Fotovoltaica - Photovoltaics

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 el sol a través del cielo.

Algunos esperan que la tecnología fotovoltaica produzca suficiente energía sostenible asequible para ayudar a mitigar el calentamiento global causado por el CO
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. 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, aunque se requieren otros materiales 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. 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 que causan costos adicionales, y también tiene una serie de otras desventajas específicas, como la generación de energía inestable y el requisito de que las compañías eléctricas compensen demasiada energía solar en la combinación de suministro al tener suministros de energía convencionales más confiables para regular los picos de demanda y la posible suboferta. 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. Los módulos fotovoltaicos se produjeron en masa por primera vez en 2000, cuando los ambientalistas alemanes y la organización Eurosolar recibieron fondos del gobierno para un programa de diez mil techos.

La disminución de los costos ha permitido que la energía fotovoltaica crezca como fuente de energía. Esto ha sido impulsado en parte por la inversión masiva del gobierno chino en el desarrollo de la capacidad de producción solar desde 2000 y el logro de economías de escala . Gran parte del precio de producción proviene del componente clave polisilicio , y la mayor parte del suministro mundial se produce en China, especialmente en Xinjiang . Además de los subsidios, los bajos precios de los paneles solares en la década de 2010 se han logrado gracias al bajo precio de la energía del carbón y la mano de obra barata en Xinjiang, así como a las mejoras en la tecnología y la eficiencia de fabricación. Los avances tecnológicos y el aumento de la escala de fabricación también han aumentado la eficiencia de las instalaciones fotovoltaicas. 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. Los precios de los paneles se redujeron en un factor de 4 entre 2004 y 2011. Los precios de los módulos cayeron un 90% con respecto a la década de 2010, pero comenzaron a aumentar drásticamente en 2021.

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 . Después de las energías hidroeléctrica y eólica , la fotovoltaica es la tercera fuente de energía renovable en términos de capacidad global. En 2019, la Agencia Internacional de Energía esperaba un crecimiento de 700 - 880 GW de 2019 a 2024. En algunos casos, la energía fotovoltaica ha ofrecido la fuente de energía eléctrica más barata en regiones con un alto potencial solar, con una oferta por precios tan bajos como 0.01567 EE. UU. $ / kWh en Qatar en 2020.

Etimología

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.

Historia

Células solares

Las células solares generan electricidad directamente de la luz solar .
Mapa de potencial de energía fotovoltaica
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.

La energía fotovoltaica es más conocida 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 .

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 remotos y protección catódica de tuberías .

La generación de energía fotovoltaica emplea módulos solares compuestos por varias células solares que contienen un material semiconductor. 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.

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 ). La potencia de salida real en un lugar en 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. Los factores de capacidad de la matriz solar fotovoltaica suelen estar por debajo del 25%, que es más bajo que muchas otras fuentes industriales de electricidad.

Eficiencias de las células solares

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)

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.

Las eficiencias de conversión de energía de las células solares para los fotovoltaicos disponibles comercialmente son de alrededor del 14 al 22%. Las eficiencias de las células solares son solo del 6% para las células solares basadas en silicio amorfo. En entornos experimentales, se ha logrado una eficiencia del 44,0% con energía fotovoltaica concentrada de unión múltiple experimental . Alta Devices, un fabricante fotovoltaico especializado en arseniuro de galio (GaAs) con sede en EE. UU., Produce celdas comerciales con un 26% de eficiencia y afirma tener la celda de unión única "solar más eficiente del mundo" dedicada a aplicaciones flexibles y ligeras. Para las células solares de silicio, la empresa estadounidense SunPower sigue siendo líder con una eficiencia de módulo certificada del 22,8%, muy por encima del promedio del mercado de 15-18%. Sin embargo, empresas competidoras se están poniendo al día como el conglomerado surcoreano LG (21,7% de eficiencia) o el grupo REC de Noruega (21,7% de eficiencia).

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. 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.

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. Se produce una pérdida de eficiencia adicional en la transición de regreso a CC para los dispositivos y vehículos que funcionan con baterías.

También se requiere una gran cantidad de energía para la fabricación de las células.

Efecto de la temperatura

El rendimiento de un módulo fotovoltaico 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 célula 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. 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.

Fabricación

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.

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). Este se funde cuando se agregan pequeñas cantidades de boro , un elemento del grupo III, 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.

Costos ambientales de fabricación

La energía solar fotovoltaica no es enteramente "energía limpia", la producción produce emisiones de GEI (gases de efecto invernadero), los materiales utilizados para construir las células son potencialmente insostenibles y eventualmente se agotarán, la tecnología usa sustancias tóxicas que causan contaminación y no hay viables tecnologías para el reciclaje de residuos solares. Se requiere una gran cantidad de energía para la producción de los paneles, la mayor parte de la cual ahora se produce a partir de plantas de carbón en China. 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. 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. Las evaluaciones del ciclo de vida , que analizan los diferentes impactos ambientales que van desde el potencial de calentamiento global , la contaminación, el agotamiento del agua y otros, no están disponibles para la energía fotovoltaica. En cambio, los estudios han tratado de estimar el impacto y los impactos potenciales de varios tipos de fotovoltaica, pero estas estimaciones generalmente se limitan a evaluar simplemente los costos de energía de fabricación y / o transporte , porque se trata de nuevas tecnologías y los impactos ambientales totales de sus componentes. y los métodos de eliminación son desconocidos, incluso para las células solares de primera generación disponibles comercialmente , y mucho menos los prototipos experimentales sin viabilidad comercial.

Por lo tanto, las estimaciones de los impactos ambientales de la energía fotovoltaica se han centrado en los equivalentes de dióxido de carbono por kWh o el tiempo de recuperación de la energía (EPBT). El EPBT describe el período de tiempo que un sistema fotovoltaico necesita para funcionar para generar la misma cantidad de energía que se utilizó para su fabricación. Otro estudio incluye los costos de la energía de transporte en el EPBT. El EPBT también se ha definido de manera completamente diferente como "el tiempo necesario para compensar la energía primaria renovable y no renovable total requerida durante el ciclo de vida de un sistema fotovoltaico" en otro estudio, que también incluyó los costos de instalación. Esta amortización de energía, expresada en años, también se denomina tiempo de recuperación de la energía de equilibrio . Cuanto menor sea el EPBT, menor será el costo ambiental de la energía solar. El EPBT depende en gran medida de la ubicación donde se instala el sistema fotovoltaico (por ejemplo, la cantidad de luz solar disponible y la eficiencia de la red eléctrica) y del tipo de sistema, es decir, los componentes del sistema.

Una revisión de 2015 de las estimaciones de EPBT de la energía fotovoltaica de primera y segunda generación 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 debe reducirse para tener una mayor reducción de EPBT.

Se requiere una gran cantidad de energía para la producción de los paneles. En general, el componente más importante de los paneles solares, que representa gran parte del uso de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero, es el refinado del polisilicio. China es la fuente de la mayor parte del polisilicio en el mundo, la mayor parte producida en Xinjiang utilizando energía producida a partir de plantas de carbón. En cuanto al porcentaje de EPBT, este silicio depende del tipo de sistema. Un sistema completamente autárquico requiere componentes adicionales ('Balance of System', los inversores de potencia , almacenamiento, etc.) que aumentan significativamente el costo de energía de fabricación, pero en un sistema de techo simple alrededor del 90% del costo de energía proviene del silicio. y el resto procedente de los inversores y el marco del módulo.

En un análisis de Alsema et al . a partir de 1998, el tiempo de recuperación de la energía fue superior a 10 años para el sistema anterior en 1997, mientras que para un sistema de techo estándar, el EPBT se calculó entre 3,5 y 8 años.

El EPBT se relaciona estrechamente con los conceptos de ganancia neta de energía (NEG) y energía devuelta sobre la energía invertida (EROI). Ambos se utilizan en la economía de la energía y se refieren a la diferencia entre la energía gastada para cosechar una fuente de energía y la cantidad de energía obtenida de esa cosecha. El NEG y el EROI también tienen en cuenta la vida útil de funcionamiento de un sistema fotovoltaico y, por lo general, se asume una vida útil de 25 a 30 años. A partir de estas métricas, el tiempo de recuperación de energía se puede derivar mediante cálculo.

Mejoras de EPBT

Los sistemas fotovoltaicos que utilizan silicio cristalino, con mucho la mayoría de los sistemas en uso práctico, tienen un EPBT tan alto porque el silicio se produce mediante la reducción de arena de cuarzo de alta calidad en hornos eléctricos . Este proceso de fundición de coque se produce a altas temperaturas de más de 1000 ° C y consume mucha energía, utilizando aproximadamente 11 kilovatios-hora (kWh) por kilogramo de silicio producido. Los requisitos energéticos de este proceso hacen que el coste energético por unidad de silicio producido sea relativamente inelástico, lo que significa que el proceso de producción en sí no será más eficiente en el futuro.

No obstante, el tiempo de recuperación de la energía se ha acortado significativamente en los últimos años, ya que las células de silicio cristalino se volvieron cada vez más eficientes para convertir la luz solar, mientras que el grosor del material de la oblea se redujo constantemente y, por lo tanto, requirió menos silicio para su fabricación. En los últimos diez años, la cantidad de silicio utilizada para las células solares disminuyó de 16 a 6 gramos por vatio-pico . En el mismo período, el grosor de una oblea de c-Si se redujo de 300 μm, o micrones , a aproximadamente 160-190 μm. Las obleas de silicio cristalino son hoy en día solo un 40 por ciento más gruesas que en 1990, cuando tenían alrededor de 400 μm. Las técnicas de aserrado que cortan los lingotes de silicio cristalino en obleas también han mejorado al reducir la pérdida de corte y facilitar el reciclaje del aserrín de silicio.

Parámetros clave para la eficiencia energética y de materiales
Parámetro Mono-Si CdTe
Eficiencia celular 16,5% 15,6%
Reducir la eficiencia de celda a módulo 8.5% 13,9%
Eficiencia del módulo 15,1% 13,4%
Espesor de oblea / espesor de capa 190 micras 4,0 μm
Pérdida de corte 190 micras -
Plata por celda 9,6 g / m 2 -
Espesor de vidrio 4,0 milímetros 3,5 mm
Vida operativa 30 años 30 años
Fuente: IEA-PVPS , Evaluación del ciclo de vida, marzo de 2015

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%. 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 oscila entre 1,7 y 2,7 ​​años. La cuna a la puerta de CO 2 -eq / kWh varía de 37,3 a 72,2 gramos.

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%. EPBT varía de 1,5 a 2,6 años. La cuna a la puerta de CO 2 -eq / kWh varía de 28,5 a 69 gramos.

Suponiendo que los siguientes países tuvieran una infraestructura de red de alta calidad como en Europa, en 2020 se calculó que se necesitarían 1,28 años en Ottawa , Canadá para que un sistema fotovoltaico en la azotea produzca la misma cantidad de energía que se requiere para fabricar el silicio en los módulos. en él (excluyendo la plata, vidrio, monturas y otros componentes), 0,97 años en Catania , Italia , y 0,4 años en Jaipur , India . Fuera de Europa, donde las eficiencias netas de la red son menores, llevaría más tiempo. Este " tiempo de recuperación de la energía " puede verse como la parte del tiempo durante la vida útil del módulo en el que la producción de energía es contaminante. En el mejor de los casos, esto significa que un panel de 30 años ha producido energía limpia durante el 97% de su vida útil, o que el silicio en los módulos de un panel solar produce un 97% menos de emisiones de gases de efecto invernadero que una planta de carbón para el mismo cantidad de energía (asumiendo e ignorando muchas cosas). Algunos estudios han mirado más allá de EPBT y GWP hacia otros impactos ambientales. En uno de estos estudios, se comparó la combinación de energía convencional en Grecia 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.

Impactos de segunda generación

El telururo de cadmio (CdTe) es una de las células solares basadas en película fina 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. La cuota de mercado mundial de CdTe fue del 4,7% en 2008. La mayor eficiencia de conversión de energía de esta tecnología es del 21%. La estructura de la celda incluye un sustrato de vidrio (alrededor de 2 mm), una capa conductora transparente, una capa tampón de CdS (50-150 nm), un absorbente de CdTe y una capa de contacto de metal.

Los sistemas fotovoltaicos de CdTe requieren menos entrada de 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.

Tecnologías experimentales

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.

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. 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. 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. En 2019, los laboratorios universitarios de Oxford, Stanford y otros lugares informaron células solares de perovskita con eficiencias del 20-25%.

Otras posibles tecnologías fotovoltaicas futuras incluyen energía fotovoltaica orgánica, sensible a colorantes y de puntos cuánticos. 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 del 12% de eficiencia.

El seleniuro de cobre, indio y 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. CIGS tiene aproximadamente 1/100 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%). EPBT oscila entre 0,2 y 1,4 años, mientras que el valor armonizado de EPBT se encontró en 1,393 años. La toxicidad es un problema dentro de la capa de amortiguación de los módulos CIGS porque contiene cadmio y galio. Los módulos CIS no contienen metales pesados.

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.

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. 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 agujeros (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, Al 2 O 3 o SnO 2 ) y una capa de contacto superior (óxido de estaño dopado con flúor o óxido de indio dopado con estaño).

Hay un número limitado de estudios publicados para abordar los impactos ambientales de las células solares de perovskita. 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. Se encontró que el potencial de calentamiento global de los PV de perovskita se encuentra en el rango de producción de electricidad de 24 a 1500 gramos de CO 2 -eq / kWh. 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.

Dos nuevas y prometedoras tecnologías de película delgada son el sulfuro de cobre, zinc y estaño (Cu 2 ZnSnS 4 o CZTS), el fosfuro de zinc (Zn 3 P 2 ) y los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT). Actualmente, estas películas delgadas 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. 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. Si bien CZTS y 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. En general, CdTe y Zn 3 P 2 tienen impactos ambientales similares pero pueden superar ligeramente a CIGS y CZTS. Un estudio sobre los impactos ambientales de SWCNT PVs realizado por Celik et al., Que incluyó un dispositivo existente al 1% de eficiencia y un dispositivo teórico al 28% de eficiencia, encontró que, en comparación con el Si monocristalino, los impactos ambientales del 1% de SWCNT eran ∼18 veces mayores debido a principalmente a la corta vida útil de tres años.

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. Los OPV son flexibles, de bajo peso y funcionan bien con la fabricación de rollo a rollo para producción en masa. 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". Las eficiencias actuales oscilan entre el 1 y el 6,5%, sin embargo, los análisis teóricos son prometedores más allá del 10% de eficiencia.

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 un 2% de eficiencia, el EPBT varió de 0,29 a 0,52 años para 1 m 2 de PV. El promedio de CO 2 -eq / kWh para OPV es 54,922 gramos.

Donde la tierra puede ser limitada, la energía fotovoltaica se puede implementar como energía solar flotante . En 2008, la Bodega Far Niente 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. Una ventaja de la configuración 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.

La energía fotovoltaica de concentrador es una tecnología 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 pequeñas pero altamente eficientes . Estos sistemas a veces usan seguidores solares y un sistema de enfriamiento para aumentar su eficiencia.

Ciencias económicas

Fuente: Apricus

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 muchas iniciativas de apoyo a las políticas que se han puesto en marcha para facilitar la comercialización de energía fotovoltaica en varios países.

Las tecnologías de energía renovable generalmente se han vuelto más baratas desde su invención. Los sistemas de energía renovable se han vuelto más baratos de construir que las plantas de energía de combustibles fósiles en gran parte del mundo, gracias a los avances en la tecnología de energía eólica y solar, en particular.

Costos de hardware

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.

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 red para la 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. El precio minorista promedio de las células solares según lo monitoreado por el grupo Solarbuzz cayó de $ 3.50 / vatio a $ 2.43 / vatio en el transcurso de 2011. En 2013, los precios al por mayor habían caído a $ 0.74 / W. Esto se ha citado como evidencia que respalda la ' ley de Swanson ', una observación similar a la famosa Ley de Moore , que afirma que los precios de las células solares caen un 20% por cada duplicación de la capacidad de la industria. El Instituto Fraunhofer define la 'tasa de aprendizaje' como la caída de los precios a medida que la producción acumulada se duplica, un 25% entre 1980 y 2010. Aunque los precios de los módulos han caído rápidamente, los precios actuales de los inversores han caído a una tasa mucho menor, y en 2019 constituye más del 61% del costo por kWp, frente a una cuarta parte a principios de la década de 2000.

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.

A fines de 2012, los fabricantes chinos tenían costos de producción de $ 0.50 / W en los módulos más baratos. En algunos mercados, los distribuidores de estos módulos pueden ganar un margen considerable, comprando al precio de salida de fábrica y vendiendo al precio más alto que el mercado puede soportar ('precio basado en el valor').

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). En 2014 se alcanzó la paridad de red en 19 mercados.

Costo nivelado de la electricidad

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 vataje. Los LCOE varían drásticamente según la ubicación. El LCOE puede considerarse el precio mínimo que los clientes tendrán que pagar a la empresa de servicios públicos para que pueda cubrir los gastos de la inversión en una nueva central eléctrica. 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. Las grandes instalaciones fotovoltaicas industriales habían alcanzado la paridad de red en California en 2011. Se creía que la paridad de red para los sistemas de tejados todavía estaba mucho más lejos en este momento. Se cree que muchos cálculos de LCOE no son precisos y se requieren una gran cantidad de suposiciones. Los precios de los módulos pueden caer aún más, y el LCOE para la energía solar puede disminuir correspondientemente en el futuro.

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. 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.

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. 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.

Subvenciones y financiación

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 minorista normal de un kWh (€ 0,05). 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 impulsado la demanda en el pasado. 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. Bajo la administración Trump, el gobierno de Estados Unidos impuso aranceles adicionales a los consumidores estadounidenses para restringir el comercio de módulos solares. 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.

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.

En muchos países se carece de acceso a capital para desarrollar proyectos fotovoltaicos. Para solucionar este problema, se ha propuesto la titulización para acelerar el desarrollo de proyectos solares fotovoltaicos. Por ejemplo, SolarCity ofreció la primera seguridad respaldada por activos de EE. UU. En la industria solar en 2013.

Otro

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 energía fotovoltaica genera electricidad. Esto se puede ver en la Figura 1 de este documento: 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.

Un periodista teorizó en 2012 que si las facturas de energía de los estadounidenses fueran forzadas al alza al imponer 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.

Crecimiento

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

La energía solar fotovoltaica formó el cuerpo de investigación más grande entre los siete tipos de energía sostenible examinados en un estudio bibliométrico global , y la producción científica anual aumentó de 9.094 publicaciones en 2011 a 14.447 publicaciones en 2019.

Del mismo modo, la aplicación de energía solar fotovoltaica está creciendo rápidamente y la capacidad instalada mundial alcanzó los 515 gigavatios (GW) en 2018. 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. 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.

Honduras generó el mayor porcentaje de su energía a partir de energía solar en 2019, 14,8%. A partir de 2019, Vietnam tiene la capacidad instalada más alta en el sudeste asiático, alrededor de 4.5 GW. La tasa de instalación anualizada de aproximadamente 90 W per cápita por año coloca a Vietnam entre los líderes mundiales. Las generosas tarifas de alimentación (FIT) y las políticas de apoyo del gobierno, como las exenciones de impuestos, fueron la clave para permitir el 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.

Una barrera clave es la capacidad limitada de la red de transmisión.

China tiene la mayor capacidad de energía solar del mundo, con 253 GW de capacidad instalada a fines de 2020 en comparación con los 151 GW de la Unión Europea, según datos de la Agencia Internacional de Energía. ( https://www.reuters.com/business/energy/china-add-55-65-gw-solar-power-capacity-2021-industry-body-2021-07-22/ )

Los 10 principales países fotovoltaicos en 2019 (MW)
Capacidad de energía solar instalada y total en 2019 (MW)
# Nación Capacidad total Capacidad agregada
1 porcelana porcelana 204,700 30,100
2 Estados Unidos Estados Unidos 75,900 13,300
3 Japón Japón 63.000 7.000
4 Alemania Alemania 49.200 3.900
5 India India 42,800 9,900
6 Italia Italia 20,800 600
7 Australia Australia 15.928 3.700
8 Reino Unido Reino Unido 13,300 233
9 Corea del Sur Corea del Sur 11.200 3,100
10 Francia Francia 9,900 900

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

En 2017 se pensó que era probable que para 2030 las capacidades instaladas de energía fotovoltaica global pudieran estar entre 3.000 y 10.000 GW. Greenpeace en 2010 afirmó que 1.845 GW de sistemas fotovoltaicos en todo el mundo podrían generar aproximadamente 2.646 TWh / año de electricidad para el año 2030, y para 2050 más del 20% de toda la electricidad podría ser suministrada por energía fotovoltaica.

Aplicaciones

Sistemas fotovoltaicos

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 , mientras que los sistemas autónomos solo representan una pequeña parte del mercado.

  • Sistemas integrados de tejados y edificios
Fotovoltaica en la azotea en una casa con entramado de madera
Los conjuntos fotovoltaicos a menudo se asocian con edificios: ya sea integrados en ellos, montados en ellos o montados 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. 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. Por lo general, 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.
  • 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 por sí sola.
  • 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 , utilizando módulos CdTe , una tecnología fotovoltaica de película delgada . Las tres centrales eléctricas estarán ubicadas en el desierto de California. Cuando se completó el proyecto Solar Star en 2015, era la estación de energía fotovoltaica más grande del mundo en ese momento.
  • Agrivoltaicos
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.
  • 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. Cuba está trabajando para proporcionar energía solar a áreas que están fuera de la red. Las aplicaciones más complejas del uso de energía solar fuera de la red incluyen impresoras 3D . Las impresoras RepRap 3D han sido alimentadas con energía solar con tecnología fotovoltaica, lo 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.
  • 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. En contraste, los dispositivos fijos remotos alimentados por energía solar han visto un uso creciente recientemente en lugares donde el costo de conexión significativo hace que la energía de la red sea prohibitivamente cara. Dichas aplicaciones incluyen lámparas solares , bombas de agua, parquímetros , teléfonos de emergencia , compactadores de basura , señales de tráfico temporales, estaciones de carga y puestos y señales de vigilancia remotos.
  • En transporte
La energía fotovoltaica se ha utilizado tradicionalmente para generar energía eléctrica en el espacio. La energía fotovoltaica rara vez se utiliza para proporcionar energía motriz en aplicaciones de transporte, pero puede proporcionar energía auxiliar en barcos y automóviles. Algunos automóviles están equipados con aire acondicionado que funciona con energía solar. 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 y aviones que funcionan con energía solar, siendo los más prácticos y probables los coches solares . 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.
  • 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 usar cuando los paneles solares están en la sombra. En algunos, la alimentación también se utiliza para la propulsión espacial - propulsión eléctrica . 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. Desde entonces, la energía solar se ha utilizado en misiones que van desde la sonda MESSENGER hasta Mercurio, hasta lejos en el sistema solar como la sonda Juno 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.
  • 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 .
  • Energía 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. En estas aplicaciones, la energía fotovoltaica en interiores podrá mejorar la confiabilidad y aumentar la vida útil de las redes inalámbricas , especialmente importante con la cantidad significativa de sensores inalámbricos que se instalarán en los próximos años.
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. La energía fotovoltaica de silicio , 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.
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.
  • Algunas celdas III-V de unión única 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%.
  • 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. 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.
  • Las células solares de perovskita han sido probadas para mostrar eficiencias superiores al 25% en niveles bajos de luz. 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. 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 se puedan usar para impulsar el Internet de las cosas.

Sensores fotográficos

Los fotosensores son sensores de luz u otra radiación electromagnética . 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.

Tecnología experimental

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 paralela 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 (y algunas veces integradas con la agricultura y el pastoreo) o integradas en el techo o las paredes de un edificio ( energía fotovoltaica integrada en el edificio ).

Eficiencia

Las mejores eficiencias de células de investigación

El tipo de celda solar más eficiente hasta la fecha es una celda solar concentradora de múltiples uniones con una eficiencia del 46.0% producida por Fraunhofer ISE en diciembre de 2014. Las mayores eficiencias logradas sin concentración incluyen un material de Sharp Corporation al 35.8% utilizando un triple patentado -Tecnología de fabricación conjunta en 2009 y Boeing Spectrolab (40,7% también utiliza un diseño de triple capa).

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%) 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. Hasta la fecha, la eficiencia de conversión de energía más alta reportada varía del 6,7% al 8,94% para las moléculas pequeñas, del 8,4% al 10,6% para las OPV de polímero y del 7% al 21% para las OPV de perovskita. 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 ambientalmente benignas y renovables.

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.

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 1 grado Celsius de aumento de 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, se pueden formar pirámides y conos a partir de sílice y unirlos 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).

Ventajas

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. 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. Además, la generación eléctrica solar tiene la mayor densidad de potencia (media mundial de 170 W / m 2 ) entre las energías renovables.

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 al año mueren prematuramente en los EE. UU. A causa de la contaminación de las centrales eléctricas de carbón y que todas menos una de estas muertes podrían evitar el uso de energía fotovoltaica para reemplazar el carbón. Los desechos y las emisiones finales de la producción se pueden gestionar mediante los controles de contaminación existentes. Se están desarrollando tecnologías de reciclaje al final de su uso y se están elaborando políticas que fomentan el reciclaje de los productores.

Idealmente, las instalaciones fotovoltaicas podrían operar durante 100 años o incluso más 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 operativos 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).

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. Sin embargo, las células solares experimentales de alta eficiencia ya tienen eficiencias de más del 40% en el caso de concentrar células fotovoltaicas y las eficiencias están aumentando rápidamente mientras que los costos de producción en masa están disminuyendo rápidamente.

En algunos estados de los Estados Unidos, gran parte de la inversión en un sistema montado en el hogar se puede perder 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. Ahora conocido como PACE , Energía Limpia Evaluada por Propiedades, 30 estados de EE. UU. Han duplicado esta solución.

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 casas con sistemas fotovoltaicos en California se han vendido por un precio superior a las casas 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).

Desventajas

  • 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.

  • 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. Existen soluciones para gestionar el problema de la sobretensión, como regular el factor de potencia del inversor fotovoltaico, nuevos equipos de control de tensión y energía a nivel de distribuidor de electricidad, volver a conducir los cables de electricidad, gestión del lado de la demanda, etc. A menudo existen limitaciones y costes relacionados a 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 pico, 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. En 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.

Ver también

Referencias

Otras lecturas