Composición física y fabricación de los dispositivos fotovoltaicos
Efecto fotovoltaico:
Los módulos están compuestos de células solares de silicio. Estas son semiconductores de electricidad porque el silicio es un material con características intermedias entre un conductor y un aislante.
El silicio se presenta normalmente como arena. A través de métodos adecuados se obtiene el silicio en forma pura. El cristal de silicio puro no posee electrones libres y por tanto es un mal conductor eléctrico. Para alterar esto se añaden porcentajes de otros elementos. Este proceso se denomina dopagem. Mediante el dopagem del silicio con el fósforo se obtiene un material con electrones libres o material con portadores de carga negativa (silicio tipo N). Realizando el mismo proceso, pero añadiendo Boro en vez de fósforo, se obtiene un material con características inversas, o sea, déficit de electrones o material con cargas positivas libres (silicio tipo P).
Cada célula solar se compone de una capa fina de material tipo N y otra con mayor espesor de material tipo P.
Separadamente, ambas capas son eléctricamente neutras. Pero si son unidas, exactamente la unión P-N, se genera un campo eléctrico debido a los electrones del silicio tipo N que ocupan los huecos de la estructura del silicio tipo P.
Al incidir la luz sobre la célula fotovoltaica, los fotones que la integran chocan con los electrones de la estructura del silicio dándoles energía y transformándolos en conductores. Debido al campo eléctrico generado en la unión P-N, los electrones son orientados y fluyen de la capa "P" a la capa "N".
Por medio de un conductor externo, se conecta la capa negativa a la positiva. Se genera así un flujo de electrones (corriente eléctrica) en la conexión. Mientras la luz continúe incidiendo en la célula, el flujo de electrones se mantendrá.
La intensidad de la corriente generada variará proporcionalmente conforme a la intensidad de la luz incidente.
Cada módulo fotovoltaico esta formado por una determinada cantidad de células conectadas en serie. Como se vio anteriormente, al unirse la capa negativa de una célula con la positiva de la siguiente, los electrones fluyen a través de los conductores de una célula a la otra. Este flujo se repite hasta llegar a la última célula del módulo, de la cual fluyen al acumulador o a la batería.
Cada electrón que abandona el módulo es sustituido por otro que regresa del acumulador o de la batería. El cable de la interconexión entre módulo y batería contiene el flujo, de modo que cuando un electrón abandona la última célula del módulo y se dirige a la batería, otro electrón entra en la primera célula a partir de la batería. Es por eso que se considera inagotable un dispositivo fotovoltaico. Produce energía eléctrica en respuesta a energía luminosa que entra en el mismo.
Se debe aclarar que una célula fotovoltaica no puede almacenar energía eléctrica.
Tipos de células:
Existen tres tipos de células, conforme el método de fabricación.
? Silicio monocristalino: Estas células se obtienen a partir de barras cilíndricas de silicio monocristalino producidas en hornos especiales. Las células son obtenidas por corte de las barras en forma de pastillas cuadradas finas (0,4-0,5 mm de espesor). Su eficiencia en la conversión de luz solar en electricidad es superior a 12%.
? Silicio policristinalino: Estas células son producidas a partir de bloques de silicio obtenidos por fusión de bocados de silicio puro en moldes especiales. Una vez en los moldes, el silicio se enfría lentamente y se solidifica. En este proceso, los átomos no se organizan en un único cristal. Se forma una estructura policristalina con superficies de separación entre los cristales. Su eficiencia en la conversión de luz solar en electricidad es ligeramente menor que en las de silicio monocristalino.
? Silicio amorfo: Estas células son obtenidas por medio de la deposición de camadas muy finas de silicio sobre superficies de vidrio o metal. Su eficiencia en la conversión de luz solar en electricidad varía entre 5% y 7%.
Fabricación de los módulos fotovoltaicos:
El módulo fotovoltaico está compuesto por células individuales conectadas en serie. Este tipo de conexión permite adicionar tensiones. La tensión nominal del módulo será igual al producto del número de células que lo componen por la tensión de cada célula (aprox. 0,5 voltios). Generalmente se fabrican módulos formados por 30, 32, 33 y 36 células en serie, conforme a la aplicación requerida.
Se demanda dar al módulo rigidez en su estructura, aislamiento eléctrico y resistencia a los factores climáticos. Por eso, las células conectadas en serie son encapsuladas en un plástico elástico (Etilvinilacelato) que hace también el papel de aislante eléctrico, un vidrio templado con bajo contenido de hierro, en la cara orientada al sol y una lamina plástica multicapa (Poliéster) en la cara posterior. En algunos casos el vidrio es substituido por una lamina de material plástico transparente.
El módulo tiene una moldura compuesta de aluminio o poliuretano y cajas de conexiones las cuales albergan los terminales positivo y negativo de la serie de células. En los bornes de las cajas se conectan los cables que unen el módulo al sistema.
Etapas del proceso de fabricación del módulo:
? Ensayo eléctrico y clasificación de las células
? Interconexión eléctrica de las células
? Montaje del conjunto. Colocación de las células soldadas entre capas de plástico envolvente y láminas de vidrio y plástico
? Laminado del módulo. El conjunto es procesado en una máquina semi-automática de alto vacío que, por un proceso de calentamiento y presión mecánica, conforma el laminado.
? Curagem. El laminado se procesa en un horno con temperatura controlada en el cual se completa la polimerización del plástico envolvente y se alcanza la adhesión perfecta de los diferentes componentes. El conjunto, después de la curagem, constituye una única placa.
? Molduración. Se coloca primeramente un selante elástico en todo el perímetro del laminado y a continuación los perfiles de aluminio que forman la moldura. Se usan máquinas neumáticas para conseguir la presión adecuada. Las molduras de poliuretano son colocadas por medio de máquinas de inyección.
? Colocación de terminales, bornes, diodos y cajas de conexiones.
? Ensayo final.
Ensayo de los módulos
Sobre los módulos se debe medir y observar:
? Características eléctricas operacionales
? Aislamiento eléctrico (a 3000 Voltios de C.C.)
? Aspectos físicos, defectos de acabado, etc.
? Resistencia al impacto.
? Resistencia a la tracción de las conexiones.
? Resistencia a la niebla salina y a la humedad ambiente.
? Comportamiento a temperaturas elevadas por períodos prolongados (100 grados Celsius durante 20 días).
? Estabilidad a los cambios térmicos (de -40º C a +90º C) en ciclos sucesivos.
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Efecto fotovoltaico:
Los módulos están compuestos de células solares de silicio. Estas son semiconductores de electricidad porque el silicio es un material con características intermedias entre un conductor y un aislante.
El silicio se presenta normalmente como arena. A través de métodos adecuados se obtiene el silicio en forma pura. El cristal de silicio puro no posee electrones libres y por tanto es un mal conductor eléctrico. Para alterar esto se añaden porcentajes de otros elementos. Este proceso se denomina dopagem. Mediante el dopagem del silicio con el fósforo se obtiene un material con electrones libres o material con portadores de carga negativa (silicio tipo N). Realizando el mismo proceso, pero añadiendo Boro en vez de fósforo, se obtiene un material con características inversas, o sea, déficit de electrones o material con cargas positivas libres (silicio tipo P).
Cada célula solar se compone de una capa fina de material tipo N y otra con mayor espesor de material tipo P.
Separadamente, ambas capas son eléctricamente neutras. Pero si son unidas, exactamente la unión P-N, se genera un campo eléctrico debido a los electrones del silicio tipo N que ocupan los huecos de la estructura del silicio tipo P.
Al incidir la luz sobre la célula fotovoltaica, los fotones que la integran chocan con los electrones de la estructura del silicio dándoles energía y transformándolos en conductores. Debido al campo eléctrico generado en la unión P-N, los electrones son orientados y fluyen de la capa "P" a la capa "N".
Por medio de un conductor externo, se conecta la capa negativa a la positiva. Se genera así un flujo de electrones (corriente eléctrica) en la conexión. Mientras la luz continúe incidiendo en la célula, el flujo de electrones se mantendrá.
La intensidad de la corriente generada variará proporcionalmente conforme a la intensidad de la luz incidente.
Cada módulo fotovoltaico esta formado por una determinada cantidad de células conectadas en serie. Como se vio anteriormente, al unirse la capa negativa de una célula con la positiva de la siguiente, los electrones fluyen a través de los conductores de una célula a la otra. Este flujo se repite hasta llegar a la última célula del módulo, de la cual fluyen al acumulador o a la batería.
Cada electrón que abandona el módulo es sustituido por otro que regresa del acumulador o de la batería. El cable de la interconexión entre módulo y batería contiene el flujo, de modo que cuando un electrón abandona la última célula del módulo y se dirige a la batería, otro electrón entra en la primera célula a partir de la batería. Es por eso que se considera inagotable un dispositivo fotovoltaico. Produce energía eléctrica en respuesta a energía luminosa que entra en el mismo.
Se debe aclarar que una célula fotovoltaica no puede almacenar energía eléctrica.
Tipos de células:
Existen tres tipos de células, conforme el método de fabricación.
? Silicio monocristalino: Estas células se obtienen a partir de barras cilíndricas de silicio monocristalino producidas en hornos especiales. Las células son obtenidas por corte de las barras en forma de pastillas cuadradas finas (0,4-0,5 mm de espesor). Su eficiencia en la conversión de luz solar en electricidad es superior a 12%.
? Silicio policristinalino: Estas células son producidas a partir de bloques de silicio obtenidos por fusión de bocados de silicio puro en moldes especiales. Una vez en los moldes, el silicio se enfría lentamente y se solidifica. En este proceso, los átomos no se organizan en un único cristal. Se forma una estructura policristalina con superficies de separación entre los cristales. Su eficiencia en la conversión de luz solar en electricidad es ligeramente menor que en las de silicio monocristalino.
? Silicio amorfo: Estas células son obtenidas por medio de la deposición de camadas muy finas de silicio sobre superficies de vidrio o metal. Su eficiencia en la conversión de luz solar en electricidad varía entre 5% y 7%.
Fabricación de los módulos fotovoltaicos:
El módulo fotovoltaico está compuesto por células individuales conectadas en serie. Este tipo de conexión permite adicionar tensiones. La tensión nominal del módulo será igual al producto del número de células que lo componen por la tensión de cada célula (aprox. 0,5 voltios). Generalmente se fabrican módulos formados por 30, 32, 33 y 36 células en serie, conforme a la aplicación requerida.
Se demanda dar al módulo rigidez en su estructura, aislamiento eléctrico y resistencia a los factores climáticos. Por eso, las células conectadas en serie son encapsuladas en un plástico elástico (Etilvinilacelato) que hace también el papel de aislante eléctrico, un vidrio templado con bajo contenido de hierro, en la cara orientada al sol y una lamina plástica multicapa (Poliéster) en la cara posterior. En algunos casos el vidrio es substituido por una lamina de material plástico transparente.
El módulo tiene una moldura compuesta de aluminio o poliuretano y cajas de conexiones las cuales albergan los terminales positivo y negativo de la serie de células. En los bornes de las cajas se conectan los cables que unen el módulo al sistema.
Etapas del proceso de fabricación del módulo:
? Ensayo eléctrico y clasificación de las células
? Interconexión eléctrica de las células
? Montaje del conjunto. Colocación de las células soldadas entre capas de plástico envolvente y láminas de vidrio y plástico
? Laminado del módulo. El conjunto es procesado en una máquina semi-automática de alto vacío que, por un proceso de calentamiento y presión mecánica, conforma el laminado.
? Curagem. El laminado se procesa en un horno con temperatura controlada en el cual se completa la polimerización del plástico envolvente y se alcanza la adhesión perfecta de los diferentes componentes. El conjunto, después de la curagem, constituye una única placa.
? Molduración. Se coloca primeramente un selante elástico en todo el perímetro del laminado y a continuación los perfiles de aluminio que forman la moldura. Se usan máquinas neumáticas para conseguir la presión adecuada. Las molduras de poliuretano son colocadas por medio de máquinas de inyección.
? Colocación de terminales, bornes, diodos y cajas de conexiones.
? Ensayo final.
Ensayo de los módulos
Sobre los módulos se debe medir y observar:
? Características eléctricas operacionales
? Aislamiento eléctrico (a 3000 Voltios de C.C.)
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? Resistencia al impacto.
? Resistencia a la tracción de las conexiones.
? Resistencia a la niebla salina y a la humedad ambiente.
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