Célulares solares de panel fotovoltaico

Las células fotovoltaicas son el elemento básico para la producción de energía eléctrica.

Un sistema fotovoltaico se compone de un conjunto de paneles solares, conectados en serie o en paralelo, y en la base de los paneles se encuentran las células fotovoltaicas.

A continuación, exploraremos juntos qué son y cómo funcionan los elementos básicos de un sistema fotovoltaico.

El diseño de un sistema fotovoltaico es una tarea muy delicada que debe realizarse con cuidado y atención. Para evitar cometer errores que puedan costarte caro después de la instalación del sistema, te recomiendamos que confíes en un software fotovoltaico eficaz para diseñar sistemas de manera segura y guiada.

Qué es una célula fotovoltaica

Las células fotovoltaicas son el elemento básico en la producción de energía eléctrica a través de la energía solar. Las células pueden estar compuestas de varios materiales; el semiconductor más utilizado y eficiente es el silicio.

El silicio tiene una característica importante: se necesita una cantidad mínima de energía para que los electrones de valencia puedan ser utilizados para generar una corriente eléctrica.

Para aprovechar el paso de los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción, se aplica el dopaje, el fenómeno por el cual se insertan impurezas dentro del semiconductor: boro (carga negativa) y fósforo (carga positiva).

cargas eléctricas

Después de la solidificación, estos sistemas se colocan uno al lado del otro mediante una unión neutral, una parte positiva con una negativa, y en el punto donde hay la conexión, se tiene una carga nula. Con este mecanismo se crea un sistema cargado positivamente en una parte y negativamente en otra, obteniendo una pila.

Tipos de células solares

tipos celulas fotovoltaicas

Las células solares varían según el cristal que las caracteriza:

  • células monocristalinas;
  • células policristalinas;
  • células amorfas.

Tipos de células fotovoltaicas

Existen diferentes tipos de células fotovoltaicas disponibles en el mercado, tales como:

  • Células fotovoltaicas de silicio monocristalino: Las células de silicio monocristalino son de color azul oscuro, que tiende al negro. Los dispositivos están compuestos por cristales de silicio monocristalino y se caracterizan por estar compuestas por un único cristal, orientado en la misma dirección. Esta característica permite aprovechar al máximo la energía solar que la célula puede captar.

    proceso Czochralski

    El sistema utilizado para producir células monocristalinas es el proceso Czochralski. Se trata de un proceso en el que se introduce una semilla de cristal en un baño de silicio, dentro del cual la semilla gira lentamente en sentido antihorario y, sumergiéndose muy lentamente, hace que el baño se cristalice de manera ordenada sobre la semilla que se está sumergiendo. Los paneles solares fabricados con este tipo de células ofrecen una eficiencia energética del 18-21% en presencia de luz perpendicular.

    lingote de silicio

  • Células fotovoltaicas de silicio policristalino: Las células fotovoltaicas de silicio policristalino están compuestas por cristales de silicio con diferentes orientaciones. Los módulos solares que utilizan estas células tienen una eficiencia inferior en comparación con las células de silicio monocristalino, pero aprovechan mejor el rendimiento durante el día.
  • Células fotovoltaicas de silicio amorfo hidrogenado: Las células solares de silicio amorfo hidrogenado pertenecen a los dispositivos de segunda generación. Los paneles solares fabricados con este material ofrecen un rendimiento mayor y una degradación del módulo más baja. De esta manera, los paneles solares garantizan una mayor eficiencia.
  • Células fotovoltaicas de telururo de cadmio: El telururo de cadmio es un excelente semiconductor para la fabricación de paneles solares, aunque inicialmente se consideraba un material de desecho en la extracción de minerales. Las células fotovoltaicas de este tipo tienen una mayor capacidad de absorción de luz y soportan una exposición prolongada a temperaturas elevadas. Sin embargo, el telururo de cadmio es una sustancia tóxica que debe manipularse con cuidado y medidas precisas de contención.
  • Células fotovoltaicas de seleniuro de cobre, indio y galio: Las células de seleniuro de cobre, indio y galio son uno de los mejores productos de investigación para la energía solar. Este material se caracteriza por tener el coeficiente de absorción más alto entre los semiconductores utilizados para células fotovoltaicas. La eficiencia de los paneles fabricados con estas células solares supera el 21%.
  • Células fotovoltaicas de perovskita: La perovskita es un mineral de dióxido de titanio de calcio que se distingue por su estructura cristalina extremadamente regular. Las células de perovskita han sido objeto de una intensa actividad de investigación, considerando los bajos costos de producción y el alto coeficiente de eficiencia. Sin embargo, la fabricación de células de perovskita requiere el uso de plomo, una sustancia contaminante.

Cómo funcionan las células fotovoltaicas

Para comprobar el rendimiento de una célula fotovoltaica, es necesario conectarla a dos instrumentos de medida: el amperímetro, que mide la corriente eléctrica, y el voltímetro, que mide la tensión.

En un circuito eléctrico, los dos instrumentos se colocan en paralelo para evitar que el amperímetro mida la resistencia eléctrica dentro del propio voltímetro y para garantizar que el rendimiento de la célula se mide independientemente de los sistemas externos.

Dentro del circuito, también se coloca una carga eléctrica que influye en el rendimiento de la célula: en función de la carga, varían tanto la intensidad como la tensión de la corriente eléctrica producida.

Dependiendo de la carga conectada, también se puede distinguir entre circuito abierto y circuito cerrado. A estas dos condiciones se asocian dos valores de referencia que se utilizan para entender el rendimiento de la célula.

Para el circuito abierto, el amperímetro mide una corriente nula, ya que no hay ningún contacto eléctrico, mientras que el voltaje tendrá el valor máximo que la célula puede producir. Ese valor se llama voltaje de circuito abierto (Voc).

En el circuito cerrado, la carga es mínima y la corriente es máxima, ya que es inversamente proporcional a la carga eléctrica. La corriente máxima que se puede producir en estos casos se define como corriente de cortocircuito (Isc); a esta corriente se le asocia un voltaje nulo.

Al representar estos valores en un diagrama llamado «CURVA V-I», curva característica de una célula fotovoltaica o curva voltamperométrica, es posible entender la eficiencia de una célula fotovoltaica y, por lo tanto, de un panel solar, a través de 4 parámetros fundamentales:

  • intensidad de pico;
  • voltaje de pico;
  • potencia de pico;
  • factor de llenado.

Más precisamente, los valores de voltaje se disponen en el eje horizontal y los valores de intensidad eléctrica en el eje vertical.

Funcionamiento de las células según las disposiciones

Las células fotovoltaicas son diodos y se comportan como pilas. Pueden ser conectadas en serie o en paralelo. La conexión en serie, lograda al conectar el lado positivo de una célula con el negativo de otra célula, genera una tensión doble (suma de ambas), mientras que la corriente eléctrica permanece constante.

Lo mismo ocurre en la curva amperométrica: al conectar las células en serie, la curva presenta un aumento de las abscisas (tensión).

Para variar la intensidad de corriente, es necesario conectar las células en paralelo; de esta manera, al conectar los electrodos positivos entre sí y los negativos entre sí, se obtiene una tensión constante, mientras que la intensidad de corriente aumenta y la curva amperométrica se desplaza hacia arriba.

Las células fotovoltaicas también se ven afectadas por la temperatura, que puede comprometer su rendimiento. Específicamente, si la temperatura alcanza ciertos valores, se produce una brusca disminución de la tensión. Las temperaturas elevadas pueden comprometer la eficiencia de los enlaces y disminuir el rendimiento.

También al variar la radiación solar incidente, se produce una variación en la curva. Específicamente, al disminuir la radiación solar incidente, la intensidad eléctrica disminuye significativamente y la curva tiende a aplanarse, mientras que los valores de tensión no cambian mucho.

Por lo tanto, en los análisis previos a la instalación de paneles fotovoltaicos, es fundamental hacer referencia a los datos climáticos concretos obtenidos de atlas solares o mediciones en el campo, posiblemente utilizando un software fotovoltaico específico que proporcione los datos reales de irradiación solar extraídos de las principales bases de datos climáticas de referencia.

Las células fotovoltaicas en los paneles solares

Las células fotovoltaicas se conectan entre sí para formar paneles solares, que a su vez se conectan entre sí para formar un sistema fotovoltaico. En esta conexión, los paneles pueden ser dispuestos en diferentes cadenas, que eventualmente se conectan en paralelo entre sí.

Una vez determinada la potencia a instalar, se puede decidir producirla con un número variable de paneles. La elección de la disposición y la potencia puede ser determinada según el valor de la radiación solar del lugar y la exposición del panel.

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