Descripción general de la tecnología de generación de energía fotovoltaica y paneles solares (QUENENG)

1. Historia del desarrollo y estado actual de la generación de energía fotovoltaica

Desde la invención de la primera célula fotovoltaica (FV) práctica en 1954, la tecnología de generación de energía solar fotovoltaica ha avanzado significativamente. Sin embargo, el desarrollo de la energía solar ha sido más lento en comparación con los rápidos avances en campos como la informática o la fibra óptica. Esto se debe, en parte, a la fuerte demanda de información y a que las fuentes de energía convencionales han sido suficientes para satisfacer las necesidades humanas. La crisis del petróleo de 1973 y los problemas de contaminación ambiental de la década de 1990 aceleraron considerablemente el desarrollo de la energía solar fotovoltaica. A continuación, se presentan los hitos clave en la historia de la tecnología solar fotovoltaica:

• 1893:El científico francés Becquerel descubrió el "efecto fotovoltaico".
• 1876:Adams y otros descubrieron efectos fotovoltaicos de estado sólido sobre metales y selenio.
• 1883:Se fabricó la primera "célula fotovoltaica de selenio", utilizada como dispositivo sensor.
• 1930:Schottky propuso la teoría del "efecto fotovoltaico" en las barreras de Cu2O.
• 1954Bell Labs desarrolló la primera célula solar de silicio monocristalino práctica con una eficiencia del 6%.
• 1962:La eficiencia de conversión fotovoltaica de las células solares de arseniuro de galio alcanzó el 13%.
• 1978:EE.UU. construyó una central solar fotovoltaica de 100 kWp sobre el terreno.
• 1990Alemania lanzó el "Programa Solar en Tejados 2000".
• 1995:Las células solares de arseniuro de galio concentrado de alta eficiencia alcanzaron una eficiencia del 32%.
• 1997:Estados Unidos propuso el "Programa del Millón de Techos Solares", con el objetivo de instalar células solares en un millón de hogares.

2. Introducción a las células solares

Las células solares, también conocidas como chips solares o células fotovoltaicas, son películas delgadas semiconductoras que convierten directamente la luz solar en electricidad mediante el efecto fotovoltaico. Una sola célula solar no puede utilizarse como fuente de energía; se necesitan varias células conectadas en serie o en paralelo y selladas entre sí para formar un panel solar. Los paneles solares son el componente principal de los sistemas de generación de energía solar y su parte más crítica.

Tipos de energía solar

• Utilización de energía solar térmica:La radiación solar se convierte en energía térmica, que puede utilizarse para generar energía térmica.
• Generación de energía solar fotovoltaica:La radiación solar se convierte en electricidad a través de dispositivos de conversión fotovoltaica, basados ​​principalmente en el principio del efecto fotovoltaico.

3. Principio de funcionamiento de las células solares

Las células solares funcionan según el principio del efecto fotovoltaico. Cuando la luz solar incide en el material semiconductor, los fotones con energía superior a la banda prohibida excitan a los electrones y crean pares electrón-hueco. Estos portadores en desequilibrio están separados por el campo eléctrico interno en la unión PN, con los electrones moviéndose hacia la región de tipo N y los huecos hacia la región de tipo P. Esto crea un potencial eléctrico a través de la unión PN. Cuando se conectan conductores metálicos a las capas de tipo P y tipo N y a una carga externa, la corriente fluye por el circuito externo, generando energía eléctrica.

4. Características de las células solares

Las principales características de las células solares incluyen:

• Voltaje de salida nominal:En condiciones de luz estándar (irradiancia de 1000 W/m², temperatura de 25 °C), el voltaje de salida es de aproximadamente 0,48 V.
• Coeficiente de temperatura negativo:Por cada aumento de 1°C en la temperatura, el voltaje cae aproximadamente 2 mV.
• Potencia de salidaLa potencia de salida de las células solares varía según la intensidad de la luz solar, las condiciones climáticas, la hora y la ubicación. En días soleados alrededor del mediodía, la potencia de salida se acerca al valor nominal.

5. Selección de células solares

Al seleccionar células solares, la potencia de salida es un factor clave. Las condiciones de prueba estándar son:

• Irradiancia:1000 W/m²
• Masa de aire: AM1.5
• Temperatura de la celda:25°C

Estas condiciones simulan aproximadamente la luz solar al mediodía en un día despejado. En realidad, la potencia de salida de las células solares fluctúa debido a las variaciones en las condiciones de luz y los factores ambientales.

6. Efecto fotovoltaico

El efecto fotovoltaico se refiere al fenómeno en el que la luz provoca una diferencia de potencial entre diferentes partes de un semiconductor o una combinación semiconductor-metal. En las células solares, este efecto se utiliza para convertir la energía solar en electricidad. El principio fundamental de las células solares se basa en la unión PN, que crea un campo eléctrico que separa electrones y huecos, generando voltaje y, por lo tanto, corriente.

7. Sistemas de generación de energía solar

Los sistemas de energía solar se pueden dividir enfuera de la redyconectado a la redSistemas. Los componentes de estos sistemas varían ligeramente:

Sistemas de generación de energía solar fuera de la red

Estos sistemas se utilizan en zonas sin acceso a la red y generalmente incluyen los siguientes componentes:

• Conjunto de células solares:Múltiples módulos de paneles solares dispuestos y conectados en un patrón específico.
• Batería de almacenamiento de energía:Se utiliza para almacenar electricidad para su uso cuando no brilla el sol.
• Controlador:Controla el proceso de carga de la batería de almacenamiento de energía e incluye varias funciones de protección para garantizar un funcionamiento seguro y estable.
• Inversor:Convierte la electricidad CC almacenada en electricidad CA.
• Caja de distribución y cables de conexión:Se utiliza para conectar y administrar los componentes del sistema y la salida de energía.

Sistemas de generación de energía solar conectados a la red

Estos sistemas se utilizan en zonas con acceso a la red eléctrica y pueden devolver el exceso de electricidad a la red. Sus componentes clave incluyen:

• Conjunto de células solares:Múltiples módulos de paneles solares conectados entre sí.
• Batería de almacenamiento de energía:Se utiliza para almacenar electricidad.
• Inversor conectado a la red:Convierte la electricidad de CC almacenada en electricidad de CA adecuada para la red.
• Caja de distribución y cables de conexión:Se utiliza para conectar y administrar los componentes del sistema y la salida de energía.