concentración solar fotovoltaica[1]. revisión del estado del arte y propuesta preliminar de un...

Congreso Nacional de Estudiantes de Posgrado del Instituto de Ingeniería, UABC Mexicali B.C, 25,26 y 27 de Noviembre de 2009

Programa de Maestría y Doctorado en Ciencias e Ingeniería

Concentración solar fotovoltaica: Revisión del estado del

arte y propuesta preliminar de un sistema

G. Pérez*, J. Cerezo, N. Velázquez.

Centro de Estudios de las Energías Renovables, Instituto de Ingeniería, Universidad Autónoma de Baja California, Calle de la normal s/n, Col. Insurgentes Este, 21280, Mexicali, Baja

California, México.

[email protected], [email protected], [email protected].

RESUMEN

En este documento se presenta una revisión del desarrollo de tecnologías de

concentración solar fotovoltaica. Las tecnologías que se analizan y discuten en este documento

son aquellas que se basan en el uso de sistemas ópticos que enfocan la luz del sol en una

célula fotovoltaica receptora. En este documento los sistemas se clasifican según su principio

óptico: refractivos, reflexivos, híbridos refractivos-reflexivos, luminiscentes, termofotovoltaicos y

holográficos. Debido a que la mayor parte de la energía del sol recibida por los sistemas

fotovoltaicos con concentración (CPV, por sus siglas en ingles) se convertirá siempre en calor,

es importante desarrollar concentradores fotovoltaicos-térmicos que mejoren la eficiencia global

del sistema al aprovechar una mayor cantidad de energía térmica. Se han desarrollado

diversos sistemas de concentración solar fotovoltaica, sin embargo los sistemas que sean

capaces de aprovechar con mayor porcentaje la radiación solar y ofrezcan otros beneficios

como la integración arquitectónica, menor espacio requerido, fácil instalación y un bajo costo,

entre otros posibles, tendrán un valor agregado que los pondrá en la punta del mercado

mundial para el sector residencial.

Basado en la revisión y discusión de los antecedentes, el estado del arte, y además

tomando en cuenta las características climatológicas de Mexicali, México, se propone

desarrollar y evaluar un sistema hibrido fotovoltaico – térmico; Refractivo - parabólico

compuesto simétrico reflexivo acoplado a células a-Si flexibles, de tipo disperso a pequeña

escala, conectado a la red eléctrica en Mexicali, aportando evidencia de campo de la

factibilidad económica y de las condiciones favorables que existen en nuestro país para su

implementación a gran escala.

Palabras clave: Concentrador solar fotovoltaico – térmico; Concentrador parabólico compuesto;

Celdas de silicio amorfo.

mailto:[email protected]





1. INTRODUCCION

Debido principalmente al aumento de precio del petróleo y las consecuencias del calentamiento global, es necesario investigar, desarrollar e innovar tecnologías apropiadas que utilicen fuentes de energía renovable para generar energía eléctrica y térmica en México. El propósito de este documento es presentar una revisión y discusión, de los antecedentes y el estado del arte de los CPV y plantear una propuesta preliminar de un sistema para ser desarrollado con interconexión a la red para el sector residencial, basado en las características climatológicas extremas de la ciudad de Mexicali. Actualmente no se ha encontrado evidencia de alguna investigación y/o propuesta de un sistema de este tipo en México.

1.1. Célula fotovoltaica.

El descubrimiento del efecto fotovoltaico se atribuye a Alexandre Edmond Becquerel, quien en 1839 presento a la academia de ciencias de Paris, un estudio del efecto que tiene la luz sobre la corriente eléctrica a través de un electrolito con una membrana de separación, mas tarde en 1877 el profesor William G. Adams y su estudiante Richard E. Day, presentaron a la Real Sociedad de London, los experimentos que los llevaron a concluir inequívocamente que se podía generar una corriente eléctrica por la acción de la luz sobre selenio. La primera célula solar con una eficiencia del 1% fue fabricada en 1941. Un poco después de 1960 fue publicado un reporte de la investigación de un nuevo tipo de célula de silicio de capa delgada llamada amorfa (a-Si) y en 1976 durante las conferencias fotovoltaicas IEEE PVSC, Carlson presentó el primer artículo sobre las células a-Si. Este tipo de células a-Si tienen la característica especial de poder ser montadas sobre materiales flexibles (metales o polímeros) que las hace apropiadas para ser utilizadas en aplicaciones con superficies no planas. La eficiencia reportada en 2005 para las células de a-Si es de 10.1% y las investigaciones para incrementar su eficiencia continúan, se espera que pronto alcancen eficiencias similares al 20% de las convencionales de Silicio cristalino (c-Si). En el 2005 los Laboratorios Spectrolab de los Estados Unidos desarrollaron células multi-unión de alta eficiencia de 39% basadas en AsGa a una concentración de 236X (soles), en comparación al 24.7% de las células de silicio utilizadas en los módulos tradicionales. [7], [8].

1.2. Sistemas fotovoltaicos con concentración.

La idea básica de los CPV es utilizar dispositivos ópticos para enfocar la luz del sol sobre una celda solar pequeña; reduciendo el área de la celda gracias a la cantidad de concentración de luz enfocada sobre esta. El costo y la eficiencia son los parámetros más importantes que determinan la configuración óptima. La utilización de los concentradores solares como una manera para reducir el costo de los sistemas fotovoltaicos fue propuesta en 1976. Los laboratorios Nacionales Sandia de los Estados Unidos desarrollaron un sistema de 1 kW con concentración a 50X con una eficiencia de 12.7%, utilizando lentes fresnel acoplado a una estructura de seguimiento de dos ejes, celdas fotovoltaicas de silicio y agua fría como medio de enfriamiento. La eficiencia máxima de los CPV obtenida por los experimentos a principios de los 80’s se encontraba entre 10 y 11 %, pero gracias a que la Universidad de Stanford en 1986 logró una eficiencia de 28% en una célula a 140X, los esfuerzos destinados al desarrollo de módulos de concentración se mantuvieron. Dentro del VI programa marco 2002-2006, con el financiamiento de la Unión Europea y gracias a la participación del Instituto de Energía Solar de la UPM y empresas como BP Solar entre otras, se desarrollaron sistemas de entre 2X hasta 200X. La meta fue determinar el costo real y el mejor sistema para aplicaciones en el rango de



100 a 2000 kWp (kiloWatt pico). En el 2007 debido al resurgimiento de la energía solar, el Departamento de Energía (DOE por sus siglas en ingles) de los Estados Unidos está encabezando la investigación científica en sistemas solares, principalmente para conseguir que la tecnología utilizada sea competitiva en costo, destinando más de 167 millones de dólares para investigación y desarrollo. [1], [3] y [5].

1.3 Sistemas fotovoltaicos-térmicos con concentración.

Debido al aumento del flujo de radiación solar por efecto de la concentración en las células fotovoltaicas, las propiedades fotoeléctricas de la célula se modifican, disminuyendo la eficiencia de estas. Los CPV utilizan diferentes tecnologías para controlar al máximo el aumento de la temperatura. Con la intensión de utilizar la energía térmica producida por efecto de la concentración, se han diseñado sistemas híbridos PVT (fotovoltaicos-térmicos, por sus siglas en ingles) que al igual que los sistemas convencionales térmicos hacen pasar por el interior de un conducto un fluido que absorbe el calor derivado del aumento de la temperatura en las células. [1]

2. ANTECEDENTES.

Los elementos de los sistemas de concentración solar fotovoltaica son: 1) El elemento óptico de concentración, 2) la celda solar (montado sobre un sistema de disipación de calor) y 3) el sistema de seguimiento solar. Los CPV diseñados hasta la fecha se basan principalmente en: su factor de concentración, el tipo de elemento de concentración y su sistema de seguimiento solar (Fig. 1). [9].

Fig.1.CPV: Opciones de diseño.

Después de 30 Años de experiencia de las diferentes instituciones a nivel mundial en el diseño de CPV como una alternativa para reducir el costo de los sistemas fotovoltaicos convencionales, los CPV se pueden clasificar por su tipo de elemento óptico de concentración en; refractivos, reflexivos, híbridos refractivos-reflexivos, luminiscentes, termofotovoltaicos y



holográficos. No obstante aquellos sistemas que no han alcanzado eficiencias competitivas o madures tecnológica, no son tomados en cuenta dentro de la lista de CPV de referencia (Tabla. 1) [ 9]

Tabla 1. CPV: Características de los sistemas de referencia.

Desde que el primer CPV fue instalado, numerosos diseños han sido desarrollados. A continuación se muestran sistemas instalados entre 1976 y 2005. (Fig.2, Tabla 2). [1], [2], [3], [5].

Tabla 2. Detalles de CPV’s instalados entre 1976 y 2005. Fig.2. Historia de los CPV.

En 1982 ENTECH probó un sistema PVT que utilizaba lentes de fresnel lineales. El sistema tenía un factor de concentración de 25X produciendo 24 kW eléctricos y 120 kW térmicos. El sistema fue instalado en el hotel Hyatt en Dallas / Fort Worth International Airport. El segundo sistema fue desarrollado por Sandia-Albuquerque, con una concentración de 40X y una producción de 22 kW eléctricos y 70 kW térmicos. En el 2005 la Universidad Nacional de Australia trabajó con sistemas a los que le nombraron CHAPS (Calor combinado y Potencia Solar), estos sistemas utilizan un concentrador parabólico con un factor de concentración entre

Tipo de CPV Opticos Arreglo de celulas Tipo de

celula

Factor de

concentraci

Enfria

mientoSeguimiento

Tipo 1

Foco puntualFresnel

Una celula o

division de haz

Silicio

lII-V

50<X<500

X>500Pasivo 2 ejes

Tipo 2

Foco puntual en

area grande

Disco parabolico

Torre centralEn paquete

Silicio

III-V150<X<500 Activo 2 ejes

Tipo 3

Sistemas Lineares.

Lentes lineares

Cilindro parabolicosLinear

Silicio

III-V

15<X<60

60<X<300Pasivo

1 eje

2 ejes

Tipo 4

Sistemas estaticos.Imagen desenfocada Linear Silicio 1.5<X<10 Pasivo

Sin

seguimiento

Tipo 5

Mini foco puntual

Lentes pequenas Hibridos

Reflectivos-Rlexivos

Pequenas parabolas

Una celulaSilicio

III-VX>800 Pasivo 2 ejes

Punto LaboratorioPotencia

(kWp)

Eficiencia

(%)X (soles)

1 Sandia 1 12.7 50

2 Spectrolab 11 10.9 25

3 IES-UPM (Ramon Areces) 1 10 40

4 U.Tolouse (Sophocles) 1 10 40

5 Sandia (Martin Marietta) 10 9 40

6 Ansaldo (PCA) 1 10 40

7 PV/Termal Acurrex System 60 ** 15<X<60

8 Saudi Arabia (Martin Marietta) 350 10 40

9E-Systems-PV/Termal System for Dallas

Airport25 ** 15<X<60

10 BDM Corp. Office Block., Albuquerque 50 ** 15<X<60

11 Sky Harbour Airport Phoenix 250 10.5 50<x<500

12 ARCO (Carrizo USA) 1500 ** **

13 POCA Alpha Solarco Array 10 ** 50<x<500

14 Entech Austin System 300 16.5 22

15 Entech PVUSA system 20 ** 15<X<60

16 Entech CSW solar park 100 14 15<X<60

17 Entech TU Electric Energy Park 100 ** 15<X<60

18Amonix IHPVC System in Nevada Power

Company18 ** 50<x<500

19 PVI Clean Air Now los Angeles C.A. 30 ** 15<X<60

20 PVI Sacramento Municipal Utility District 30 ** 15<X<60

21 PVI Arizona Public Service 3 ** 15<X<60

22Amonix IHPVC California Polytechnic

University Pomona15 ** 50<x<500

23 IES-UPM/BP Solar (EUCLIDES) 450 18.5 30

24 Amonix (Glendale) 100 27 250

25 Solar Systems (White Cliffs) 100 40 100

26 Solar Farm in Broken Hill (Australia) 1000 ** X>500

27 Concentrix ** ** >500

28 Isofoton ** ** >500

0

100

200

300

400

500

1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

Historia de los CPV (Años)

Potencia (kWp)



los 20 y 40X. Otra tecnología que ha venido desarrollándose en los últimos años es la denominada spectral beam splitting (división del espectro de radiación solar) este método consiste en dividir el espectro de radiación solar, separando las longitudes de onda que pueden ser absorbidas por la célula y enviado el resto directamente a un absorbedor térmico. [1].

3. ESTADO DEL ARTE.

Florschuetz (1975) presentó un trabajo teórico en el que estableció una ecuación de un sistema de enfriamiento para encontrar el nivel de radiación ideal de generación de máxima potencia, pero los niveles coinciden con temperaturas de células muy altas que provocarían la destrucción de las mismas. En su trabajo demostró que la importancia de la resistencia térmica del sistema de enfriamiento aumenta con el nivel de concentración. Esto es debido a que la diferencia de temperatura (∆T) a través de una frontera entre materiales se obtiene a partir de:

∆T = qR [6]

Entonces para mantener una diferencia de temperatura constante mientras aumenta el flujo térmico (q), se tiene que reducir la resistencia térmica (R) del sistema de disipación. [1], [6].

Sala (1989), aunque no dirigió únicamente su trabajo hacia los generadores fotovoltaicos de concentración, planteó los efectos de la temperatura sobre los diferentes parámetros de las células fotovoltaicas y describió los esquemas básicos de los sistemas de enfriamiento pasivos y activos de los CPV. [1], [6].

Royne et al. (2005) describen las diferentes exigencias que debería cumplir un sistema de enfriamiento en un receptor fotovoltaico de concentración: control de temperatura de las células, uniformidad de temperaturas, fiabilidad y simplicidad, aprovechamiento de la energía térmica y potencia de bombeo. [1], [6].

Las diferentes tecnologías de enfriamiento varían en función del tipo de distribución de células; sistema de concentración con células aisladas (sistemas de lentes de Fresnel puntuales), sistemas lineales o de concentración en matrices de células (receptores fotovoltaicos de matriz densa). [1], [6].

Existen dos categorías de técnicas de enfriamiento de células, la pasiva y la activa. Las aplicaciones de cada una dependen del nivel de concentración y de la configuración de las células.

A continuación se describe la tipología de tecnologías de enfriamiento para sistemas de concentración lineal.

3.1 Tecnologías de enfriamiento para receptores lineales.

Estos sistemas alcanzan niveles de concentración de entre 5 y 40X. Pueden ser de tipo refractivo (figura 3.a) o reflexivo (figura 3.b).



Fig. 3. Sistemas de concentración en geometría lineal: (a) Refractivo y (b) Reflexivo.

3.1.1 Enfriamiento pasivo

El concentrador parabólico EUCLIDES (de 30X), fabricado y en funcionamiento en España, transmite la energía térmica absorbida por las células al ambiente mediante un disipador de aletas fabricado en aluminio ligero. Para lograr un enfriamiento óptimo de las células, la tecnología utilizada en la fabricación del disipador tuvo que ser bastante costosa: constituye un 15.7% del coste total del proyecto mientras que los módulos fotovoltaicos y los espejos solo un 11.9% y 10.8%, respectivamente. [1], [6].

Edenburn (1980) advirtió que el enfriamiento con aletas tipo Heatsink en un diseño lineal es mucho más caro que para la configuración de una célula aislada, debido al aumento de la temperatura en la fila de células, resultado de la cantidad de calor que tiene que recorrer a lo largo de las aletas. [1], [6], [6].

También se han estudiado sistemas de enfriamiento pasivo en esta configuración mediante tubos de vacío (Feldman et al., 1981; Launay et al., 2004; Akbarzadeh y Wadowski, 1996). Los resultados obtenidos fueron satisfactorios, pero no se han realizado estudios de impacto sobre el precio total del sistema. [1], [6].

3.1.2 Enfriamiento activo

Florschuetz (1975) observó en el caso del enfriamiento activo por aire, que la baja capacidad térmica del aire permite un aumento considerable de la temperatura a lo largo de la fila de células, por esta razón no la considero una alternativa viable. Por otro lado, el enfriamiento por agua si lo considero una alternativa viable la cual permite trabajar a niveles de concentración más altos. [1], [6].

Edenburn (1980) demostró que, para la configuración lineal, el enfriamiento activo resultaba más rentable que el pasivo. El número de trabajos realizados es también mucho más importante. La mayoría de ellos utilizan tubos o canales de aluminio, acero galvanizado o de cobre, colocados al dorso de la fila de células, por los cuales fluye el líquido refrigerante. Las resistencias térmicas de esta tipología de sistemas son del orden de 10-4 m2 K/W, (con circulación del fluido térmico en régimen laminar). Es importante evaluar estas resistencias con las respectivas potencias de bombeo necesarias. Se ha demostrado que existe una región óptima de operación en cuanto a la potencia de bombeo, debido a que el aumento de ritmo de la resistencia térmica baja cuando el flujo másico crece. [1], [6].

El sistema CHAPS de la Australian National University es uno de los sistemas de concentración lineal con enfriamiento activo más avanzado. Este sistema trabaja a 37X y tiene



una eficiencia eléctrica y térmica de 11% y 57% respectivamente. No se ha estudiado el efecto del aumento de la temperatura a lo largo de cada fila del concentrador que puede llegar a medir más de 20 metros. Este aspecto puede tener una influencia notable sobre la eficiencia total de los concentradores lineales. (Fig. 4.a.) [1], [4], [6].

Fig. 4. Sistemas de concentración lineales: (a) Sistema CHAPS izquierda; (b) Sistema BIFRES 11X derecha.

El grupo de investigación en energía solar de la universidad de Lleida, España, ha desarrollado el sistema BiFres11X. Este consiste de un generador hibrido térmico-fotovoltaico que alcanza los 11X de concentración mediante un reflector tipo Fresnel. Las eficiencias eléctricas y térmicas son de 11.9% y 56.0% respectivamente, del orden del sistema CHAPS, pero con concentraciones menores (Fig. 4b) [1], [4], [6].

La Universidad de Lleida desarrollo diversos sistemas PVT en los últimos años. Daniel Chemissana (2009) de la Universidad de Lleida realizó su tesis doctoral diseñando y caracterizando un sistema hibrido PVT; Refractivo (Lente fresnel) - parabólico compuesto reflexivo (CPC linear) para integración arquitectónica, logrando concentraciones de entre 10 y 26.67X, con una producción térmica anual de 6810 kWh/m^2 y una producción eléctrica de 2150 kWh/m^2. (Fig.5) [1].



Fig.5. PVT para integración arquitectónica

4. RESULTADOS

Una de las motivaciones más importantes para estudiar los colectores híbridos térmico-fotovoltaicos es el hecho de que, incluso con células fotovoltaicas de silicio de alta calidad con eficiencias cercanas a la ideal, la mayor parte de la energía del sol se convertirá siempre en calor.

Actualmente no existe una tecnología de concentración fotovoltaica que despunte. Son muy variadas las soluciones que se continúan usando. Un gran número de compañías en el mundo han iniciado la producción de CPV a mediana escala.

La utilización de concentradores fotovoltaicos con la finalidad de reducir el costo de los sistemas convencionales ha tenido un excelente resultado a mediana y alta concentración, gracias a la gran mejora de la eficiencia en celdas multi-union basadas en AsGa, sin embargo existe un amplio campo de investigación para mejorar las tecnologías a baja concentración.

La EU PV-TRAC tiene contemplado invertir en la investigación de los sistemas fotovoltaicos térmicos a mediano plazo (2013-2020) para lograr sistemas a bajo costo y mayores eficiencias.

5. DISCUSION Y PROPUESTA PRELIMINAR.

La radiación solar en México es de las más altas en el mundo; Mexicali recibe uno de los

más altos niveles de radiación solar en México alcanzando hasta 6 kWh/m2 x día, con

temperaturas hasta de 45 °C, durante el verano. Un sistema que sea capaz de aprovechar al

máximo estas condiciones de verano, tiene un importante valor agregado que haría de este un

sistema altamente redituable, ya que disminuiría el tiempo de recuperación de la inversión al

suministrar de energía eléctrica, agua caliente para uso residencial. Por todo lo anterior y con

base en la revisión y discusión de los antecedentes, el estado del arte, se propone desarrollar y

evaluar un sistema hibrido fotovoltaico – térmico; utilizando un concentrador refractivo -

parabólico compuesto simétrico reflexivo acoplado a células a-Si flexibles, de tipo disperso a

pequeña escala, conectado a la red eléctrica en Mexicali, aportando evidencia de campo de la

factibilidad económica y de las condiciones favorables que existen en nuestro país para su

implementación a gran escala. (Fig.6)



(a) (b) (c)

Fig.6. Propuesta preliminar de un sistema a desarrollarse (a) Celda a-Si, (b) Concentrador

refractivo-CPC, (c) Modulo prototipo.

6. CONCLUSIONES

Con base en los resultados, análisis y discusión, las conclusiones son:

1. Los sistemas PVT son una buena opción para desarrollar un sistema que aproveche al máximo la radiación solar aumentando su eficiencia global.

2. Las células fotovoltaicas a-Si de capa delgada tienen el valor agregado de ser flexibles y fácilmente adaptables a superficies con diferente geometría a la convencional plana.

3. La combinación de un sistema de refracción como podría ser las lentes fresnel curvas, con un sistema CPC (concentrador parabólico compuesto) que capta la radiación directa y difusa, lograrían concentraciones apropiadas para aumentar la eficiencia global de los sistemas PVT.

4. Las perspectivas para los CPV son: (1) Reducción de costo de los sistemas, (2) aumento de la eficiencia en las células para concentración y elementos ópticos, (3) mayor introducción en el mercado fotovoltaico, (4) creación de nuevos e innovadores desarrollos tecnológicos CPV con diversos valores agregados como la integración arquitectónica entre otros posibles.

7. REFERENCIAS

[1] Chemissana D. Tesis Doctoral: Diseño y caracterización de un concentrador térmico-fotovoltaico cuasiestacionario para integración arquitectónica. 2009.

[2] Antonio Luque. Concentrator Photovoltaics. Georgia Institute of Technology, USA: The Springer Series in Optical Sciences Press, 2007.

[3] Crating, Tomo 1 Capitulo 3, History of concentrators, 2002: 13-57.

[4] Rosell J.I. Design and simulation of a low concentrating photovoltaic/thermal system. Elsevier B.V. 2005.

[5] Giuliano Martinelli, History and Perspectives of PV concentrators, Dep. De Física Universidad de Ferrara Italia, Nápoles, 2007.

[6] Royne A. Cooling of photovoltaic cells under concentrated illumination: a critical review. Elsevier B.V. 2004.



[7] Goetzberger A. Photovoltaic materials, history, status and Outlook. Elsevier B.V. 2002.

[8] R.W. Miles. Photovoltaic solar cells: An overview of state-of-the-art cell development and environmental issues. Elsevier B.V. 2005.

[9] Bett A., Ferraza F., Herzog J. Marti A., Vettling W. Concentration Photovoltaics (CPV). Report EU Photovoltaic Technology Platform The Strategic Research Agenda (SRA) Working Group 3 “Science, Technology and Applications (WG3). Fraunhofer ISE, Freiburg, April 28th, 2006. Disponible en: http://www.eurec.be/index.php.

http://www.eurec.be/index.php

concentración solar fotovoltaica[1]. revisión del estado del arte y propuesta preliminar de un...

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