Solar Fotovoltaico

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Yasuhiro Matsumoto CINVESTAV-IPN, Mxico

1. Descripcin de la Tecnologa: Celdas solares y sistemas fotovoltaicos

Las celdas solares (CS), son dispositivos fabricados en materiales que convierten

directamente la radiacin luminosa en corriente elctrica. El efecto fotovoltaico (FV), es

la absorcin de fotn por el material activo para generar pares electrn-hueco. Estas

cargas son separadas mediante el campo elctrico interno (generalmente unin n-p)

establecida mediante la impurificacin artificial del material. (Fig. 1). Una vez separadas

las cargas, induce una diferencia de potencial para generar la corriente directa (CD). La

CS utiliza contactos metlicos o sus equivalentes, para conectarse elctricamente hacia

el exterior. La corriente fluye al conectar una carga elctrica entre sus terminales [1].

Las CS comerciales, se clasifican en volumtricas (tipo obleas) y de pelculas delgadas.

Actualmente se fabrican en su mayor parte CS de silicio tipo cristalinas-volumtricas y

sus espesores se han reducido al orden de 200 -150 !-1m (micrmetros) [2]. La

tendencia es ocupar una cantidad de 2 - 4 gr/watt, o espesores menores a 100 !-1m. Por

otro lado, las CS de pelculas delgadas se fabrican en sustratos de vidrio, lminas de

acero inoxidable o de plstico. Los espesores del material correspondientes son de 1 -

15 !-1m, segn materiales o la tecnologa. La Fig. 2. muestra CS de diferentes materiales

y estructuras.

Un mdulo fotovoltaico (FV) se compone de varias CS interconectadas en serie. A

este conjunto y bajo vidrio templado, se confina y se lamina en un marco de aluminio. El

laminado o sellado trmico, se realiza va pelculas protectoras, como el Etileno Vinil

Acetato (EVA). Los mdulos FV certificados son fiables y garantizan hasta 25 aos su

funcionamiento. Un buen laminado de los mdulos FV, hace resistente a diversas

condiciones climticas, tales como la humedad, salinidad, granizos y los ciclos de

temperatura cotidiana.

2

Actualmente, un slo mdulo FV es capaz de generar potencias hasta de varios cientos

de watts. Un arreglo FV o varios mdulos interconectados en serie o paralelo,

proporcionan mayores voltajes o corriente, respectivamente, de modo que alcanza a

proveer millones de watts (MW) de potencia. Los sistemas FV, son clasificados en

conectados a la red elctrica y en autnomos (o independientes). Los sistemas

conectados a la red, a su vez se clasifican en distribuidos, y centralizados. Los

sistemas distribuidos son instalaciones de pequeos equipos en cada localidad y

suministra la energa en el sitio, y la energa sobrante se inyecta a la red (ver Fig. 3).

Por otro lado, el sistema centralizado es una planta generadora de grandes extensiones

para distribuir su potencia generada a diversos consumidores va red elctrica.

La aplicacin autnoma o independiente, es decir, sin conexin a la red elctrica, son

comnmente utilizadas por personas o pequeos grupos, y puede incluir elementos de

almacenamiento de energa; tales como la batera o capacitares. Sin embargo, el

sistema de bombeo de agua, puede trabajar durante el da (o bajo el sol) y almacenar el

agua en un tinaco para ser descargados durante la noche va gravedad. Los sistemas

autnomos, tienen enorme potencial en las zonas no electrificadas, es decir, en las

comunidades dispersas en donde la red de energa se encuentre a muchos kilmetros

de distancia.

Para aprovechar la electricidad generada por los mdulos o arreglos FV, se requiere de

un sistema FV. Un componente importante del sistema FV, est el inversor

acondicionador para convertir la corriente directa (CD) a corriente alterna (CA). Es decir,

el sistema FV hace compatible lo que generan los mdulos FV con la red elctrica y/o

los equipos de CA. La tecnologa FV, se aplica en residencias, comercios, empresas,

sean bajo esquemas distribuidos o centralizados. La potencia elctrica generada por

los mdulos FV, se relaciona directamente a la irradiacin solar.

La radiacin solar es una onda electromagntica emitida por la capa exterior del Sol.

Justamente fuera de la atmosfera terrestre, llega una irradiacin de - 1,370 W/m2.

Debido a la absorcin por los aerosoles, la radiacin que alcanza la superficie terrestre

bajo condiciones de un cielo claro, es -1,000 W/m2 (equivalente a "un so/''). El

componente espectral correspondiente abarca aproximadamente de los 0.25 a 3IJm de

longitud de onda (ultravioleta a cercano infrarrojo). La radiacin total o global que

alcanza la superficie de la tierra, se componen de partes directa y difusa. El potencial

solar terico en la tierra es infinitamente grande, del orden de los 4 millones de EJ/ao.

Sin embargo, para casos prcticos de aprovechamiento, se estima de entre los 1,500 a

50,000 EJ/ao, es decir, del orden de 3 a 100 veces el consumo de energa primaria

mundial del ao 2008 [3].

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Fig. 1. Celda solar bajo iluminacin

y la conexin de una carga

elctrica en sus terminales

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4

que la potencia a generar se ajusta con aadir o suprimir los mdulos. Los mdulos FV,

puede generar energa an en das nublados, mediante componente de radiacin difusa.

En adicin a las CS de silicio tipo-cristalinos, existen celdas solares de materiales

compuestos; de concentracin solar; foto-electrolticos mediante tintes sensibles, as

como celdas de materiales orgnicas (polmeros). Cada tecnologa tiene sus costos y

eficiencias, algunas son tecnologas maduras y otras emergentes con potenciales a

reducir costos de produccin. Por ejemplo, las celdas solares de pelculas delgadas son

de bajo costo, pero de menor eficiencia de conversin comparadas a las CS

volumtricas. Esto significa, que para obtener la misma potencia elctrica, se requiere

instalar mayor rea de mdulos FV. En contraste, las CS de mayores eficiencias, son

de costos ms elevados pero ocupa menor espacio. Varias tecnologas de CS y de

sistemas FV tienen diferentes niveles de desarrollo. Todas estas, poseen un potencial

para mejorar, sea su eficiencia de conversin o reducir costos, mediante actividades

sostenidas de investigacin, desarrollo e innovacin (10&1).

Asimismo, un mdulo FV puede alcanzar temperaturas de operacin de 25 a 40C por

encima de la temperatura ambiental, por lo que llegan en mucho de los casos a los 55 -

70C durante su operacin. Debido al incremento de la temperatura, las CS de silicio

tipo-cristalinos merma su eficiencia en aprox. 0.45%/ oC. Este efecto depende de los

materiales y la estructura que conforma la CS y se denomina "coeficiente de

temperatura". Los fabricantes de los mdulos, etiquetan sus mdulos FV con las

mediciones realizadas bajo una temperatura ambiental a 25C. Por lo que en lo general

bajo condiciones nominales de operacin, su potencia es del 90 a 85 % de su

especificacin.

Tecnologa de celdas solares; Las tecnologas FV comerciales disponibles son

diversas ver Fig. 2. Son las de silicio tipo cristalinas volumtricas, as como las de

tecnologa de pelculas delgadas (de silicio amorfo y microcristalino), cobre-indio/galio -

diselenuro (CIGS), teluro de cadmio-sulfuro de cadmio (CdS/CdTe) y las celdas foto

electrolticas con tinte sensibilizado (tipo Graetzel). En adicin, se dispone

comercialmente las CS de concentracin solar fotovoltaica (CFV), mediante la

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concentracin de la radiacin va lentes de Fresnel o reflectores, donde se ocupan

celdas muy eficientes a base de arseniuro de galio (GaAs). La tecnologa dominante

actual mediante silicio volumtricas, son los mono- y multi-cristalinas, incluyedo las de

listn (EFG) del ingls Edge-defined Film-Fed Grown. En 2009, estas tecnologas

dominaron el 80% del mercado mundial con eficiencias y costos en rangos intermedios.

El mercado remanente de los 20%, fueron de pelculas delgadas de CdS/CdTe, el de

silicio amorfo y CIGS. Finalmente las CS orgnicas, son emergentes y estn en proceso

de exploracin comercial con eficiencias del orden de 5% [4].

Eficiencias de conversin; Las eficiencias reportados a niveles de laboratorios, son

del 43% para las de CS de concentracin (- 400 soles) tipo GaAs (tipo tndem de 3

uniones). Del orden de 25% para el silicio mono-cristalino, 20.3% para multi-cristalino,

20.0% en CIGS, 17% para CdTe, y 13% para el silicio amorfo bajo condiciones

estndares de medicin (i.e. irradiancia de 1,000 W/m2, Masa de Aire 1.5 a 25C) [5].

La mxima eficiencia de conversin terica para la CS de silicio mono-cristalino a una

sola unin, es del 31 % [6]. Es importante distinguir entre las eficiencias de conversiones

logradas en los laboratorios y la eficiencia de los mdulos disponibles comercialmente.

Estos ltimos, son entre el 50 a 80% de las mximas eficiencias reportadas a nivel

laboratorio. Al futuro, se esperan mejores desempeos de las celdas solares con

polmeros, hbridos (orgnicos/inorgnicos) y de tinte sensibilizado. Se manejan

conceptos de romper barreras de eficiencias tericas mediante CS tipo tandem (o multi

unin), el uso de niveles de impurezas, puntos cuanticos, entre otros.

En cuanto a la capacidad instalada en los ltimos 10 aos, la industria FV creci a

ritmos del - 40% anuales y el costo de sistemas baj un 40% en 2008/09 [7].

Referencias

[1] Fundamentals of Solar Cells, Alan L. Fahrenbruch, Richard H. Bube, Stanford university

Academic Press (1983)

[2] EPIA (2009)

[3] Rogner, H.-H., F. Barthel, M. Cabrera, A. Faaij, M. Giroux, D. Hall, V. Kagramanian,

S. Kononov, T. Lefevre, R. Moreira, R. Ntstaller, P. Odell, and M. Taylor (2000). Energy

resources. In: World Energy Assessment. Energy and the Challenge of Sustainability. United

Nations Department of Economic and Social Affairs,World Energy Council, New York, USA, pp.

508)

[4] Li, G., V. Shrotriya, J.S. Huang, Y. Yao, T. Moriarty, K. Emery, and Y. Yang (2005).

Highefficiency solution processable polymer photovoltaic cells by self-organization of polymer

blends. Nature Materials, 4(11), pp. 864-868.

[5] Energy Technology Perspectives 2010 lEA, Scenarios & Strategies to 2050, Solar

photovoltaic pp 128-129

[6] Shockley, W., and H.J. Queisser (1961). Detailed balance limit of efficiency of p-n junction

solar cells. Journal of Applied Physics, 32(3), pp. 510-519.

[7] lEA (2010a), lEA Technology Roadmap: Solar PV, OECD/IEA, Paris.

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Solar Fotovoltaico

2. La Tecnologa en el Mundo y en Mxico

En 2009, la produccin mundial de las celdas solares (CS) fotovoltaicas (FV), alcanz

alrededor de los 11.5 GW; China - 51 % incluyendo 14% de Taiwn; Europa con 18%,

Japn 14% y EUA 5% (Fig. 1). Alrededor del mundo hay -300 fbricas que producen

CS y mdulos FV, y se prev un importante crecimiento en la tecnologa de las

7

pelculas delgadas (PO) durante aos venideros [1]. En el mismo ao, cerca de 7.5 GW

en sistemas FV fueron instalados en el mundo con un total acumulado de 22 GW y una

capacidad de generacin hasta de 26 TWh al ao. Mas del 95% de esta capacidad,

son interconectados a la red de energa elctrica; entre Alemania e Italia con el 74%,

Japn 12% y E.U.A 8%. La Fig.2, muestra las capacidades acumuladas de

instalaciones FV en los 8 principales pases como Alemania,(9,800 MW), Espaa

(3,500 MW), Japn (2,630 MW), EUA (1,650 MW), Italia (1,140 MW), Corea (460 MW),

Francia (370 MW) y China (300 MW) [2]. Para finales del 2010, la capacidad instalada

pas a 34.9 GW, un incremento aproximado de 13 GW del - 60% en solo un ao [3].

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silicio) increment de los 24,000 ton en el ao 2000 a 236,490 ton en 2010 [5]. En

cuanto a las manufacturas, su crecimiento rebas el 50% al ao, en los perodos 2003-

2009. Histricamente, la industria microelectrnica fue principal usuario del poli-silicio.

Sin embargo, el sbito crecimiento de las aplicaciones FV, principalmente en el

continente europeo, la demanda de poli-silicio (2005-2006), super a los de

microelectrnica y fue notorio el desabasto del material [5]. Por tanto, la inversin

comenz a fluir con mayor rigor hacia la tecnologa de pelculas delgadas (PO). Una de

las empresas ms grandes de CS de PO, produjo 1,411 MW durante el 2009 mediante

CdS/CdTe [6]. Con la ventaja de los bajos costos de produccin de las celdas de PO y

la escasez del poli-silicio, represent una oportunidad de mercado tambin para los

fabricantes emergentes tales como la de CIGS (CulnGaSe2) y de silicio amorfo.

8

Por otro lado, el tiempo de recuperacin de energa (EPBT) por sus siglas en ingls, se

define como el tiempo requerido para generar la misma cantidad de energa utilizada

para fabricar el mdulo FV. En cuanto al EPBT, se ha venido reduciendo; los mdulos

FV de silicio mono-cristalino (2008) y Silicio multi-cristalino (2007) con espesores en sus

CS de 200 IJm, son de 1.75 aos y los mdulos de CdS/CdTe (2009) de 0.75 aos [7].

Las posibilidades de asegurar la materia prima de las CS, incrementa la oportunidad de

producir CS a grandes escalas. Por ejemplo, al contrario a la posible escazes del Indio y

Telurio, el estudio concluye que las reservas conocidas como econmicas de estos

materiales, permita la produccin de 10TW de CS de CdTe o CulnS2 [8].

El costo de los mdulos FV se ha venido reduciendo en un rango de 15 a 22%

anuales. Los costos de los sistemas FV ha cado en 40% en 2008/09 [9]. As mismo, la

capacidad FV instalada en el mundo, ha crecido al ritmo de 40% anuales durante los

ltimos 10 aos. Con los esquemas de incentivos y programas de varios pases en el

mundo, se pronostica la continuidad del crecimiento. Por tanto, esto ayudar a bajar

an ms los costos y para algunos pases, se espera lograr en esta dcada la paridad,

con las tarifas elctricas convencionales. Mientras un mdulo FV costaba US$22/W en

1980, en 2010 se redujo a US$1.5/W (cotizacin 2005) [10]. Y los sistemas FV

incluyendo el balance del sistema, se encuentra en US $2.72/W (cotizacin 2009)

mediante el empleo de tecnologas de pelculas delgadas.

El costo nivelado de electricidad (LCOE) por sus siglas en ingls, de los sistemas FV,

no nicamente se considera la inversin inicial, sino toma en cuenta los costos y el

tiempo de vida de los componentes del sistema, los niveles de la radiacin solar local y

el funcionamiento del sistema. Es el precio constante al cual la electricidad tendra que

ser vendida para su produccin al punto de equilibrio durante su vida til. Este costo

varia de USct7.4 - ct92/kWh (cotizacin 2005), dependiendo de los parmetros de

entrada [1].

Inversiones: La Fig. 3 muestra el gasto pblico en investigacin y desarrollo (1&0) FV

en el perodo 1998-2007. Ourante el ao de 2010, el mismo gasto fueron de: EUA

9

$ 172.4, Japn $ 68.1, Alemania> $ 84 Y Mxico $ 0.6 (USO Millones) [3]. Los

esfuerzos en la 1&0 fueron importantes en implementar la cadena de valores para la

generacin de energa; desde la produccin de la materia prima y hasta la manufactura

de los mdulos FV y componentes del sistema. Las CS y los mdulos FV representan la

mayor parte de la 1&0, tpicamente el 75% del total de las inversiones [11].

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Fig.3 Gasto pblico Investigacin y Desarrollo FV [11].

Por otro lado, los sistemas FV de concentracin solar (CFV), es un mercado emergente

con cerca de 17 MW de potencia instalada a finales de los 2008. Se divide de baja a

mediana concentracin de 2 - 300 soles, y alta concentracin para mayores a los 300

soles. El uso de la CFV resulta atractivo en zona de la franja solar, entre latitudes norte

y sur +/- 35. Esta tecnologa es propicia en las zonas con mayor radiacin directa (cielo

despejado y baja humedad relativa). Es la tecnologa FV de mayor eficiencia, debido a

que emplean CS de muy alta eficiencia de conversin. El sistema alcanza la eficiencia

10

global de -25%, mediante CS con eficiencias de conversin del orden de 35%. Es decir,

las mejores CS de concentracin, alcanza la eficiencia de - 43.5%, su produccin en

masa de 39.2%, una eficiencia en mdulo de 25 -31%, Y la eficiencia del sistema de

23-27% [12]. Segn predicciones de la economa de escala, su costo puede ser menores a

US 7/kWh para el ao 2015 [13].

FV en Mxico: Mxico tiene una insolacin media anual de -2000 kWh/m2,

prcticamente el doble de Alemania, pas con mayor capacidad FV instalada. Mxico a

pesar de tener uno de los mayores potenciales solares del mundo, los sistemas FV

crecieron nicamente a ritmos de -1 MW anuales durante los ltimos 20 aos. Estas

son aplicaciones tanto autnomos domsticos y no domsticos realizados por

instituciones pblicas y por empresas privadas en las zonas rurales. Los sistemas FV

son ahora econmicamente viables para sitios alejados de la red elctrica, aplicable en

electrificacin y telefona rural, bombeo de agua, sealizacin, refrigeracin, iluminacin

y proteccin catdica, entre otros. La Comisin Federal de Electricidad (CFE), con el

apoyo del Instituto de Investigaciones Elctricas (IIE), instal ms de 60,000 sistemas

fotovoltaicos en 20 estados del pas con fondos del gobierno federal. Tambin tienen

experiencia en sistemas hbridos solar-elico. Se tiene un compendio de los desarrollos

realizados desde inicios de los 70's a la fecha por diferentes instituciones acadmicas,

empresas y asociaciones, quienes contribuyen en la I&D y aplicaciones FV [14-20].

El programa Fideicomiso de Riesgo Compartido (FIRCO) foment programas de

impulsos rurales, diferentes convenios suscritos al 2005, colaboracin con los

Laboratorios Nacionales Sandia de los EUA donde se instalaron 195 sistemas, y se

apoy a ms de 3,500 productores. Mediante el convenio de donacin con el Fondo

Mundial para el Medio Ambiente (GEF) a travs del Banco Mundial, la SAGARPA

promovi un donativo por US $32 millones. Los programas consistieron en bombear

agua de pozos y norias ganaderas. Los resultados alcanzados con estos programas

incluyen ms de 1,000 sistemas instalados. En julio del 2007, el organismo regulador

del sector de gas y electricidad en Mxico, la Comisin Reguladora de Energa (CRE)

aprob una resolucin que ofrece a los inversionistas la posibilidad de instalar sistemas

11

fotovoltaicos conectados a la red nacional en pequea escala (hasta 10 kW para

hogares y 30kW para empresas) [14]. Desde 2008 se acrecent la inversin privada con

la conexin a la red. Durante 2009, fueron instalados casi 3.3 MW de sistemas FV con

una capacidad acumulada de -25 MW. Una cuarta parte de la instalacin, fueron

conectadas a la red, pero la aplicacin autnoma permanece en -72% de potencia

instalada a la fecha. Luego de la aparicin de la Ley para el Aprovechamiento de

Energas Renovables y el Financiamiento para la Transicin Energtica en 2008, la

CRE abre un esquema de interconexin hasta capacidades de 500kW [15]. Desde

entonces, el sector privado abri el mercado potencial con conexiones a la red. Por

ejemplo, una empresa automotriz instal 400kW en el Estado de Coahuila, y una

cadena de supermercados dio inicio con la instalacin de 174kW en la Cd. de

Aguascalientes, cuya contribucin alcanza el 20% de la energa que consumen y evita

la emisin de 140 toneladas de CO2. Mas reciente esta cadena, adicion una capacidad

de 200kW en el sucursal de La Paz, B.C.S. [16]. Sin embargo, se debe notar que la

tecnologa es de importacin, a excepcin de algunos mdulos FV ensamblados en

Mxico, sea por fabricantes nacionales o extranjeros.

Como parte del impacto social, por cada GWh generado mediante tecnologa FV se

tiene un alto potencial de empleo de 0.87 persona-ao [19].

Referencias

[1] IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation, Edited

by Ottmar Edenhofer, Ramn Pichs-Madruga and Youba Sokona, Cambridge University Press,

Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. (May, 2011) (Anexo 11).

[2] Jager-Waldau, A. Status and perspectives of thin film photovoltaics. In: Thin Film Solar Cel/s:

Current Status and Future Trends. A. Sosio and A. Romeo (eds.), Nova Publishers, New York,

NY, USA,(2010) pp. 1-24.

[3] Trends in Photovoltaic Applications, Survey report of selected lEA countries between 1992

and 2010, Report IEA-PVPS T1-20:2011

[4] REN21 (2009). Renewables Global Status Report. 2009 Update. Renewable Energy

[5] PV Activities in Japan and Global PV Highlights RTS Corp. Vol. 17, N 4, April 2011.

[6] PV Activities in Japan and Global PV Highlights RTS Corp. Vol. 17, N 8, August 2011.

12

[7] PV Power Update Vol. 35 August 2011

[8] Wadia, C. , AP. Alivisatos, and D.M. Kammen (2009). Environmental Science & Technology,

43(6), pp. 2072-2077.

[9] Energy Technology Perspectives 2010. Scenarios & Strategies to 2050. International Energy

Agency, Paris, France, 708 pp.

[10] Bloomberg, New Energy Finance - Renewable Energy Data. Subscriber info at:

bnef. com/bnef/markets/renewable-energy/solar/(2010).

[11] Fuente: OECD/IEA (2010), Technology Roadmap, Solar Photovoltaic Energy; Internacional

Energy Agency. Paris Francia. p. 11.

[12] 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition. Selection of

Conference Highlights, Arnulf Jager-Waldau, Technical Programme Chairman European

Commission, DG JRC (September 2011)

[13] National Solar Energy Concentrator PV, Roadmap Management Report NRELlMP-520-

41735 June 2007

[14] Comisin Reguladora de Energa www.cre.gob. mx

[15] Diario Oficial 28 Nov, 2008 y la Estrategia Nacional para la Transicin Energtica y el

Aprovechamiento Sustentable de la Energa SENER 2009

[16] Trends in Photovoltaic Applications Survey report of selected lEA countries between 1992

and 2009, Report IEA-PVPS T1-19:2010

[17] Energas Alternas: Propuesta de Investigacin y Desarrollo Tecnolgico para Mxico,

Academia Mexicana de Ciencias, 2010 pp 23-25

[18] 30 Aos de energa Solar en Mxico, XXX Aniversario de la Asociacin Nacional de

Energa Solar, Eduardo A Rincn M. y Martha Aranda P., ANES, 2006 Mxico D.F.

[19] Perspectivas de investiavin y desarrollo de celdas solares en Mxico, Universidad

Nacional Autnoma de Mxico-Centro de Investigacin y de Estudios Avanzados del IPN, 2011.

[20] Libro de Ciencia y Tecnologa N2, Tecnolgico de Estudios Superiores de Ecatepec,

Mxico 2009 ISBN 978-607-95065-0-6

[21] IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation, Edited

by Ottmar Edenhofer, Ramn Pichs-Madruga and Youba Sokona, Cambridge University Press,

Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA (May, 2011). en 3.6.2 Social impacts.