Paneles Solares, Tipos y Eficiencias

Tipos de Paneles Fotovoltaicas

Paneles (o mejor 'módulos') fotovoltaicos se puede producir de muchos elementos. Con mejorados y nuevos métodos de producción y el uso de nuevos elementos incluyendo materiales orgánicos, existe hoy una gran variedad de productos.

Paneles Solares de Celdas de Silicio

monocristalline cellpolycristalline cellLas celdas fabricadas de bloques de silicio o 'ingots' son las más comunes. La experiencia comprobó una vida útil con frecuentemente más de 30 años sin ningún mantenimiento. No sorprende que la mayoría de las empresas se atreven garantízar un rendimiento de 80% en 25 años.

Paneles monocristalinos versus paneles policristalinos

Se distinguen entre módulos solares fabricados de celdas monocristalinas (izquierda) y policristalinas (derecha).

En la práctica la diferencia entre ambos es mínima. Paneles solares de celdas monocristalinas tienen una mayor eficiencia en condiciones estándar (STC) que puede tener importancia solamente cuando el espacio disponible es reducido. Con paneles policristalinos, más baratos por una producción menos exigente, frecuentemente se puede conseguir más energía por el mismo precio.

Hay dos características más que favorecen paneles policristalinos:

  • Con temperaturas elevadas, la pérdida de eficiencia en módulos policristalinos en general es menor que en paneles de celdas monocristalinas. Este tiene el efecto que paneles policristalinos producen más energía en condiciones de temperaturas elevadas.
  • La pérdida por la degradación provocado por la luz (LID - light induced degradation) es menor en paneles policristalinos. Entonces en el transcurso de los años, pierden ligeramente menos eficiencia (no es válido para los nuevos módulos monocristalinos tipo 'p', por ejemplo los Sunpower Maxeon).

Para la selección hay otras consideraciones importantes sobre el rendimiento de paneles solares cristalinos.

 

Tradicionalmente se discutieron dos argumentos en contra de paneles solares:

Escasez de Silicio

Aunque el silicio es muy abundante (por ejemplo en arena), la cantidad con suficiente pureza (99.9999%) es limitada y consecuentemente caro. Una escasez de silicio de alta pureza anunciado en 2005 fue evitada con nuevos descubrimientos y mejores procesos de fabricación. Varias empresas que invirtieron fuertemente en tecnologías alternativas hoy se encuentran en serios problemas para competir con los paneles de silicio tradicionales, cada vez más asequibles.

Tiempo de retorno energético

El argumento de que la energía necesaria para producir paneles solares es mayor a la que ellas generan durante su vida. Aunque con validez hace varias decadas atrás, los paneles de silicio fabricadas hoy con procesos modernos y celdas más finas necesitan menos de dos años para producir la energía que se usó para su propia fabricación (vea por ejemplo los datos en Mariska de Wild-Scholten 'Environmental profile of PV mass production: globalization' (pdf, inglés). La empresa Noruega Elkem logra recuperar la energía usada para la fabricación de sus ingots en 1.3 meses. En países de alta radiación como en el Perú, este tiempo de retorno todavía es más corto.

Otros Paneles Solares

 Placas solares de capa fina

silicium amorphePara reducir los costos de producción y salir de la posible escasez de silicio, se empezaron a investigar e invertir en placas de otros materiales. A parte de paneles solares de capa fina (thin film solar cells) con silicio (amorfas), se logró una reducción importante de los costos usando otros elementos.

Los más importantes son módulos de capa delgada de cobre, indio y selenio (CIS) o de cobre, indio, galio y selenio (CIGS) y módulos de capa delgada a base de cadmio y telurio (CdTe).

Modernos procesos como por ejemplo tecnologías de imprenta resultan en capas ultra finas usando menos materia prima.

Inversiones masivas en estas nuevas tecnologías (en gran parte aseguradas por programas gubernamentales) permitieron instalaciones de parques solares de gran tamaño, con el resultado de que la empresa First Solar (EEUU) con sus placas tipo CdTe se convirtió en el 2009 temporalmente en el productor fotovoltaico más grande del mundo.

Celdas flexibles

flexible cellLas nuevas formas de producción permiten también producir celdas flexibles que abren posibilidades que la rigidez de los paneles tradicionales no permitieron. Estas celdas cada vez más se incorporan en la ropa, mochilas, sombrillas, etc. A parte de aplicaciones especiales, sirven para cargar aparatos de poco consumo. Así se puede evitar un celular descargado, alimentar otros aparatos portátiles o tener luz en la playa una vez que se va el sol.

Paneles con capas transparentes

Un desarrollo práctica es la recién empezada producción de ventanas con capas finas semi-transparentes. Es una válida alternativa arquitectónica para incluirlas en edificios. Con estas se puede reemplazar los vidrios polarizados y usar la energía generada para apoyar la climatización de los edificios.

Celdas orgánicas

Celdas orgánicas ya se puede tejer en la ropa, por ejemplo para cargar aparatos de telecomunicación. De interés especial es la Celda Grätzel de material simple similar a la fotosíntesis con características muy prometedoras. Con esta invención el Prof. Grätzel ganó el Premio Tecnológico del Milenio en el 2010. Actualmente están preparando una primera producción industrial. A causa del uso de materiales simples, se espera en el futuro una importante reducción de los precios. Contrario de las celdas cristalinas, tienen la ventaja que la eficiencia aumenta con la temperatura.

Celdas de concentración

Concentrar la luz con sistemas ópticos es otro desarrollo para aumentar la eficiencia relativamente baja de las celdas fotovoltaicas y reducir los costos. Aunque se logró mejorar la eficiencia por un factor importante en los sistemas instalados, la necesidad de orientarlos exactamente hacia el sol y el control de la alta temperatura generada imponen sistemas sofisticados con un mantenimiento alto y costoso. Nuevas tecnologías que eviten las desventajas están bajo desarrollo.

 

Las investigaciones continúan fuertemente. En 2016 por ejemplo se alcanzaron con el mineral Perovskite producir en el laboratorio celdas fotovoltaicas con una eficiencia sorprendente de 22.1% en el laboratorio. Este mineral, la primera vez descrito en 1839, no es tóxico y conocido como semiconductor desde años. Lo excitante es el rápido avance en lograr esta eficiencia en pocos años (de 3% en 2009), mientras otras tecnologías necesitaban décadas para lograr algo similar (vea gráfica abajo). Este salto nutre la esperanza de producir dentro de pocos años nuevas celdas de Perovskite hasta un 30% de eficiencia a costos muy bajos.


Eficiencias de Celdas Fotovoltaicos

solar cell efficiency chart Agosto 16A parte de reducir los costos de la producción relativamente complicada y especializada, el reto más importante es aumentar la eficiencia.

Existe una competencia sana entre instituciones científicas internacionales. En los laboratorios se lograron eficiencias de más de 45%. La gráfica muestra este proceso (fuente National Renewable Energy Laboratory, NREL). Lamentablemente faltan años, hasta que estos productos de mejor eficiencias sean disponibles comercialmente a precios aceptables.

Para celdas de un elemento, William Shockley y Hans Queisser determinaron que teóricamente se puede convertir un máximo de 33.7% de la energía solar en electricidad. Para lograr más, hay que usar celdas combinadas de varias capas o de concentración. Para silicio, el elemento más usado, este limite es de 29%.

Para el uso común se usan paneles de silicio por su alta fiabilidad a precios razonables. Paneles de celdas monocristalínas son las más eficientes, seguidas por las policristalinas. Mientras los mejores paneles monocristalinos superan ligeramente el 20%, la mayoría de los paneles en producción hoy captan alrededor del 16% de la energía disponible de la luz.

Los paneles amorfos y otros de capa fina pocas veces superan el 10%.

Para usos especiales (por ejemplo satélites y el Mars Rover) se producen módulos de arseniuro de galio (GaAs) que alcanzan una eficiencia de 30% o unir varios elementos en células fotovoltaicas multiunión, superando 45% en laboratorios (vea gráfica).

Conclusión

Aunque con paneles de capa fina de relativamente poca materia prima se logró reducir el costo de producción, queda cierta inseguridad sobre su durabilidad. Todavía falta suficiente experiencia histórica y junto con algunas problemas de la producción, la calidad deja algunas dudas. Mientras las placas mono- y policristalinas son garantizadas de producir 80% de su energía sobre 25 años, todavía no se puede garantizar esta vida con las tecnologías más recientes. Esto afecta directamente la rentabilidad de los sistemas sobre el tiempo y en general favorece a las placas tradicionales de silicio.


Copyright © 2010-2016 - Delta Volt SAC, Derechos Reservados