 3 PbIxCl 3 -x o CH 3 NH 3 PbI 3 ), una capa de transporte de electrones (TiO, ZnO, Al2 O 3 o SnO 2 ) y una capa de contacto superior (óxido de estaño dopado con flúor u óxido de indio dopado con estaño).

Hay un número limitado de estudios publicados para abordar los impactos ambientales de las células solares de perovskita. [95] [96] [97] La principal preocupación medioambiental es el plomo utilizado en la capa absorbente. Debido a la inestabilidad de las células de perovskita, el plomo puede eventualmente quedar expuesto al agua dulce durante la fase de uso. Estos estudios de LCA analizaron la ecotoxicidad humana y de las células solares de perovskita y encontraron que eran sorprendentemente bajas y que pueden no ser un problema ambiental. [96] [97] Se encontró que el potencial de calentamiento global de los PV de perovskita estaba en el rango de 24-1500 gramos de CO 2-eq / kWh de producción de electricidad. De manera similar, el EPBT informado del artículo publicado varía de 0,2 a 15 años. La amplia gama de valores informados resalta las incertidumbres asociadas con estos estudios. Celik y col. (2016) discutieron críticamente las suposiciones hechas en los estudios de PV LCA de perovskita. [95]

Dos nuevas tecnologías prometedoras de película delgada son el sulfuro de cobre, zinc y estaño (Cu 2 ZnSnS 4 o CZTS), [81] fosfuro de zinc (Zn 3 P 2 ) [81] y nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT). [98] Estas películas delgadas actualmente solo se producen en el laboratorio, pero pueden comercializarse en el futuro. Se espera que los procesos de fabricación de CZTS y (Zn 3 P 2 ) sean similares a los de las tecnologías actuales de película delgada de CIGS y CdTe, respectivamente. Mientras que se espera que la capa absorbente de SWCNT PV se sintetice con el método CoMoCAT. [99]Al contrario de las películas delgadas establecidas como CIGS y CdTe, CZTS, Zn 3 P 2 y SWCNT, las PV están hechas de materiales no tóxicos, abundantes en la tierra y tienen el potencial de producir más electricidad anualmente que el consumo mundial actual. [100] [101] Si bien el CZTS y el Zn 3 P 2 ofrecen buenas perspectivas por estas razones, aún no se conocen las implicaciones ambientales específicas de su producción comercial. El potencial de calentamiento global de CZTS y Zn 3 P 2 se encontró en 38 y 30 gramos de CO 2 -eq / kWh mientras que su correspondiente EPBT se encontró en 1,85 y 0,78 años, respectivamente. [81] En general, CdTe y Zn 3P 2 tiene impactos ambientales similares pero puede superar ligeramente a CIGS y CZTS. [81] Celik y col. realizó el primer estudio de LCA sobre los impactos ambientales de las PV SWCNT, incluido un dispositivo de laboratorio con una eficiencia del 1% y un dispositivo en tándem de cuatro celdas de aspiración con una eficiencia del 28%, e interpretó los resultados utilizando mono-Si como punto de referencia. [98] los resultados muestran que en comparación con el Si monocristalino (mono-Si), los impactos ambientales del 1% de SWCNT fueron ∼18 veces mayores debido principalmente a la corta vida útil de tres años. Sin embargo, incluso con la misma corta vida útil, la celda del 28% tuvo menores impactos ambientales que el mono-Si.

La energía fotovoltaica orgánica y polimérica (OPV) es un área de investigación relativamente nueva. Las capas de estructura de la celda OPV tradicional consisten en un electrodo semitransparente, una capa de bloqueo de electrones, una unión de túnel, una capa de bloqueo de orificios, un electrodo, con el sol golpeando el electrodo transparente. La OPV reemplaza la plata con carbono como material de electrodo, lo que reduce los costos de fabricación y los hace más amigables con el medio ambiente. [102] Los OPV son flexibles, de bajo peso y funcionan bien con la fabricación de rollo a rollo para producción en masa. [103] OPV utiliza "solo elementos abundantes acoplados a una energía incorporada extremadamente baja a través de temperaturas de procesamiento muy bajas utilizando solo condiciones de procesamiento ambientales en equipos de impresión simples que permiten tiempos de recuperación de energía".[104] Las eficiencias actuales oscilan entre el 1 y el 6,5%, [82] [105] sin embargo, los análisis teóricos son prometedores más allá del 10% de eficiencia. [104]

Existen muchas configuraciones diferentes de OPV utilizando diferentes materiales para cada capa. La tecnología OPV compite con las tecnologías fotovoltaicas existentes en términos de EPBT, incluso si actualmente presentan una vida útil más corta. Un estudio de 2013 analizó 12 configuraciones diferentes, todas con una eficiencia del 2%, el EPBT varió de 0,29 a 0,52 años para 1 m 2 de PV. [106] El promedio de CO 2 -eq / kWh para OPV es 54,922 gramos. [107]

Aplicaciones [ editar ]

Sistemas fotovoltaicos [ editar ]

Artículo principal: Sistema fotovoltaico

Un sistema fotovoltaico, o sistema fotovoltaico solar, es un sistema de energía diseñado para suministrar energía solar utilizable por medio de energía fotovoltaica. Consiste en una disposición de varios componentes, incluidos paneles solares para absorber y convertir directamente la luz solar en electricidad, un inversor solar para cambiar la corriente eléctrica de CC a CA, así como montaje, cableado y otros accesorios eléctricos. Los sistemas fotovoltaicos varían desde sistemas pequeños, montados en la azotea o integrados en edificios con capacidades desde unas pocas hasta varias decenas de kilovatios , hasta grandes centrales eléctricas a gran escala de cientos de megavatios . Hoy en día, la mayoría de los sistemas fotovoltaicos están conectados a la red , aunque son independientes los sistemas solo representan una pequeña parte del mercado.

  • Sistemas integrados en tejados y edificios
Fotovoltaica en la azotea en una casa con entramado de madera
Las matrices fotovoltaicas a menudo se asocian con edificios: ya sea integradas en ellas, montadas en ellas o montadas cerca del suelo. Los sistemas fotovoltaicos para tejados se instalan con mayor frecuencia en edificios existentes, normalmente montados en la parte superior de la estructura del techo existente o en las paredes existentes. Alternativamente, una matriz puede ubicarse por separado del edificio pero conectada por cable para suministrar energía al edificio. La energía fotovoltaica integrada en edificios (BIPV) se incorpora cada vez más en el techo o las paredes de los nuevos edificios domésticos e industriales como fuente principal o auxiliar de energía eléctrica. [108]A veces también se utilizan tejas con células fotovoltaicas integradas. Siempre que haya un espacio abierto en el que pueda circular el aire, los paneles solares montados en la azotea pueden proporcionar un efecto de enfriamiento pasivo en los edificios durante el día y también mantener el calor acumulado durante la noche. [109] Normalmente, los sistemas de techos residenciales tienen pequeñas capacidades de alrededor de 5 a 10 kW, mientras que los sistemas de techos comerciales a menudo ascienden a varios cientos de kilovatios. Aunque los sistemas de azotea son mucho más pequeños que las plantas de energía a escala de servicios públicos montadas en el suelo, representan la mayor parte de la capacidad instalada mundial. [110]
  • Concentrador fotovoltaico
La energía fotovoltaica de concentrador (CPV) es una tecnología fotovoltaica que, a diferencia de los sistemas fotovoltaicos convencionales de placa plana, utiliza lentes y espejos curvos para enfocar la luz solar en células solares de múltiples uniones (MJ) pequeñas pero altamente eficientes . Además, los sistemas CPV a menudo utilizan seguidores solares y, a veces, un sistema de refrigeración para aumentar aún más su eficiencia. La investigación y el desarrollo en curso están mejorando rápidamente su competitividad en el segmento de escala de servicios públicos y en áreas de alta insolación solar .
  • Colector solar híbrido térmico fotovoltaico
Los colectores solares híbridos térmicos fotovoltaicos (PVT) son sistemas que convierten la radiación solar en energía térmica y eléctrica. Estos sistemas combinan una celda solar fotovoltaica, que convierte la luz solar en electricidad, con un colector solar térmico , que captura la energía restante y elimina el calor residual del módulo fotovoltaico. La captura tanto de electricidad como de calor permite que estos dispositivos tengan una mayor exergía y, por lo tanto, sean más eficientes energéticamente en general que la energía solar fotovoltaica o la energía solar térmica sola. [111] [112]
  • Centrales eléctricas
Imagen satelital de la Granja Solar Topaz
Se han construido muchas granjas solares a gran escala en todo el mundo. En 2011 se propuso el proyecto Solar Star de 579 megavatios (MW AC ) , al que seguirán el Desert Sunlight Solar Farm y el Topaz Solar Farm en el futuro, ambos con una capacidad de 550 MW AC , que serán construidos por la empresa estadounidense First Solar , que utiliza módulos CdTe , una tecnología fotovoltaica de capa fina . Las tres centrales eléctricas estarán ubicadas en el desierto de California. [113] Cuando se completó el proyecto Solar Star en 2015, era la estación de energía fotovoltaica más grande del mundo en ese momento. [114]
  • Agrivoltaics
Artículo principal: Agrivoltaic
Se han establecido varias granjas solares experimentales en todo el mundo que intentan integrar la generación de energía solar con la agricultura . Un fabricante italiano ha promovido un diseño que rastrea la trayectoria diaria del sol a través del cielo para generar más electricidad que los sistemas convencionales de montaje fijo. [115]
  • Electrificación rural
Los países en desarrollo donde muchas aldeas están a más de cinco kilómetros de la red eléctrica utilizan cada vez más la energía fotovoltaica. En lugares remotos de la India, un programa de iluminación rural ha estado proporcionando iluminación LED con energía solar para reemplazar las lámparas de queroseno. Las lámparas de energía solar se vendieron aproximadamente al costo del suministro de queroseno para unos meses. [116] [117] Cuba está trabajando para proporcionar energía solar a áreas que están fuera de la red. [118] Las aplicaciones más complejas del uso de energía solar fuera de la red incluyen las impresoras 3D . [119] Las impresoras RepRap 3D han sido alimentadas con energía solar con tecnología fotovoltaica, [120] que permite la fabricación distribuida.para el desarrollo sostenible . Estas son áreas donde los costos y beneficios sociales ofrecen un excelente caso para optar por la energía solar, aunque la falta de rentabilidad ha relegado tales esfuerzos a los esfuerzos humanitarios. Sin embargo, en 1995 se descubrió que los proyectos de electrificación solar rural eran difíciles de mantener debido a la economía desfavorable, la falta de apoyo técnico y un legado de motivos ocultos de transferencia de tecnología de norte a sur. [121]
  • Sistemas autónomos
Hasta hace aproximadamente una década, la energía fotovoltaica se utilizaba con frecuencia para alimentar calculadoras y dispositivos novedosos. Las mejoras en los circuitos integrados y las pantallas de cristal líquido de baja potencia hacen posible alimentar dichos dispositivos durante varios años entre cambios de batería, lo que hace que el uso de PV sea menos común. Por el contrario, los dispositivos fijos remotos alimentados por energía solar han experimentado un uso creciente recientemente en lugares donde el costo de conexión significativo hace que la energía de la red sea prohibitivamente cara. Estas aplicaciones incluyen lámparas solares , bombas de agua, [122] parquímetros , [123] [124] teléfonos de emergencia , compactadores de basura , [125] señales de tráfico temporales, estaciones de carga, [126] [127] y puestos de guardia y señales remotos.
  • Solar flotante
Donde la tierra puede ser limitada, la energía fotovoltaica se puede implementar como energía solar flotante . En mayo de 2008, Far Niente Winery en Oakville, CA fue pionera en el primer sistema "floatovoltaico" del mundo al instalar 994 paneles solares fotovoltaicos en 130 pontones y flotarlos en el estanque de riego de la bodega. El sistema flotante genera aproximadamente 477 kW de potencia máxima y cuando se combina con una serie de celdas ubicadas junto al estanque, puede compensar por completo el consumo de electricidad de la bodega. [128]El principal beneficio de un sistema flotante es que evita la necesidad de sacrificar un área de tierra valiosa que podría usarse para otro propósito. En el caso de la bodega Far Niente, el sistema flotante ahorró tres cuartos de acre que se habrían requerido para un sistema terrestre. En cambio, esa superficie de tierra se puede utilizar para la agricultura. [129] Otro beneficio de un sistema solar flotante es que los paneles se mantienen a una temperatura más baja de la que estarían en tierra, lo que conduce a una mayor eficiencia de conversión de energía solar. Los paneles flotantes también reducen la cantidad de agua perdida por evaporación e inhiben el crecimiento de algas. [130]
  • En transporte
Solar Impulse 2, un avión solar
La energía fotovoltaica se ha utilizado tradicionalmente para generar energía eléctrica en el espacio. La energía fotovoltaica rara vez se usa para proporcionar energía motriz en aplicaciones de transporte, pero se usa cada vez más para proporcionar energía auxiliar en barcos y automóviles. Algunos automóviles están equipados con aire acondicionado que funciona con energía solar para limitar la temperatura interior en los días calurosos. [131] Un vehículo solar autónomo tendría una potencia y una utilidad limitadas, pero un vehículo eléctrico cargado con energía solar permite el uso de energía solar para el transporte. Se han demostrado coches, barcos [132] y aviones [133] que funcionan con energía solar , siendo los más prácticos y probables los coches solares . [134] El avión solar suizo ,Solar Impulse 2 , logró el vuelo en solitario sin escalas más largo de la historia y completó la primera circunnavegación aérea del mundo con energía solar en 2016.
  • Telecomunicación y señalización
La energía solar fotovoltaica es ideal para aplicaciones de telecomunicaciones como centrales telefónicas locales, radiodifusión de radio y televisión, microondas y otras formas de enlaces de comunicación electrónica. Esto se debe a que, en la mayoría de las aplicaciones de telecomunicaciones, las baterías de almacenamiento ya están en uso y el sistema eléctrico es básicamente de CC. En terrenos montañosos y montañosos, es posible que las señales de radio y televisión no lleguen ya que se bloquean o se reflejan debido al terreno ondulado. En estos lugares, se instalan transmisores de baja potencia (LPT) para recibir y retransmitir la señal para la población local. [135]
  • Aplicaciones de naves espaciales
Parte de la matriz solar de Juno
Los paneles solares de las naves espaciales suelen ser la única fuente de energía para hacer funcionar los sensores, la calefacción y refrigeración activas y las comunicaciones. Una batería almacena esta energía para su uso cuando los paneles solares están a la sombra. En algunos, la alimentación también se utiliza para la propulsión espacial - propulsión eléctrica . [136] Las naves espaciales fueron una de las primeras aplicaciones de la energía fotovoltaica, comenzando con las células solares de silicio utilizadas en el satélite Vanguard 1 , lanzado por los EE. UU. En 1958. [137] Desde entonces, la energía solar se ha utilizado en misiones que van desde el MESSENGER sonda a Mercurio, tan lejos en el sistema solar como el Junosonda a Júpiter. El sistema de energía solar más grande que se ha volado en el espacio es el sistema eléctrico de la Estación Espacial Internacional . Para aumentar la energía generada por kilogramo, los paneles solares típicos de las naves espaciales utilizan celdas solares rectangulares de múltiples uniones compactas, de alto costo y alta eficiencia, hechas de arseniuro de galio (GaAs) y otros materiales semiconductores. [136]
  • Sistemas de energía especiales
Los fotovoltaicos también pueden incorporarse como dispositivos de conversión de energía para objetos a temperaturas elevadas y con emisividades radiativas preferibles, como cámaras de combustión heterogéneas . [138]
  • Fotovoltaica interior (IPV)
La energía fotovoltaica de interior tiene el potencial de suministrar energía a la Internet de las cosas , como sensores inteligentes y dispositivos de comunicación, proporcionando una solución a las limitaciones de la batería , como el consumo de energía, la toxicidad y el mantenimiento. La iluminación ambiental interior, como los LED y las luces fluorescentes , emite suficiente radiación para alimentar pequeños dispositivos electrónicos o dispositivos con baja demanda de energía. [139] En estas aplicaciones, la energía fotovoltaica en interiores podrá mejorar la confiabilidad y aumentar la vida útil de las redes inalámbricas , lo que es especialmente importante con la cantidad significativa de sensores inalámbricos que se instalarán en los próximos años. [140]
Debido a la falta de acceso a la radiación solar , la intensidad de la energía recolectada por la energía fotovoltaica de interior suele ser tres órdenes de magnitud menor que la luz solar, lo que afectará las eficiencias de las células fotovoltaicas. El intervalo de banda óptimo para la captación de luz en interiores es de alrededor de 1,9-2 eV, en comparación con el óptimo de 1,4 eV para la captación de luz en exteriores. El aumento en la banda prohibida óptima también da como resultado un voltaje de circuito abierto (VOC) más grande , lo que también afecta la eficiencia. [139] SilicioLa energía fotovoltaica, el tipo más común de celda fotovoltaica en el mercado, solo puede alcanzar una eficiencia de alrededor del 8% cuando recolecta la luz ambiental interior, en comparación con su eficiencia del 26% en la luz solar. Una posible alternativa es utilizar silicio amorfo, a-Si , ya que tiene un intervalo de banda más amplio de 1,6 eV en comparación con su homólogo cristalino, lo que hace que sea más adecuado para capturar los espectros de luz en interiores. [141]
Otros materiales y tecnologías prometedores para la energía fotovoltaica en interiores incluyen materiales de película delgada , recolectores de luz III-V, energía fotovoltaica orgánica (OPV) y células solares de perovskita .
  • Los materiales de película delgada, específicamente CdTe , han mostrado un buen rendimiento en condiciones de poca luz y difusas, con una banda prohibida de 1,5 eV. [142]
  • Algunas celdas III-V de unión simple tienen espacios de banda en el rango de 1.8 a 1.9 eV, que se ha demostrado que mantienen un buen desempeño bajo iluminación interior, con una eficiencia de más del 20%. [143] [144]
  • Ha habido varios fotovoltaicos orgánicos que han demostrado eficiencias de más del 16% de la iluminación interior, a pesar de tener bajas eficiencias en la recolección de energía bajo la luz solar. [145] Esto se debe al hecho de que las OPV tienen un gran coeficiente de absorción, rangos de absorción ajustables, así como pequeñas corrientes de fuga con poca luz, lo que les permite convertir la iluminación interior de manera más eficiente en comparación con las PV inorgánicas. [139]
  • Las células solares de perovskita han sido probadas para mostrar eficiencias superiores al 25% en niveles bajos de luz. [146] Si bien las células solares de perovskita a menudo contienen plomo, lo que aumenta la preocupación por la toxicidad, los materiales inspirados en perovskita sin plomo también se muestran prometedores como energía fotovoltaica de interior. [147] Si bien se están realizando muchas investigaciones sobre las células de perovskita, se necesitan más investigaciones para explorar sus posibilidades para las IPV y desarrollar productos que puedan usarse para impulsar el Internet de las cosas.

Sensores fotográficos [ editar ]

Artículo principal: Fotodetectores

Los fotosensores son sensores de luz u otra radiación electromagnética . [148] Un fotodetector tiene una unión p – n que convierte los fotones de luz en corriente. Los fotones absorbidos forman pares de electrones y huecos en la región de agotamiento . Los fotodiodos y los fototransistores son algunos ejemplos de fotodetectores. Las células solares convierten parte de la energía luminosa absorbida en energía eléctrica.

Ventajas [ editar ]

Los 122  PW de luz solar que llegan a la superficie de la Tierra son abundantes, casi 10,000 veces más que el equivalente de 13 TW de energía promedio consumida en 2005 por los seres humanos. [149] Esta abundancia lleva a la sugerencia de que no pasará mucho tiempo antes de que la energía solar se convierta en la principal fuente de energía del mundo. [150] Además, la generación eléctrica solar tiene la mayor densidad de potencia (media mundial de 170 W / m 2 ) entre las energías renovables. [149]

La energía solar no contamina durante su uso, lo que le permite reducir la contaminación cuando se sustituye por otras fuentes de energía. Por ejemplo, el MIT estimó que 52.000 personas mueren prematuramente por año en los EE. UU. A causa de la contaminación de las centrales eléctricas de carbón [151] y todas menos una de estas muertes podrían evitarse mediante el uso de energía fotovoltaica para reemplazar el carbón. [152] [153] Las emisiones y los desechos finales de la producción se pueden gestionar utilizando los controles de contaminación existentes. Se están desarrollando tecnologías de reciclaje al final del uso [154] y se están elaborando políticas que fomentan el reciclaje de los productores. [155]

Idealmente, las instalaciones fotovoltaicas podrían operar durante 100 años o incluso más [156] con poco mantenimiento o intervención después de su configuración inicial, por lo que después del costo de capital inicial de construir cualquier planta de energía solar, los costos de operación son extremadamente bajos en comparación con las tecnologías de energía existentes.

La electricidad solar conectada a la red se puede utilizar localmente, reduciendo así las pérdidas de transmisión / distribución (las pérdidas de transmisión en los EE. UU. Fueron aproximadamente del 7,2% en 1995). [157]

En comparación con las fuentes de energía fósil y nuclear, se ha invertido muy poco dinero en investigación en el desarrollo de células solares, por lo que hay mucho margen de mejora. No obstante, las células solares experimentales de alta eficiencia ya tienen eficiencias de más del 40% en el caso de células fotovoltaicas de concentración [158] y las eficiencias están aumentando rápidamente mientras que los costes de producción en masa están cayendo rápidamente. [159]

En algunos estados de los Estados Unidos, gran parte de la inversión en un sistema montado en el hogar puede perderse si el propietario se muda y el comprador le da menos valor al sistema que el vendedor. La ciudad de Berkeley desarrolló un método de financiamiento innovador para eliminar esta limitación, agregando una evaluación de impuestos que se transfiere con la casa para pagar los paneles solares. [160] Ahora conocido como PACE , Property Assessment Clean Energy, 30 estados de EE. UU. Han duplicado esta solución. [161]

Existe evidencia, al menos en California, de que la presencia de un sistema solar montado en el hogar en realidad puede aumentar el valor de un hogar. Según un artículo publicado en abril de 2011 por el Laboratorio Nacional Ernest Orlando Lawrence Berkeley titulado Análisis de los efectos de los sistemas de energía fotovoltaica residencial en los precios de venta de viviendas en California:

La investigación encuentra pruebas sólidas de que las viviendas con sistemas fotovoltaicos en California se han vendido por un precio superior a las viviendas comparables sin sistemas fotovoltaicos. Más específicamente, las estimaciones de las primas fotovoltaicas promedio oscilan entre aproximadamente $ 3,9 y $ 6,4 por vatio instalado (CC) entre una gran cantidad de especificaciones de modelos diferentes, y la mayoría de los modelos se fusionan cerca de $ 5,5 / vatio. Ese valor corresponde a una prima de aproximadamente $ 17,000 para un sistema fotovoltaico relativamente nuevo de 3100 vatios (el tamaño promedio de los sistemas fotovoltaicos en el estudio). [162]

Desventajas [ editar ]

  • Contaminación y energía en la producción

La energía fotovoltaica ha sido un método bien conocido para generar electricidad limpia y libre de emisiones. Los sistemas fotovoltaicos a menudo están hechos de módulos fotovoltaicos e inversores (cambiando CC a CA). Los módulos fotovoltaicos están hechos principalmente de células fotovoltaicas, lo que no tiene una diferencia fundamental con el material utilizado para fabricar chips de computadora. El proceso de producción de células fotovoltaicas consume mucha energía e implica productos químicos altamente venenosos y tóxicos para el medio ambiente. Hay algunas plantas de fabricación fotovoltaica en todo el mundo que producen módulos fotovoltaicos con energía producida a partir de fotovoltaica. Esta medida de contraataque reduce considerablemente la huella de carbono del proceso de fabricación de las células fotovoltaicas. La gestión de los productos químicos utilizados y producidos durante el proceso de fabricación está sujeta a las leyes y normativas locales de las fábricas. [ cita requerida ]

  • Impacto en la red eléctrica
Las redes con alta penetración de fuentes de energía renovable generalmente necesitan una generación más flexible en lugar de una generación de carga base.

Para los sistemas fotovoltaicos de techo detrás del medidor, el flujo de energía se vuelve bidireccional. Cuando hay más generación local que consumo, la electricidad se exporta a la red, lo que permite la medición neta . Sin embargo, las redes eléctricas tradicionalmente no están diseñadas para lidiar con la transferencia de energía en dos direcciones, lo que puede presentar problemas técnicos. Puede surgir un problema de sobretensión a medida que la electricidad fluye desde estos hogares fotovoltaicos de regreso a la red. [163] Existen soluciones para gestionar el problema de la sobretensión, como regular el factor de potencia del inversor fotovoltaico, el nuevo equipo de control de tensión y energía a nivel de distribuidor de electricidad, volver a conducir los cables eléctricos, gestionar la demanda, etc. A menudo existen limitaciones y costos relacionados con estas soluciones.

La alta generación durante la mitad del día reduce la demanda neta de generación, pero una demanda neta pico más alta a medida que se pone el sol puede requerir una aceleración rápida de las estaciones generadoras de servicios públicos, produciendo un perfil de carga llamado curva de pato .

  • Implicaciones para la gestión de facturas de electricidad y la inversión en energía

No existe una solución milagrosa en la gestión de la demanda y las facturas de electricidad o energía, porque los clientes (sitios) tienen diferentes situaciones específicas, por ejemplo, diferentes necesidades de comodidad / conveniencia, diferentes tarifas de electricidad o diferentes patrones de uso. La tarifa de electricidad puede tener algunos elementos, como el acceso diario y el cargo de medición, el cargo de energía (basado en kWh, MWh) o el cargo por demanda pico (por ejemplo, un precio por el consumo de energía de 30 minutos más alto en un mes). La energía fotovoltaica es una opción prometedora para reducir las tarifas de energía cuando los precios de la electricidad son razonablemente altos y aumentan continuamente, como en Australia y Alemania. Sin embargo, para los sitios con un cargo por demanda máxima, la fotovoltaica puede ser menos atractiva si las demandas pico ocurren principalmente al final de la tarde o temprano en la noche, por ejemplo, en comunidades residenciales. General,La inversión en energía es en gran medida una decisión económica y es mejor tomar decisiones de inversión basadas en la evaluación sistemática de opciones en mejora operativa, eficiencia energética, generación in situ y almacenamiento de energía.[164] [165]

Ver también [ editar ]

  • Solar activo
  • Agrivoltaico
  • Sociedad Estadounidense de Energía Solar
  • Efecto fotovoltaico anómalo
  • Cobre en energías renovables § Generación de energía solar fotovoltaica
  • Costo de la electricidad por fuente
  • Gestión de la demanda energética
  • Fuerza electromotriz § Célula solar
  • Grafeno § Células solares
  • Lista de empresas fotovoltaicas
  • Lista de fabricantes de células solares
  • Celda fotoelectroquímica
  • Eficiencia cuántica § Eficiencia cuántica de las células solares
  • Comercialización de energías renovables
  • Tejido de células solares
  • Garantía de calidad del módulo solar
  • Monitoreo solar fotovoltaico
  • Energía solar térmica
  • Teoría de la célula solar

Referencias [ editar ]

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Lectura adicional [ editar ]

Recursos de la biblioteca sobre
energía fotovoltaica
  • Recursos en su biblioteca
  • Recursos en otras bibliotecas
  • Clean Tech Nation : How the US Can Lead in the New Global Economy (2012) por Ron Pernick y Clint Wilder
  • Deploying Renewables 2011 (2011) por la Agencia Internacional de Energía
  • Reinventar el fuego: soluciones comerciales audaces para la nueva era energética (2011) por Amory Lovins
  • Fuentes de energía renovable y mitigación del cambio climático (2011) por el IPCC
  • Perspectivas de energía solar (2011) por la Agencia Internacional de Energía
  • ¿Qué tan práctica es la energía solar para los propietarios de viviendas con PH? por Rappler
  • Proyecto de la UE SolarBankbility 09/2016. Informe "Minimización de Riesgos Técnicos en Proyectos Fotovoltaicos"