Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería en Electrónica Industrial y Automática Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica Autor: Martín Álvarez, Sergio Tutor: Buey Cuesta, José Julio Departamento: Tecnología Electrónica Valladolid, junio 2019. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 3 | P á g i n a 1. RESUMEN Y PALABRAS CLAVE. En el presente documento se va a analizar la actualidad de la energía fotovoltaica, haciendo hincapié en los materiales que prevalecen como elemento constructivo en los dispositivos fotovoltaicos y el estudio de las diversas tecnologías de célula existentes. Para ello, se va a analizar la gran variedad de semiconductores empleados en este metodología energética, estudiando las eficiencias y diversos métodos de fabricación para la construcción de dispositivos fotovoltaicos. En la misma línea de progreso, se va a analizar la corriente investigadora en este ámbito y así poder tener un conocimiento global del futuro esperado de este método de obtención de energía. Por último, se concluirá con la implementación de tres programas de simulación, de células, paneles e instalaciones fotovoltaicas, pudiendo observar su comportamiento ante diferentes entornos ambientales y ubicaciones, además del seguimiento de la potencia que es capaz de otorgar cada dispositivo ante tales condiciones de simulación. Palabras clave: células, tecnología de célula, panel, instalación, simulación. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 5 | P á g i n a 2. TABLAS DE CONTENIDO 2.1. INDICE 1. RESUMEN Y PALABRAS CLAVE. ............................................................................... 3 2. TABLAS DE CONTENIDO ........................................................................................... 5 2.1. INDICE .............................................................................................................. 5 2.2. INDICE DE FIGURAS ......................................................................................... 9 3. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ................................................................................ 11 4. ESTADO DEL ARTE DE LAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS ........................................ 13 4.1. ENERGÍA SOLAR Y SISTEMA FOTOVOLTAICO ............................................... 13 4.2. LA CÉLULA SOLAR .......................................................................................... 16 4.2.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 16 4.2.2. TEORÍA DE SEMICONDUCTORES Y FUNCIONAMIENTO ......................... 16 4.2.3. PARÁMETROS FUNDAMENTALES DE LA CÉLULA SOLAR ...................... 19 4.2.4. CIRCUITOS EQUIVALENTES DE LA CÉLULA SOLAR ................................ 20 4.2.5. CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA CÉLULA SOLAR ............................... 21 4.2.5.1. Curva I-V de la célula solar .............................................................. 21 4.2.5.2. Curva P-V de la célula solar ............................................................. 22 4.2.6. MODIFICACIONES DEL COMPORTAMIENTO DE LA CÉLULA SOLAR...... 22 4.2.6.1. Influencia de la temperatura ........................................................... 22 4.2.6.2. Influencia de la irradiancia .............................................................. 23 4.2.7. FORMAS DE ASOCIACIÓN DE LAS CÉLULAS SOLARES .......................... 24 4.2.7.1. Asociación de células en paralelo ................................................... 24 4.2.7.2. Asociación de células en serie ........................................................ 24 4.2.8. FABRICACIÓN DE LAS CÉLULAS SOLARES ............................................. 25 4.2.9. CLASIFICACIÓN DE LAS CÉLULAS SOLARES .......................................... 26 4.2.9.1. Clasificación según la estructura interna de la célula ................... 26 4.2.9.2. Clasificación según la composición de la célula ............................ 27 4.2.9.3. Clasificación según la aplicación de la célula ................................ 29 4.3. TECNOLOGÍAS DE CÉLULA EMPLEADAS EN LA ACTUALIDAD ..................... 30 4.3.1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ALCANZADOS ......................................... 30 4.3.2. SILICIO CRISTALINO ................................................................................. 30 4.3.2.1. Introducción ...................................................................................... 30 Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 6 | P á g i n a 4.3.2.2. Silicio monocristalino ....................................................................... 30 4.3.2.3. Silicio policristalino........................................................................... 31 4.3.3. CÉLULAS DE PELÍCULA DELGADA ........................................................... 32 4.3.3.1. Introducción ...................................................................................... 32 4.3.3.2. Células GaAs (Arseniuro de galio) ................................................... 33 4.3.3.3. Células CdTe (Teluro de cadmio) .................................................... 33 4.3.3.4. Células de silicio amorfo .................................................................. 35 4.3.3.5. Células CIS y CIGS ............................................................................ 36 4.3.4. COMPARACIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS ACTUALES ................................ 38 4.4. INVESTIGACIONES EN TECNOLOGÍAS DE CÉLULAS .................................... 39 4.4.1. INTRODUCCIÓN Y RAMAS DE INVESTIGACIÓN ...................................... 39 4.4.2. CÉLULAS ORGÁNICAS .............................................................................. 39 4.4.2.1. Introducción ...................................................................................... 39 4.4.2.2. Evolución de las células orgánicas ................................................. 40 4.4.2.2.1. Introducción ............................................................................... 40 4.4.2.2.2. Células orgánicas de una sola capa ........................................ 40 4.4.2.2.3. Células orgánicas bicapa .......................................................... 41 4.4.2.2.4. Concepto de heterounión en volumen o BHJ .......................... 41 4.4.2.2.5. Concepto e innovaciones de la capa activa ............................ 42 4.4.2.3. Funcionamiento de las células orgánicas ...................................... 43 4.4.2.4. Compuestos orgánicos empleados ................................................. 44 4.4.2.5. Células Grätzel (TiO2) ....................................................................... 45 4.4.2.6. Células basadas en aceptores no-fullerenos (NFAs) ..................... 47 4.4.2.7. Aplicaciones ...................................................................................... 47 4.4.3. CÉLULAS DE PEROVSKITA (PSC) ............................................................ 48 4.4.3.1. Introducción ...................................................................................... 48 4.4.3.2. Perovskitas híbridas ......................................................................... 49 4.4.3.3. Diferentes técnicas de deposición de perovskita .......................... 50 4.4.3.4. Perovskitas estables aplicando cloruro de amonio (NH4Cl) .......... 50 4.4.4. KESTERITA (Cu2ZnSnS4) .......................................................................... 51 4.5. APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA .............................. 52 4.5.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 52 4.5.2. APLICACIONES AISLADAS ........................................................................ 52 Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 7 | P á g i n a 4.5.2.1. Introducción ...................................................................................... 52 4.5.2.2. Aplicaciones espaciales ................................................................... 52 4.5.2.3. Aplicaciones terrestres .................................................................... 53 4.5.3. APLICACIONES CONECTADAS A RED ...................................................... 53 4.5.3.1. Introducción ...................................................................................... 53 4.5.3.2. Centrales fotovoltaicas y huertos solares....................................... 53 4.5.3.3. Edificios fotovoltaicos ...................................................................... 54 4.5.4. APLICACIONES NOVEDOSAS DE VANGUARDIA ...................................... 55 4.5.4.1. Introducción ...................................................................................... 55 4.5.4.2. Carretera solar en Francia ............................................................... 55 4.5.4.3. Carril bici solar en Holanda (SolaRoad) .......................................... 55 4.5.4.4. Células solares basadas en la bacteria de E.coli ........................... 56 4.5.4.5. ECOCAT. Ferry marítimo eléctrico. ................................................... 56 5. SIMULACIÓN DE CÉLULA, PANEL E INSTALACIÓN. ............................................... 57 5.1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ....................................................................... 57 5.2. MODELOS DEL GENERADOR FOTOVOLTAICO .............................................. 58 5.2.1. MODELO DEL GENERADOR FOTOVOLTAICO DE ABELLA ...................... 58 5.2.2. MODELO DEL GENERADOR FOTOVOLTAICO DE WAGNER .................... 60 5.2.3. CÁLCULO DE LA RESISTENCIA SERIE ..................................................... 61 5.3. PROGRAMAS EMPLEADOS ............................................................................ 63 5.3.1. MATLAB .................................................................................................... 63 5.3.2. MATLAB-SIMULINK .................................................................................. 63 5.3.3. METEONORM ........................................................................................... 64 5.3.3.1. Primer paso....................................................................................... 64 5.3.3.2. Segundo paso ................................................................................... 65 5.3.3.3. Tercer paso ....................................................................................... 65 5.3.3.4. Cuarto paso ...................................................................................... 66 5.3.3.5. Quinto paso ....................................................................................... 67 5.3.3.6. Sexto paso ........................................................................................ 67 5.4. SIMULACIÓN DE CÉLULA FOTOVOLTAICA ..................................................... 68 5.4.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 68 5.4.2. ESTRUCTURA Y EXPLICACIÓN DEL PROGRAMA ..................................... 68 5.4.2.1. Código de Matlab ............................................................................. 68 Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 8 | P á g i n a 5.4.2.2. Implementación en Simulink ........................................................... 74 5.4.3. RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN .......................................................... 76 5.4.4. CONCLUSIONES ....................................................................................... 78 5.5. SIMULACIÓN DE PANEL FOTOVOLTAICO ...................................................... 79 5.5.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 79 5.5.2. ESTRUCTURA Y EXPLICACIÓN DEL PROGRAMA ..................................... 80 5.5.2.1. Código de Matlab ............................................................................. 80 5.5.2.2. Implementación en Simulink ........................................................... 84 5.5.3. RESULTADOS DE SIMULACIÓN ............................................................... 85 5.5.4. CONCLUSIONES ....................................................................................... 87 5.6. SIMULACIÓN DE INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA ........................................... 88 5.6.1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................ 88 5.6.2. ESTRUCTURA Y EXPLICACIÓN DEL PROGRAMA ..................................... 89 5.6.2.1. Código de Matlab ............................................................................. 89 5.6.2.2. Implementación en Simulink ........................................................... 92 5.6.3. RESULTADOS DE SIMULACIÓN ............................................................... 92 5.6.4. CONCLUSIONES ....................................................................................... 95 6. CONCLUSIONES GENERALES DEL PROYECTO ..................................................... 97 7. BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................... 99 Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 9 | P á g i n a 2.2. INDICE DE FIGURAS Figura 1. Esquema básico de una instalación fotovoltaica. ....................................... 15 Figura 2. Estructura típica de una célula fotovoltaica. ............................................... 16 Figura 3. Corriente total generada por la célula solar. ............................................... 18 Figura 4. Diferentes pérdidas energéticas para la fotogeneración de corriente. ..... 19 Figura 5. Corriente total generada por una célula solar en función de Voc e Isc. .... 20 Figura 6. Ecuación de la corriente generada por la célula con efectos de Rs y Rp. . 20 Figura 7. Circuito equivalente de la célula con un diodo. ........................................... 21 Figura 8. Circuito equivalente de la célula con dos diodos. ....................................... 21 Figura 9. Curva I-V de la célula solar. ........................................................................... 21 Figura 10. Curva P-V de la célula solar. ....................................................................... 22 Figura 11. Influencia de la temperatura en las curvas características. .................... 23 Figura 12. Influencia de la irradiancia en las curvas características. ....................... 23 Figura 13. Asociación serie y paralelo de células. ...................................................... 24 Figura 14. Dispositivo formado por dos células en cascada. .................................... 29 Figura 15. Técnica Czochralski. .................................................................................... 31 Figura 16. Horno Siemens. ........................................................................................... 32 Figura 17. Estructura y composición de la célula HIT. ................................................ 36 Figura 18. Estructura interna de una célula CIGS con sustrato de vidrio. ................ 37 Figura 19. Cuadro comparativo de las tecnologías de célula estudiadas. ................ 38 Figura 20. Estructura de la célula solar orgánica de una capa. ................................ 40 Figura 21. Estructura de la célula solar orgánica bicapa. .......................................... 41 Figura 22. Proceso de funcionamiento de la célula orgánica. ................................... 43 Figura 23. Estructura interna de una célula Grätzel. .................................................. 46 Figura 24. Electrodos TiO2-CuO. ................................................................................... 47 Figura 25. Prendas de ropa que integran células orgánicas. .................................... 48 Figura 26. Estructura atómica de una perovskita híbrida ABX3. ................................ 49 Figura 27. Técnicas de deposición de perovskita sobre las células fotovoltaicas. .. 50 Figura 28. Estabilidad de la célula de perovskita después de 600 horas. ............... 51 Figura 29. Huerto solar Topaz, situado en California. ................................................ 54 Figura 30. Gama de las tejas solares de Tesla. .......................................................... 54 Figura 31. Catamarán ECOCAT, totalmente eléctrico. ................................................ 56 Figura 32. Aproximación de la potencia ideal según Abella. ...................................... 58 Figura 33. Cálculo de la temperatura de célula. ......................................................... 58 Figura 34. Aproximación de la Isc según Abella. ......................................................... 59 Figura 35. Aproximación de la Voc según Abella. ....................................................... 59 Figura 36. Circuito equivalente de la célula según Wagner. ...................................... 60 Figura 37. Cálculo de la Rpv según Wagner. ............................................................... 60 Figura 38. Aproximaciones de Wagner. ....................................................................... 61 Figura 39. Cálculo de las características según Wagner. ........................................... 61 Figura 40. Cálculo de la resistencia serie Rs. ............................................................. 62 Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 16 | P á g i n a 4.2. LA CÉLULA SOLAR 4.2.1. INTRODUCCIÓN La célula solar es el elemento principal y básico que forma parte de una instalación fotovoltaica. Este dispositivo es el encargado de la generación de la energía eléctrica a partir de los fotones solares incidentes en su superficie. Esto se consigue gracias al efecto fotovoltaico, el cual consiste en la generación de corriente eléctrica a partir de la descolocación de los electrones del material semiconductor que conforma la célula. Este básico dispositivo se comporta, ante esta situación, como un diodo, el cual es un componente electrónico con una unión P-N, que permite la conducción eléctrica en un único sentido. La parte N de la célula es la que se encuentra expuesta a la luz solar, y la parte P de la unión es la situada en el lado opuesto, en la oscuridad. Es por ello, que la zona N del dispositivo no es opaca y permite el paso de la luz del Sol, la estructura de esta zona es entonces, en forma de peine metálico. En cambio, la zona P de la célula se encuentra totalmente recubierta por metal ya que en ella no incide ningún tipo de fuente luminosa. La estructura típica de este dispositivo se puede apreciar en la figura [2], la cual se muestra a continuación. Figura 2. Estructura típica de una célula fotovoltaica. 4.2.2. TEORÍA DE SEMICONDUCTORES Y FUNCIONAMIENTO Una vez introducido el concepto de célula solar, es importante entender el funcionamiento interno que poseen estos dispositivos. Para ello, se va a explicar brevemente la teoría de semiconductores, que como bien se sabe, las células solares fotovoltaicas están compuestas por este tipo de material. Todos los materiales están formados por un conjunto de átomos, siendo los sólidos, aquellos que poseen una mayor cantidad en su composición. Debido a esta cantidad de átomos que presenta cada elemento sólido, los niveles de energía que lo forman constituyen unas bandas continuas de energía. De este modo es como Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 17 | P á g i n a surge el concepto de modelo de bandas de energía. Es por ello, que a partir de ahora, cualquier sólido se va a poder representar por las diferentes bandas de energía que lo constituyen y dicho número de bandas va a depender de la cantidad de electrones que abarque el material que sea objeto de estudio. Un sólido, según el modelo de bandas de energía, van a constituirse por tres diferentes bandas. La primera de ellas es la banda de valencia, la cual va a estar completamente ocupada por los electrones de los átomos que forma el material. La segunda franja de energía es la banda de conducción, la cual va a estar parcialmente o completamente vacía de estos electrones. Y por último, cada material sólido va a presentar la banda prohibida, la cual sirve de separación entre las dos bandas anteriormente citadas. Esta última banda, la banda prohibida, va a ser la que va a prefijar las características eléctricas del material. Ya que estas propiedades van a depender única y exclusivamente de la posición relativa entre la banda de conducción y la banda de valencia. Teniendo en cuenta la anchura de esta banda prohibida, todos los sólidos se pueden clasificar eléctricamente en tres grandes subgrupos: conductores, semiconductores o aislantes. Como los materiales que componen las células fotovoltaicas son los semiconductores, la explicación que realice a continuación será basándome en dichos materiales de interés. La anchura de la banda prohibida nos va a aportar la idea de la cantidad de energía que es necesaria aplicar al material para que un electrón promocione desde la banda de valencia a la banda de conducción y así conseguir un movimiento de los electrones del material generando una corriente eléctrica. Esta energía, en los semiconductores va a ser relativamente baja, (Eg<5eV), de tal manera que los electrones van a promocionar entre bandas de forma relativamente fácil y sin un aporte excesivo de energía. Entonces, al aportar una energía superior al ancho de banda prohibida del material, se va a conseguir una generación de corriente, pero que a su vez va a ser aleatoria y sin dirección fija aparente. Por este fenómeno, los materiales semiconductores se van a dopar y de esta forma poder tener control sobre la magnitud y dirección de la intensidad generada. En primer lugar, un semiconductor dopado con átomos de fósforo, material que posee un electrón de valencia más que el silicio, se va a necesitar una pequeña aportación energética para que ese electrón excedente se libere y promocione a la banda de conducción. Al liberarse este electrón, la carga positiva se queda asociada a la red cristalina del material semiconductor original. Como resultado, mediante este proceso se ha obtenido un semiconductor de tipo n, caracterizado Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 18 | P á g i n a por una densidad de electrones superior a la de huecos y por ser el electrón el portador mayoritario de energía. En segundo lugar, un semiconductor dopado con átomos de boro, material con un electrón de valencia menos que el silicio, va a tener como resultado un semiconductor de tipo p. Este tipo de semiconductor va a presentar una densidad de huecos mayor a la de electrones y la red cristalina va a poseer una carga negativa asociada, siendo el portador mayoritario de energía, los huecos. Uniendo estos dos cristales anteriormente explicados, uno de tipo n con otro de tipo p, se consigue crear un desequilibrio ocasionado por la diferente concentración de electrones y huecos que existe en cada cristal. Para reestablecer el equilibrio se produce la difusión de portadores mayoritarios, es decir los electrones circulan desde el cristal n al cristal p y los huecos desde el cristal p al cristal n, situación en la que la corriente es nula. Seguidamente, para conseguir la circulación de corriente a través de esta unión p-n es necesario romper el equilibrio y reducir el valor del potencial termodinámico del material semiconductor. Para obtener esta situación, la unión p-n se debe polarizar mediante una diferencia de tensión de tal forma que el cristal p adquiera un potencial positivo con respecto al lado n, de esta forma el semiconductor estará polarizado en directa. Consiguiendo esta configuración, el material formado por los dos tipos de semiconductores, se va a conseguir la circulación de una corriente neta que será totalmente aprovechable, entrando dicha corriente por la zona p del semiconductor y saliendo por la zona n del mismo. Entonces, gracias al efecto fotovoltaico, descubierto por Albert Einstein, se va a obtener una corriente generada por la incidencia de los fotones de la luz solar sobre la superficie formada por el cristal semiconductor anteriormente explicado. Esta intensidad se va a denominar fotocorriente o corriente fotogenerada, pero que se va a ver contrarrestada por la corriente de oscuridad, debido a los procesos internos de recombinación indeseada de portadores de energía. Teniendo en cuenta esto, la corriente neta o total generada a partir de la célula solar se corresponde con la formula descrita en la figura [3] que se muestra a continuación. Figura 3. Corriente total generada por la célula solar. A su vez, esta corriente fotogenerada va a depender de la frecuencia de los fotones incidentes, pudiendo estos clasificarse en dos grandes grupos. Un fotón se considera poco energético si su energía es menor a la energía del ancho de banda de la banda prohibida, y por tanto no será aprovechable para la generación de corriente y se contabiliza como pérdida de no absorción. Por otro lado, si el fotón posee una energía superior a la energía del ancho de banda de la banda prohibida, Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 19 | P á g i n a puede ser capaz de contribuir en la generación de corriente. Pero no todos los fotones incidentes con la energía adecuada son absorbidos por el material semiconductor, ya que hay algunos de ellos que son absorbidos pero se recombinan en el interior de la célula, estos constituyen las pérdidas de recombinación. Otro tipo son aquellos que poseen mucha energía pero atraviesan totalmente el cristal semiconductor sin interactuar, los cuales constituyen las pérdidas de transmisión. Por último, debido a la diferencia entre los índices de refracción del aire y el dispositivo fotovoltaico provoca las pérdidas por reflexión. Todas estos tipos de fotones y pérdidas contabilizadas mencionadas anteriormente se recogen en la figura [4] mostrada a continuación. Figura 4. Diferentes pérdidas energéticas para la fotogeneración de corriente. 4.2.3. PARÁMETROS FUNDAMENTALES DE LA CÉLULA SOLAR Una vez entendido el funcionamiento y las consideraciones físicas que rigen el comportamiento de la célula fotovoltaica, se van a describir cada uno de sus parámetros fundamentales. - Corriente fotogenerada o fotocorriente (IL): es la intensidad que se produce cuando la irradiación solar incide sobre la zona N de la célula fotovoltaica. - Corriente de oscuridad (ID): intensidad que posee sentido opuesto a la corriente fotogenerada y es debida a la recombinación de los pares electrón-hueco que se produce en el interior del material semiconductor de la célula fotovoltaica. - Corriente neta (I): suma algebraica de la fotocorriente y la corriente de oscuridad. - Tensión de circuito abierto (Voc): la máxima tensión que puede aparecer en los terminales de la célula. Este término se obtiene cuando la célula fotovoltaica no es conectada a ninguna carga externa. - Corriente de cortocircuito (Isc): máximo valor de corriente que puede circular por la célula. Este término es obtenido cuando los terminales de la célula se encuentran cortocircuitados. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 20 | P á g i n a - Potencia máxima (PM): producto de la corriente máxima que puede circular por la carga y la tensión máxima que puede darse en los terminales de la célula. - Factor de forma (FF): relación que hay entre la potencia máxima real que se puede entregar a la carga y el producto de la tensión de circuito abierto (Voc) y la corriente de cortocircuito (Isc). 4.2.4. CIRCUITOS EQUIVALENTES DE LA CÉLULA SOLAR Una vez conocidos los parámetros fundamentales de la célula, se reescribirá la fórmula que representa la corriente generada por dicha célula, de tal forma que se pueda incluir en esta nueva ecuación los parámetros de tensión de circuito abierto (Voc) y corriente de cortocircuito (Isc). En la figura [5] se puede observar dicha ecuación. Figura 5. Corriente total generada por una célula solar en función de Voc e Isc. Al obtener esta ecuación, cabe destacar que será necesario obtener un circuito eléctrico equivalente para poder analizar el comportamiento del conjunto que forma la célula fotovoltaica. En primer lugar, la corriente fotogenerada o fotocorriente se representará mediante un generador de corriente, mientras que la intensidad de oscuridad se representará en el esquema eléctrico mediante un diodo. Por otro lado, cabe destacar que se debe incluir una resistencia serie en el circuito que represente la resistencia debida a los contactos metálicos del semiconductor y a la malla metálica que envuelve la célula fotovoltaica. Además, también se debe incluir una resistencia paralelo para tener en cuenta y representar las posibles fugas de corriente que pueden darse en los bordes de la célula, los posibles cortocircuitos metálicos y la recombinación favorecida en las fronteras de grano del cristal. Incluyendo estas resistencias en la ecuación de la figura [5], se obtendrá la siguiente ecuación que se ve representada en la figura [6]. Figura 6. Ecuación de la corriente generada por la célula con efectos de Rs y Rp. Una vez considerados todos los anteriores y posibles efectos, en la actualidad existen dos circuitos eléctricos equivalentes de la célula fotovoltaica. El primero de ellos es el más típico y fácil de simular en cualquier entorno software por su fácil implementación. Este modelo solamente incluye un diodo representando la Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 21 | P á g i n a corriente de oscuridad anteriormente explicada. Dicho circuito equivalente se muestra a continuación en la figura [7]. Figura 7. Circuito equivalente de la célula con un diodo. Por último, en la figura [8], se mostrará el segundo posible circuito equivalente de la célula, en el cual se utilizan dos diodos para simular la corriente de oscuridad. Figura 8. Circuito equivalente de la célula con dos diodos. 4.2.5. CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA CÉLULA SOLAR Para caracterizar cada célula fotovoltaica, existen dos curvas representativas de su comportamiento ante diferentes condiciones ambientales y diferentes puntos de funcionamiento, que son la curva I-V y la curva P-V. 4.2.5.1. Curva I-V de la célula solar En esta gráfica lo que se va a representar es la corriente de la célula en el eje Y de la gráfica y la tensión de los terminales de la célula en el eje X. Se corresponderá con el funcionamiento de la célula entregando corriente a una carga bajo tensión positiva, es decir, corresponde con el funcionamiento del dispositivo como generador de energía. Esta curva se observa en la figura [9]. Figura 9. Curva I-V de la célula solar. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 22 | P á g i n a 4.2.5.2. Curva P-V de la célula solar En esta curva característica de la célula solar se va a representar la potencia generada por el dispositivo en función de la tensión de célula que exista en cada momento. Esta gráfica se va a mostrar a continuación en la figura [10]. Figura 10. Curva P-V de la célula solar. 4.2.6. MODIFICACIONES DEL COMPORTAMIENTO DE LA CÉLULA SOLAR Para comprender correctamente el funcionamiento de la célula solar fotovoltaica, se debe tener en cuenta el efecto de la irradiancia solar sobre la superficie de la misma y la temperatura ambiental en la que se encuentre ubicada la célula, ya que influye sobre la temperatura de operación. 4.2.6.1. Influencia de la temperatura Debido al aumento de la temperatura, se va a conseguir un incremento de la fotocorriente de la célula, ya que la banda prohibida de la célula se va a estrechar y a su vez, hace que fotones menos energéticos sean absorbidos por el dispositivo y por tanto, pasen a ser aprovechables para generar esta corriente. Dependiendo de la tecnología de célula esta influencia de la temperatura va a ser más abrupta o ligera. Además, la temperatura va a influir en la tensión de célula, siendo esta influencia más notable que la anterior. La tensión de circuito abierto (Voc) de una célula de silicio va a decrecer 2.3mV por cada grado centígrado que aumenta la temperatura. Otro parámetro que se va a ver afectado por la temperatura es el factor de forma (FF), el cual se va a ver decrementado, aunque no va a ser muy notable a temperaturas inferiores a los 200ºC. Por último, sobre el rendimiento energético de la célula solar también va a tener influencia la temperatura, viéndose reducido entre 0.4-0.6 puntos porcentuales por cada grado centígrado que aumente la temperatura de funcionamiento del dispositivo. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 23 | P á g i n a En la figura [11] se muestran graficados los efectos de la temperatura sobre las curvas I-V y P-V de la célula solar anteriormente explicadas. Figura 11. Influencia de la temperatura en las curvas características. 4.2.6.2. Influencia de la irradiancia Como bien se ha explicado anteriormente, la fotocorriente de las célula solar es directamente proporcional a la intensidad de la radiación solar incidente en la superficie de las mismas. Gracias a esta proporcionalidad se puede plantear que si la corriente fotogenerada al nivel definido como la unidad (1 Sol = 100 mW/cm2) es IL1, la fotocorriente generada a un nivel de iluminación X veces superior es IL = X·IL1. Además, si VOC1 es la tensión en circuito abierto de una célula solar a 1 Sol de irradiancia, la tensión a X soles será VOC = VOC1 + m·kT/e·Ln(X). Observando de esta manera, que al aumentar la intensidad de la iluminación incidente en la célula solar, aumenta la tensión en circuito abierto y la corriente fotogenerada, despreciando una pequeña disminución del factor de forma de la célula (FF), el rendimiento del dispositivo aumentará acorde al crecimiento de la irradiancia sobre la superficie fotosensible del dispositivo fotovoltaico hasta unos límites fijados por las resistencias serie y paralelo. En la figura [12] se muestran graficados los efectos de la irradiancia sobre las curvas I-V y P-V de la célula. Figura 12. Influencia de la irradiancia en las curvas características. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 24 | P á g i n a 4.2.7. FORMAS DE ASOCIACIÓN DE LAS CÉLULAS SOLARES Una vez parametrizada y estudiada la célula solar, cabe decir que los elementos fotovoltaicos que se observan en cualquier instalación están formados por varias células y se denominan paneles solares. Por tanto, un módulo solar es el elemento formado por varias células conectadas eléctricamente, encapsuladas y situadas en un marco o soporte metálico. Estos paneles son los que se encuentran disponibles en el mercado fotovoltaico y se ofertan indicando la tensión a la que trabajan, siendo valores típicos los 6V, 12V o 24V. Para constituir los denominados paneles o módulos fotovoltaicos, las células solares se asocian entre ellas en paralelo o en serie, teniendo efectos distintos en las características finales del módulo formado. 4.2.7.1. Asociación de células en paralelo Cuando las células fotovoltaicas se asocian en paralelo para formar un panel o módulo solar, la célula equivalente de dicha asociación va a poseer una corriente mayor, siendo la suma de las corrientes características generadas por cada una de las células que lo componen. Por otro lado, la tensión total será la característica de una de ellas. 4.2.7.2. Asociación de células en serie Sin embargo, cuando las células fotovoltaicas se asocian en serie para formar un panel o módulo solar (array), la célula equivalente de dicha asociación va a poseer una tensión mayor, siendo la suma de las tensiones aportadas por cada una de las células que lo componen. Por otro lado, la corriente total se limitará a la intensidad de la célula que sea capaz de aportar la menor corriente. En la figura [13] se muestra el resultado de los dos posibles tipos de asociación de célula para conformar un panel o modulo fotovoltaico. Figura 13. Asociación serie y paralelo de células. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 25 | P á g i n a 4.2.8. FABRICACIÓN DE LAS CÉLULAS SOLARES Existen numerosas tecnologías de fabricación de dispositivos fotovoltaicos que persiguen mejorar la eficiencia de la célula, abaratar coste o la combinación de ambos aspectos. De forma independiente de cual sea la tecnología empleada, en todos y cada uno de ellos se realizan los pasos que se van a explicar brevemente a continuación. 1. Elección del sustrato Para la conformación de una célula fotovoltaica de silicio, este material debe poseer una pureza de grado solar o superior, y de esta manera obtener una alta eficiencia y las óptimas condiciones eléctricas en nuestro dispositivo. Una vez escogido este silicio con el grado de pureza citado, se corta en láminas cuadradas de dimensiones estándar (15cm x 15cm) con un espesor de 200 µm, se pule y posteriormente se limpia químicamente para eliminar impurezas indeseadas. 2. Texturizado de la superficie frontal para reducir la reflexión de la luz Para evitar un incremento de las pérdidas por reflexión que ocurre en todas las células solares, la oblea se somete a un proceso denominado texturización, el cual consiste en aplicar un ataque químico selectivo que deja la superficie fotosensible con una estructura de pirámides de diferentes tamaños. Esas formas específicas son las que permiten reducir dichas perdidas por reflexión de los fotones incidentes. 3. Formación del emisor mediante difusión de átomos de fósforo La célula solar, como ya se ha explicado, es una unión e dos zonas, denominadas base y emisor, en las que se presentan impurezas negativas en el emisor y positivas en la base. Este proceso se denomina dopado. En la base se aplican impurezas de boro que aportan huecos y se realiza en el proceso de obtención del sustrato. Mientras que para formar el emisor de la célula solar se aplican impurezas de fósforo, de tal manera que se suministran electrones. Este proceso se realiza en hornos de alta temperatura (800-900ºC) en los cuales se sitúa el sustrato y se hace circular un gas (PSG) que contiene fósforo, haciendo de esta manera que dicho compuesto se adhiera a la superficie texturizada de la célula, formando así el emisor de la misma. 4. Depósito de capas antirreflejantes y formación del contacto frontal Después de la formación del emisor, se pasa a la formación de capas antirreflejantes para reducir aún más la reflexión frontal que se da lugar en las células. Para ello, se depositan capas muy finas de materiales como el SiO2 o el Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 32 | P á g i n a silicio monocristalino, ya que se encuentra alrededor del 16% actualmente, con unas perspectivas futuras de poder alcanzar hasta rendimientos del 22%. El silicio policristalino generalmente se obtiene mediante el método Siemens, el cual consiste en calentar los lingotes brutos de silicio a una temperatura de 1150ºC y exponiendo este material al triclorosilano, gas que se descompone depositando silicio adicional en la masa inicial del mismo material. Debido a este proceso de fabricación, los bloques de silicio resultantes presentan distintos cristales con diferentes orientaciones. En la figura [16] se puede observar el horno utilizado para la obtención de silicio policristalino mediante este método. Figura 16. Horno Siemens. Como desventaja, las células formadas con silicio policristalino, al tener una eficiencia inferior, será necesario emplear una mayor área para poder obtener la misma cantidad de energía producida mediante células de silicio monocristalino. Por último, cabe destacar que los paneles de silicio policristalino son fácilmente reconocibles ya que siempre poseen una tono azulado y que las células de este tipo son totalmente rectangulares, a diferencia de las monocristalinas que poseían las esquinas recortadas. 4.3.3. CÉLULAS DE PELÍCULA DELGADA 4.3.3.1. Introducción Debido al gran espesor que es necesario para conformar células solares de silicio, surgió la investigación de materiales que necesitaran una capa fina de material y poder reducir de esta manera el coste de producción de nuevas células solares. Además se buscaba el aporte de nuevos materiales que consiguieran dotar a la célula solar fotovoltaica de una cierta flexibilidad. Gracias a esas investigaciones han surgido diferentes células basadas en diversos materiales semiconductores. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 33 | P á g i n a 4.3.3.2. Células GaAs (Arseniuro de galio) El arseniuro de galio es un compuesto semiconductor que posee un coeficiente de absorción directo y bastante elevado, por lo que el espesor de la célula de este material no va a ser tan elevado como el de las células de silicio. Su estructura cristalina es similar a la del diamante y a la del silicio cristalino, por lo que presenta un buen rendimiento energético. Este compuesto se puede obtener mediante diversas técnicas de fabricación, pero la más común es emplear un horno en el cual se introducen ambos compuestos. De esta forma, al evaporarse a una temperatura menor el arsénico, se adhiere al galio y forma el componente policristalino que se va a emplear para formar este tipo de células. Las células que están compuestas por este material son capaces de alcanzar eficiencias del 30%, mediante dispositivos con un espesor en torno a 1-2µm. Además, los semiconductores III-V, grupo al que pertenecen tanto el arsénico como el galio, permiten unificarse obteniendo aleaciones eficientes. De este modo permiten la variabilidad del ancho de la banda prohibida y mediante un sutil ajuste de la unión fotovoltaica se pueden obtener unas eficiencias energéticas aún mayores. Por ejemplo, una aleación GaAs/GaSb obtuvo una eficiencia del 35.6% al implementar una célula solar con este material compuesto por esta unión. Como desventaja, los sustratos que se utilizan en esta tecnología son aquellos en los que se emplea el germanio monocristalino (Ge) como componente principal y es un material caro, al igual que el proceso de crecimiento de la capa epitaxial. Estos factores influyen negativamente en el coste total de estas células y por ello, en aplicaciones terrestres aún se sigue apostando por otras tecnologías que nos aportan una eficiencia menor pero el coste de fabricación y de adquisición es también más económico. Esta alta eficiencia y las altas prestaciones estabilizadas que reportan este tipo de células resultan atractivas para la solar fotovoltaica y se han empleado estos últimos años en aplicaciones espaciales, como puede ser la alimentación de satélites o estaciones espaciales. Cabe resaltar que su eficiencia es elevada y poseen una gran estabilidad y que en las condiciones espaciales tienen una óptima respuesta a los factores ambientales y condiciones de funcionamiento a las que son sometidas. 4.3.3.3. Células CdTe (Teluro de cadmio) Por otro lado, existe otro tipo de células de película delgada, que son las células solares de Teluro de Cadmio (CdTe). Estos dispositivos se consiguen a partir de un sustrato con una capa conductora transparente, generalmente de óxido de estaño. Sobre esta capa, posteriormente, se coloca una capa conductora de CdS mediante un proceso de deposición químico denominado CBD. Superponiendo después una Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 34 | P á g i n a capa absorbente conductora de CdTe, empleando para ello la electrodeposición (CSS). El proceso que permite la separación y diferenciación entre una y otra capa se lleva a cabo mediante un proceso de vacío que ronda los 700ºC. Esta tecnología, junto con las células de silicio amorfo y las CIGS, que se expondrán a continuación, son los materiales de célula más novedosos que se encuentran hoy en día en el mercado. Esta fuerte presencia en el ámbito fotovoltaico mundial se debe a que mediante las células de CdTe se consiguen eficiencias energéticas del 17-18%, pudiéndose alcanzar en un futuro cercano, unos rendimientos cercanos al 22-23%, dado que en investigaciones actuales sobre este material ya se están consiguiendo números cercanos a estas altas prestaciones. Esta tecnología se considera una de las punteras de la gran gama de tecnologías de capa fina, ya que el espesor característico de una de estas células es de solamente unas pocas micras (2µm aproximadamente), además se trata de un material flexible, pudiéndose adaptar a cualquier superficie en la que se quiera instalar el módulo fotovoltaico formado por células de este material. Por otro lado, las células solares de CdTe tienen un barato coste, ya que se producen de forma rápida y sencilla sin necesidad de grandes y sofisticadas herramientas de producción. También, cabe destacar que debido a que el CdTe posee un bajo coeficiente de temperatura, en ambientes reales de trabajo, la eficiencia de estas células aumenta considerablemente. Como aspecto también positivo, las células de CdTe se pueden hacer a partir de películas delgadas policristalinas sobre substratos de vidrio, evitando el uso de los costosos substratos monocristalinos como ocurre en las células GaAs. A mayores, una de las ventajas que posee el uso de substratos vidriosos, es que la iluminación de la células fotovoltaica se produce a través de este mismo substrato y no desde la cara superior de la célula, convirtiéndose así esta cara de la célula en la ventana visible y transparente por la que se va a iluminar y hacer incidir los fotones solares. Sumándose a esto, el contacto frontal característico de una célula fotovoltaica de CdTe se realiza mediante un óxido conductor transparente (TCO), como puede ser el ITO (oxido de indio y estaño). De esta forma, se evita una rejilla de contactos metálicos opacos que impide la incidencia total de la luz solar en la célula. Este contacto debe poseer una conductividad eléctrica al igual que si fueran los típicos hechos de metal. A este enfoque constructivo del sustrato se le denomina superestrato. Por último, en investigaciones actuales se están obteniendo resultados alentadores a la hora de emplear estas células fotovoltaicas CdTe en sustratos plásticos flexibles y fabricar dispositivos de poliamida fina sobre sustratos en láminas metálicas flexibles. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 35 | P á g i n a 4.3.3.4. Células de silicio amorfo Además de las células de película delgada anteriormente explicadas, también surgen las células basadas en silicio amorfo. Las células de silicio amorfo están caracterizadas por emplear como materia principal el silicio, con la salvedad de que este silicio no tiene una estructura cristalina definida y que por ello la eficiencia de estas células solares es menor a las que están formadas por silicio cristalino. Este rendimiento energético de estas células solares se encuentra entorno al 7-8% actualmente, pero mezclando esta tecnología con otras diferentes se puede alcanzar eficiencias cercanas al 22%, según investigaciones actuales. El silicio amorfo ofrece la posibilidad de elaborar células solares a un coste de fabricación muy barato. Este tipo de silicio muestra diferentes propiedades físicas con respecto a los silicios cristalinos, como es el coeficiente de absorción, ya que el de una célula de silicio amorfo es más de diez veces mayor a 2x104 cm-1, lo que hace que este material sea más adecuado para aplicaciones de película delgada. Un aspecto importante del silicio amorfo es que debido a su estructura cristalina desordenada, hay enlaces colgantes sin ninguna unión con átomos cercanos de su estructura, estos enlaces colgantes fijan el nivel de Fermi y evitan el dopaje del material que se quisiera hacer posteriormente. Para evitar este efecto, en las células de silicio amorfo se adhiere hidrógeno, sustancia que pasiva estos enlaces colgantes. Es por ello, que el material de silicio amorfo se conoce también como aSi:H (silicio amorfo hidrogenado). Estas aleaciones son especialmente útiles en dispositivos multiunión, debido al incremento de la eficiencia de captación solar. En investigaciones actuales, un dispositivo de una única unión de silicio amorfo puede poseer una eficiencia entorno al 10% y un dispositivo multiunión un rendimiento cercano al 13%, siempre y cuando el silicio amorfo sea combinado con composiciones de silicio monocristalino. Como desventaja de esta tecnología, cabe destacar que presenta una gran inestabilidad, lo que hace que presente un gran deterioro en su estructura a largo plazo bajo la incidencia de una iluminación ligera y constante. Este deterioro es ocasionado por el reordenamiento de enlaces colgantes que presenta en su estructura atómica. A menudo, este reordenamiento también afecta a los átomos de hidrogeno que se han añadido al material para pasivarlo. Debido a estos anteriores efectos, los paneles solares de silicio amorfo pueden sufrir una pérdida del 2% en su eficiencia energética en las primeras 100 horas de exposición solar. A modo de conclusión, se puede decir que la tecnología del silicio amorfo hidrogenado es de bajo coste para aplicaciones que requieran una tecnología de capa delgada y células flexibles para adaptarse a cualquier superficie. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 36 | P á g i n a Como curiosidad y aspecto novedoso, el silicio amorfo es un material que actualmente se está mezclando con otras tecnologías de células solares para poder adquirir eficiencias más elevadas. En este ámbito aparecen las células HIT, las cuales consisten en una deposición de silicio amorfo hidrogenado sobre células monocristalinas. Esto aporta como resultado una célula solar compuesta con una capacidad de absorción mayor, reduciendo la reflectividad y como consecuencia obteniendo eficiencias o rendimientos energéticos próximos al 21%. En la figura [17] se puede observar el esquema estructural de una célula HIT. Figura 17. Estructura y composición de la célula HIT. 4.3.3.5. Células CIS y CIGS Las células solares CIS están formadas por una capa delgada ultrafina de CuInSe2 sobre una lámina de vidrio o de metal flexible. Este tipo de célula puede alcanzar eficiencias de alrededor del 14% con una durabilidad muy similar a las células de silicio. Estos dispositivos también están basados en la tecnología de película delgada y el coste, en comparación con otras tecnologías, es relativamente bajo. Estas células CIS poseen una energía de banda prohibida de 1.04eV, la cual es más baja que la separación de banda para obtener una eficiencia óptima según el límite de Shockley-Queisser, el cual designa la máxima eficiencia teórica que se puede obtener de una célula fotovoltaica basada en una unión p-n. Por otro lado, una nueva corriente investigadora sobre este tipo de tecnología de película delgada descubrió que añadiendo Galio a esta composición y obteniendo el compuesto Cu(InGa)Se2, la eficiencia de las células solares aumentaba y presentaba mejores prestaciones, surgiendo de este modo la tecnología CIGS. La tecnología de célula CIGS, es considerada como la vía fotovoltaica con mayor potencial y mejor futuro en el amplio abanico de tecnologías de película delgada. Estas células poseen la estructura cristalina de la calcopirita. Gracias a la adicción del Galio, la energía de la banda prohibida aumenta hasta los 1.7eV, incrementando así la eficiencia óptima alcanzable. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 37 | P á g i n a Esta tecnología tiene la ventaja de que el compuesto Cu(InGa)Se2 puede ser depositado sobre sustratos flexibles dando lugar a células ultraligeras y muy flexibles que se pueden adaptar a cualquier forma. Otro aspecto a tener en cuenta es que al quedar granulada dicha aleación, se crea un campo eléctrico entre el espacio de las bandas prohibidas de los materiales semiconductores que conduce a los electrones hacia la unión p-n, aumentando así su eficiencia. Además, a diferencia de las células de silicio amorfo y de teluro de cadmio (CdTe), las células CIGS presentan la misma disposición del sustrato que las células GaAs, es decir, estas células también se verán iluminadas a través de la superficie superior, tal y como se puede observar en la figura [18], la cual representa la estructura interna de una célula de tecnología CIGS con sustrato de vidrio. Figura 18. Estructura interna de una célula CIGS con sustrato de vidrio. En cuanto a las técnicas de fabricación de células solares CIGS, se pretende separar el proceso de deposición del proceso de formación de la aleación característica de esta tecnología. Así, de esta manera, poder emplear procesos baratos y potencialmente de alto rendimiento. Por otro lado, las células solares CIGS se han desarrollado rápidamente en cuanto a producción en masa y han tenido una gran acogida por las factorías del sector, ofreciendo los productores de estas células, eficiencias entorno al 14%. Por poner un ejemplo, Avancis, una gran empresa alemana del sector fotovoltaico produce paneles solares con células de tecnología CIGS de 140W de potencia real generada a partir de un panel de una superficie de 1.05m2 y Solar Frontier, empresa nipona del sector solar cuyo CEO es Hiroshi Watanabe, ha conseguido ofertar paneles solares de esta misma tecnología que aportan 170W de potencia a través de una superficie de 1.228m2. Por el contrario, al igual que en las células de teluro de cadmio (CdTe), existen unas grandes existencias mundiales de los materiales necesarios para conformar las células de esta tecnología, ya que para fabricar estas células solo se necesitan algunos gramos de dichos materiales, pero aun así no parecen suficientes para abastecer el gran auge que está teniendo esta tecnología en el sector fotovoltaico. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 38 | P á g i n a Además, la extracción del indio necesario en la fabricación de estas células no es barato, ya que no se obtiene indirectamente al obtener otros materiales en procesos mineros. Es por ello que el futuro precio de las célula solares de esta tecnología pueda ser totalmente dependiente del precio de suministro y extracción del indio, contribuyendo este casi a la mitad del coste total. Debido a este problema en el coste de extracción de los materiales que componen las células CIGS, se está empezando a investigar a cerca de nuevos materiales absorbentes. Y así, poder competir con esta tecnología de capa delgada. Uno de los materiales que se está empezando a estudiar son las Kesteritas (CZTS). 4.3.4. COMPARACIÓN DE LAS TECNOLOGÍAS ACTUALES En este apartado del presente proyecto, se va a realizar un cuadro comparativo de cada una de las tecnologías de célula empleadas en la actualidad y que han sido explicadas con anterioridad. Esta tabla comparativa se puede observar en la figura [19], la cual se va a mostrar a continuación. Figura 19. Cuadro comparativo de las tecnologías de célula estudiadas. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 39 | P á g i n a 4.4. INVESTIGACIONES EN TECNOLOGÍAS DE CÉLULAS 4.4.1. INTRODUCCIÓN Y RAMAS DE INVESTIGACIÓN Hoy en día, la energía solar fotovoltaica está en auge no solo en cuanto a su creciente implementación en la sociedad como método de obtención de electricidad, sino que también muchos y notables investigadores están trabajando a cerca de encontrar nuevos materiales, compuestos y técnicas de fabricación que consigan mejorar las actuales eficiencias energéticas y los costes competitivos que ya existen en este sector. Es por ello, que en este apartado se mencionarán algunos de las investigaciones y tratamientos que se están desempeñando en la actualidad para cubrir estas necesidades. 4.4.2. CÉLULAS ORGÁNICAS 4.4.2.1. Introducción A nivel mundial, en el ámbito de la energía solar fotovoltaica, las tecnologías empleadas en la fabricación de células y paneles solares se han basado en conseguir dispositivos sostenibles y respetuosos con el medio ambiente generando energía limpia. En estos últimos años, la energía solar fotovoltaica se está empleando de múltiples maneras para conseguir una gran variedad de tecnologías disponibles para su aplicación en diferentes instalaciones. Varios estudios demuestran que en la última década, la demanda de la energía solar fotovoltaica utilizada para abastecer de energía a las viviendas domésticas y fábricas está creciendo a pasos agigantados. Es por ello que la investigación, búsqueda y estudio de fuentes renovables como la fotovoltaica han surgido para sustituir a las energías basadas en combustibles fósiles, dañinas para el medio ambiente. Este amplio estudio e investigación en fuentes de energías renovables han dado como resultado, entre otros, una gran evolución de las células solares fotovoltaicas inorgánicas, pero desafortunadamente, este tipo de tecnología solar no es fácil de fabricar a gran escala, es por ello que su coste de fabricación ha impedido el uso, tal y como requiere, de esta tecnología en la demanda mundial de energía actualmente. Como medida y alternativa a esta tecnología solar inorgánica, estos últimos años, se está investigando a cerca de materiales orgánicos que puedan emplearse en la fabricación de células solares. Actualmente esta vía de investigación está en fase de laboratorio, pero se prevé una obtención de células solares orgánicas que ofrezcan grandes ventajas en aspectos económicos, ambientales y tecnológicos. Teniendo por lo tanto, un gran compromiso entre la flexibilidad, eficiencia, escalabilidad y trasparencia. Todo ello ofrecido por la célula solar basada en la tecnología de célula orgánica. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 40 | P á g i n a 4.4.2.2. Evolución de las células orgánicas 4.4.2.2.1. Introducción A finales del siglo XX se descubrió que los polímeros no eran aislantes y que poseían ciertas características y propiedades conductoras. Este descubrimiento hallado por los químicos Hideki Shirakawa, Alan MacDiarmid y el físico Alan Heeger significó una gran revolución en la tecnología electrónica, surgiendo producto que van desde las pantallas AMOLED, hasta el ámbito de la energía fotovoltaica. Los polímeros semiconductores serán la base material en la que se sustentará la energía fotovoltaica de carácter orgánico. Un polímero semiconductor es una macromolécula que presenta diferentes monómeros en su estructura, y que a diferencia de un polímero convencional, estas unidades son altamente conjugables, presentando en su estructura electrones de orbitales π, lo que permite tener cadenas de monómeros con una alta densidad electrónica deslocalizada, aportando de esta manera al material propiedades electrónicas únicas, comparables a los semiconductores inorgánicos. A partir de este material semiconductor (polímeros semiconductores) se empezaron a realizar diferentes prototipos basados en esta tecnología, dando lugar a las primeras células solares fotovoltaicas de carácter orgánico. 4.4.2.2.2. Células orgánicas de una sola capa Inicialmente, el primer modelo que se desarrolló de una célula solar fotovoltaica orgánica fue la CSO. Esta célula consistía únicamente en una capa de polímero conjugado situada entre dos electrodos metálicos que daban lugar a un campo eléctrico. Debido a que los polímeros conjugados poseen una pequeña constante dieléctrica, la primera fotoexcitación no libera electrones ni huecos, sino que se forma un excitón (par de enlaces entre electrón y hueco), que al entrar en contacto con el cátodo de la célula solar, mediante el efecto Schottky, este excitón se disocia generando portadores de carga libre, los cuales se dirigen hacia sus respectivos electrodos, generando de esta manera la corriente eléctrica. Debido a que los excitones poseen unas decenas de eV, la eficiencia de conversión energética (PCE) se limitaba a un 0,1%. En la figura [20] se muestra la estructura de la célula orgánica de una sola capa. Figura 20. Estructura de la célula solar orgánica de una capa. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 41 | P á g i n a 4.4.2.2.3. Células orgánicas bicapa Debido a los bajos rendimientos obtenidos en el anterior tipo de célula orgánica surgió este nuevo concepto en el que se emplean dos materiales con diferentes afinidades electrónicas y de potenciales de ionización distintos. Esta alternativa se emplea para aumentar el espectro solar aprovechable y así aumentar la eficiencia energética ofrecida por la célula solar. Al formar la unión de dos materiales se favorece la disociación del excitón en electrones, los cuales serán aceptados por el material que posea una mayor afinidad electrónica (material aceptor), y en huecos, los cuales se moverán a través del material que posea un potencial de ionización menor (material donador). Gracias a esto, se fomenta entonces la circulación de corriente eléctrica tal y como se mencionó en el proceso de funcionamiento de las células orgánicas (CSO). Cabe destacar que estas células bicapa poseen una eficiencia mayor que las células orgánicas de una sola capa, pero no se consiguen rendimientos energéticos tan elevados. Esto es debido a que el excitón fotogenerado, cuando la luz incide sobre la superficie de la célula y excita los electrones del semiconductor, se disocia dentro de una longitud de difusión en el rango de la interface donador/aceptor, de aproximadamente 10nm, y al fabricarse estas células, la distancia entre capas es superior a esta medida. Debido a esa distancia, la eficiencia energética de la célula orgánica bicapa no supera el 3%. En la figura [21] se puede observar la estructura de la célula orgánica bicapa. Figura 21. Estructura de la célula solar orgánica bicapa. 4.4.2.2.4. Concepto de heterounión en volumen o BHJ Después de los dos tipos de células orgánicas explicados anteriormente surgió un nuevo concepto de célula orgánica para paliar los inconvenientes que presentaban las predecesoras versiones que emplean esta tecnología de carácter orgánico. En esta nueva célula toma fuerza el concepto de la heterounión en volumen. Estas nuevas células orgánicas estaban compuestas por una película delgada de aproximadamente 100nm que actúa como capa activa de la célula, y esta capa fina Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 48 | P á g i n a Sin embargo, en la actualidad, las aplicaciones en las cuales no se requiere de una elevada potencia, el uso de este tipo de células puede ser una gran opción, gracias a su bajo coste. Es por ello, que hoy en día, estas células solamente se emplean en este tipo de aplicaciones específicas, como puede ser la integración de la energía fotovoltaica en elementos electrónicos inteligentes o en ropa futurista como la gama de chaquetas y anoraks que ha sacado la marca textil Tommy Hilfiger. En la figura [25] se puede observar la gama de chaquetas en las que se integra tecnología solar que ha ofertado, de forma exclusiva y en edición limitada, la firma de ropa citada anteriormente. Figura 25. Prendas de ropa que integran células orgánicas. 4.4.3. CÉLULAS DE PEROVSKITA (PSC) 4.4.3.1. Introducción Como posible alternativa a las células de silicio tradicionales, ha surgido una nueva tecnología de célula, que ya fue descubierta hace varios años, pero que se ha retomado mediante diversas investigaciones. Esta nueva tecnología de célula se basa en la aplicación de perovskita (CaTiO3) en los dispositivos fotovoltaicos. Este material, se caracteriza por poseer una eficiencia de conversión energética elevada y un menor coste de fabricación con respecto a otro tipo de tecnología. Actualmente, la investigación en torno a este material se basa en la obtención de perovskitas híbridas, las cuales se explicarán en el siguiente apartado de este documento. Como inconveniente, las perovskitas poseen plomo (Pb) en su composición atómica, material altamente tóxico. Es por ello, que la fabricación, distribución y reciclaje de este tipo de dispositivos aún no se ha regulado y por ahora, puede presentar una gran toxicidad para el medio ambiente y las personas que interactúen con ellos. Además, la perovskita es inestable y sufre una gran degradación ante una larga exposición a la radiación ultravioleta. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 49 | P á g i n a 4.4.3.2. Perovskitas híbridas Como bien se ha mencionado anteriormente, las investigaciones actuales acerca de la perovskita como material constructivo de células fotovoltaicas, se centran en las perovskitas híbridas, las cuales ofrecen una eficiencia y estabilidad esperanzadora. Las perovskitas híbridas se caracterizan por poseer una constitución atómica del tipo ABX3, donde el catión A está situado en una ubicación cubico-octaédrica, el catión B en una situación octaédrica y X siendo el átomo de carbono, nitrógeno, oxígeno o un halógeno. En la figura [26] se puede observar la estructura de una perovskita híbrida que se corresponde con el tipo de constitución atómica explicada. Figura 26. Estructura atómica de una perovskita híbrida ABX3. Específicamente, las perovskitas híbridas se caracterizan por poseer en su estructura átomos de diferente naturaleza. Por ejemplo, el catión A es reemplazado generalmente por cationes orgánicos como formamidino o el metilamonio. Y a su vez, el catión B lo componen iones de plomo, estaño, germanio o cobre, compuestos inorgánicos. Actualmente, las perovskitas híbridas que se están empleando en la actualidad, para aumentar el rendimiento energético, son la perovskita CH3NH3PbI3 (MAPbI3) y la perovskita CHN2H4PbI3 (FAPbI3). Pero presentan el inconveniente de que se degradan rápidamente ante entornos y ambientes húmedos. Es por ello, que los cationes orgánicos (MA+ y FA+) se están empezando a sustituir por iones de cesio inorgánicos y así aumentar la estabilidad y la eficiencia del conjunto, llegando a obtener un 10% de rendimiento energético. Para finalizar, se ha observado y demostrado que el compuesto FAPbI3 presenta alguna ventaja con respecto a la perovskita MAPbI3, ya que la primera presenta una mayor movilidad de portadores y un ancho de banda de 1.43 eV, permitiendo así una mejor absorción de los fotones incidentes. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 50 | P á g i n a 4.4.3.3. Diferentes técnicas de deposición de perovskita Para poder conformar una célula fotovoltaica que implemente este novedoso material, se debe adherir la perovskita mediante un recubrimiento de rotación, por inmersión o empleando diferentes técnicas de evaporación al vacío. Además, para poder obtener células solares de perovskita con un gran rendimiento energético y alta estabilidad, se debe tener control sobre la morfología y estructura cristalina del compuesto final adherido en la célula fotovoltaica. En la figura [27] se puede observar una clasificación de las diferentes formas de deposición que se pueden emplear para poder obtener una célula de perovskita. Figura 27. Técnicas de deposición de perovskita sobre las células fotovoltaicas. 4.4.3.4. Perovskitas estables aplicando cloruro de amonio (NH4Cl) En el artículo titulado “Highly stable hole-conductor-free perovskite solar cells based upon ammonium chloride and a carbon electrode” de Beibei Zong, Wuyou Fu, Zu-an Guo, Shaowei Wang, Liwen Huang, Bo Zhang, Hari Bala, Jianliang Cao, Xiadong Wang, Guang Sun y Zhanying Zhang, se habla de una técnica para mejorar la estabilidad de las células solares de perovskita. Las perovskitas empleadas en las células solares juegan un papel muy importante en la conversión energética y en la estabilidad, la cual es otro de los aspectos importantes y que en la actualidad es el gran inconveniente que presentan los dispositivos solares de perovskita. Por ello, en esta investigación se pretende encontrar un compuesto, que mediante su aplicación sobre las células de perovskita, se consiga mejorar la estabilidad de dichos dispositivos. Este compuesto estudiado es el cloruro de amonio (NH4Cl), el cual permite obtener una perovskita final de una elevada calidad. La cantidad de cloruro de amonio que se debía aplicar fue determinada por medio de prueba error ajustes matemáticos previos. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 51 | P á g i n a Determinaron que para conseguir la célula óptima de perovskita, se debía aplicar un porcentaje del 80% de este compuesto. De esta forma consiguieron aumentar la corriente de cortocircuito, el factor de forma (FF) y el rendimiento de potencia (PCE) de la célula fotovoltaica de esta tecnología. Además, la estabilidad del dispositivo seguía siendo adecuada, incluso después de su funcionamiento durante 576 horas. En la figura [28] se pueden observar los resultados favorables obtenidos en las 600 horas de ensayo que se dedicaron a observar el funcionamiento de estas células de perovskita después de tal proceso de fabricación. Figura 28. Estabilidad de la célula de perovskita después de 600 horas. 4.4.4. KESTERITA (Cu2ZnSnS4) Este material es un novedoso compuesto cuaternario que responde a la formula química de Cu2ZnSnS4 y cuyos materiales que lo componen no son tóxicos y abundan en la superficie terrestre. Se están empezando a fabricar las primeras células de este material como posible tecnología sustitutiva de las células CIGS, ya que el indio, material que las compone, es tóxico y caro. Las kesteritas son materiales semiconductores constituidos por compuestos químicos, tales como el cobre, el estaño, el selenio o el zinc. Estos materiales se pueden emplear como absorbentes ópticos en las células solares y conseguir unas eficiencias relativamente altas, de entorno al 12.6% (composición de células en tándem). Este material posee un gran futuro en el sector de la energía solar fotovoltaica, debido a que no presenta materiales tóxicos ni dañinos para el medio ambiente, y que además se encuentra en abundancia en la faz de la Tierra. Además, la kesterita cuenta con la ventaja de tener unas atractivas características en el sector de la fotovoltaica e idóneas para obtener elevadas eficiencias energéticas con algún que otro cambio en su composición. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 52 | P á g i n a 4.5. APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA 4.5.1. INTRODUCCIÓN En la actualidad, la tecnología solar fotovoltaica ha cobrado una gran importancia a nivel europeo y mundial con respecto a otras fuentes de energía renovables, gracias a la fuerte investigación, recursos y aportaciones económicas percibidas por los estados a nivel mundial. Hoy en día, a pesar de existir una gran variedad de tecnologías de célula, la gran mayoría de instalaciones solares se ve dominada por el silicio, tanto policristalino como monocristalino, alcanzando un 93-94% del mercado total de la energía solar. Dichas instalaciones de energía solar fotovoltaica se pueden clasificar en función de la aplicación a la que estén destinadas, pudiendo diferenciarse entre aplicaciones autónomas, conectadas a red y aquellas aplicaciones que resulten más novedosas con un futuro prometedor o se empleen en situaciones puntuales. 4.5.2. APLICACIONES AISLADAS 4.5.2.1. Introducción Este tipo de instalaciones se encargan de producir electricidad sin ningún tipo de conexión a la red eléctrica, con el fin de aportar energía a la instalación que demanda dicho abastecimiento. Dentro de este tipo de instalaciones se puede subdividir en dos grandes bloques de aplicación. 4.5.2.2. Aplicaciones espaciales En dichas aplicaciones, lo que se consigue por medio de la energía solar fotovoltaica es dotar de electricidad a los elementos espaciales, como pueden ser los satélites, supercomputadores situados en las estaciones espaciales o cualquier dispositivo que requiera electricidad. Gracias a este ámbito, la energía solar fotovoltaica que se conocen hoy en día se hizo posible, debido a que en primera instancia, esta tecnología se desarrolló para este tipo de misiones espaciales. En este tipo de aplicación es preferible utilizar células solares de GaAs (Arseniuro de Galio), debido a que se degradan más lentamente que el silicio y no necesitan un continuo mantenimiento. Incluso, se está empezando a emplear este tipo de células con varias capas de material y así conseguir células solares más eficientes. Hoy en día, para mejorar sus características eléctricas, se emplean otros materiales como germanio o fosfuro de indio y así capturar más energía. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 53 | P á g i n a En la actualidad, en el espacio, al tener un diferente espectro de radiación solar (AM1.5G) y empleando el tipo de células citado anteriormente con múltiples uniones, se pueden conseguir eficiencias del 38.8% con iluminación no concentrada y entorno a un 46% con luz concentrada. 4.5.2.3. Aplicaciones terrestres En las instalaciones fotovoltaicas que se desarrollan en la Tierra cabe destacar que el ámbito y la finalidad de las mismas es muy variado y hay infinidad de situaciones en las que se puede emplear la energía solar fotovoltaica para poder abastecer dichos sistemas de energía eléctrica. Alguna de las instalaciones que pueden necesitar la energía solar fotovoltaica pueden ser el sector de las telecomunicaciones, las zonas rurales y aisladas que necesiten una fuente eléctrica viable, los diferentes tipos de señalización de carreteras, el alumbrado público, las pequeñas instalaciones que se dediquen al bombeo de agua y pequeños aparatos de consumo propio como puede ser una calculadora, algún juguete electrónico o prendas de ropa. En este tipo de instalaciones lo que se pretende es utilizar una tecnología de célula que nos aporte el mayor rendimiento posible en un área de extensión muy pequeña. Es por ello que en la mayoría de las aplicaciones terrestres en las que el consumo energético no es elevado, se está apostando por el silicio policristalino, amorfo o tecnologías de película delgada. 4.5.3. APLICACIONES CONECTADAS A RED 4.5.3.1. Introducción En este tipo de instalaciones, el productor no utiliza dicha energía generada, sino que la vende al organismo encargado de la gestión de la energía del país o región en la que se encuentre dicha instalación. Cabe distinguir entre dos grandes bloques en cuanto a generación eléctrica. Por un lado, las centrales y huertos solares, y por otro, los edificios que integran tecnología fotovoltaica para su autoconsumo y venta del excedente energético. 4.5.3.2. Centrales fotovoltaicas y huertos solares Estas extensiones de superficie son aquellos recintos en los que se concentra un número determinado de instalaciones fotovoltaicas, a su vez constituidas por un número determinado de módulos o paneles fotovoltaicos, los cuales pertenecen a diferentes propietarios. Esta disposición tiene como fin, vender la energía generada a la institución gubernamental gestora de la energía del determinado territorio en el que se encuentre. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 54 | P á g i n a El parque solar del Desierto de Tengger, es considerado una de las extensiones solares fotovoltaicas más grandes del planeta, la cual es capaz de suministrar 1.500MW de energía totalmente aprovechable. Esta planta solar cubre un área de 1200 km2 y está situado en Zhongwei, provincia de Ningxia, China. Por otro lado, el huerto solar Topaz, situado en California, es uno de los más grandes del mundo. Esta gran planta solar se caracteriza porque utiliza paneles solares fotovoltaicos con células de teluro de cadmio. Esta instalación cuenta con 25 km2 de extensión, 550 MW de potencia instalada generada a partir de nueve millones de módulos fotovoltaicos. En la figura [29] se puede observar una vista aérea de la gran extensión que abarca este huerto solar de Estados Unidos. Figura 29. Huerto solar Topaz, situado en California. 4.5.3.3. Edificios fotovoltaicos El rápido crecimiento de la energía solar fotovoltaica en los últimos años y la gran evolución en los productos de este tipo ha permitido el uso de los módulos fotovoltaicos como material constructivo en los cerramientos, cubiertas, fachadas y demás elementos de una edificación. Es por ello, que la integración arquitectónica venidera consiste en combinar los materiales como elemento estructural y como productor de electricidad. Un ejemplo de esta integración pueden ser las tejas que han sido desarrolladas por la compañía californiana Tesla. Estas tejas, con una estética tradicional, incluyen unos dispositivos solares que sirven como abastecimiento energético a la vivienda. La empresa americana ofrece cuatro modelos tradicionales de tejas, en los cuales se incluye el diseño toscano, con textura, teja lisa o incluso se atreven con la pizarra (figura [30]). Figura 30. Gama de las tejas solares de Tesla. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 55 | P á g i n a 4.5.4. APLICACIONES NOVEDOSAS DE VANGUARDIA 4.5.4.1. Introducción En cuanto aplicaciones novedosas y que no se centren tanto en la generación en masa de energía eléctrica, existen diversos proyectos e instalaciones que se han desarrollado o se tienen intención de llevar a cabo para paliar la demanda energética necesaria en cada situación. A continuación se describe algún ejemplo de este tipo de instalación. 4.5.4.2. Carretera solar en Francia En Francia se encuentra la primera carretera solar, desarrollada en el año 2016. Esta calzada consta de un kilómetro, formada por 2280 paneles fotovoltaicos, destinados a la producción de energía eléctrica. Cabe destacar que al estar situados los paneles sobre el asfalto, el ángulo de incidencia solar no va a ser el óptimo para la captación de la luz y como resultado, no se va a obtener el mejor rendimiento. Además las carreteras pueden sufrir diferentes deterioros a lo largo del tiempo debido a la rodadura continua de los vehículos. Teniendo en cuenta también, que se pueden ensuciar debido al polvo que se levanta en las carreteras o debido a las precipitaciones que se pueden dar, esas células solares pueden verse cubiertas y no dejar paso a la luz solar para la generación de energía. Es por ello, que en este proyecto se han obtenido resultados poco alentadores. Al día, se han llegado a conseguir una media de 409KWh, insuficientes para abastecer de energía a ciudades, pero si que puede servir para alimentar a los semáforos y señales de tráfico o a las luminarias públicas durante todo el año. 4.5.4.3. Carril bici solar en Holanda (SolaRoad) Otro ejemplo de aplicación novedosa en la cual se utilice la fotovoltaica como fuente de energía puede ser el carril bici de 70 metros de largo establecido en Holanda, proyecto denominado SolaRoad. Este proyecto se puso en marcha en el año 2015 y cabe destacar que los resultados obtenidos han sido muy satisfactorios ya que se ha logrado en un periodo de seis meses, unos 3000KWh, los cuales podrían utilizarse y abastecer de forma íntegra una vivienda unifilar durante un año. En este carril bici existen células fotovoltaicas incrustas en módulos de hormigón de 2,5 a 3,5 metros, cubiertas por una doble capa de vidrio templado de un centímetro de grosor que actúa como protección. Al gobierno holandés, este proyecto le ha costado una cantidad cercana a los 3 millones de euros. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 56 | P á g i n a 4.5.4.4. Células solares basadas en la bacteria de E.coli Hoy en día se están investigando diferentes alternativas al silicio, las cuales prometen disminuir los costes de la fotovoltaica y emplear menos material para conseguir una igual o superior eficiencia. Si se disminuyen los costes, se puede llegar a un estado en el que la energía solar se encuentre en prácticamente todas las superficies que nos rodean y así poder obtener energía eléctrica de forma sencilla y económica. Sin embargo, estos módulos o paneles fotovoltaicos podrían tener soluciones aún más curiosas, como las que investiga la Universidad de Columbia Británica (Canadá) con una bacteria relacionada con los trastornos digestivos, la llamada bacteria E.coli. Estas investigaciones con organismos vivos para generar electricidad se basan en tintes que usan las bacterias en los procesos de fotosíntesis. Como inconveniente, la extracción de esos tintes suele ser costoso y tóxico, pero si se consigue, resulta muy atractivo en el ámbito de la fotovoltaica. En el estudio en la universidad estadounidense se ha observado que las bacterias están programadas genéticamente, recubiertas de un material semiconductor y de una superficie de cristal. Estas bacterias son capaces de producir electricidad incluso en condiciones de luminosidad muy reducidas, lo cual es un aspecto muy beneficioso para la obtención de energía mediante dispositivos fotovoltaicos. 4.5.4.5. ECOCAT. Ferry marítimo eléctrico. En julio de 2018, la compañía naval Metaltec Naval presentó oficialmente el ECOCAT, el primer catamarán de pasajeros electro-solar de Europa, el cual permite el transporte de hasta 120 personas sin la necesidad de emplear combustibles fósiles, evitando de esta manera al 100% las emisiones de CO2 a la atmósfera. Este barco cuenta con un sistema de propulsión totalmente eléctrico que no requiere de motores auxiliares que brinda una autonomía de navegación de ocho horas sin recargas gracias a las alas solares retráctiles y desplegables que posee. En la figura [31] se puede observar el catamarán de pasajeros de la gama ECOBOAT. Figura 31. Catamarán ECOCAT, totalmente eléctrico. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 57 | P á g i n a 5. SIMULACIÓN DE CÉLULA, PANEL E INSTALACIÓN. 5.1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS En esta parte del presente documento se van a desarrollar tres programas independientes, pero los tres con una gran relación con la energía solar fotovoltaica. Estos programas se van a desarrollar para realizar una simulación de los diferentes componentes que conforman la primera parte de una instalación fotovoltaica. Esta parte, se refiere a las células y paneles de energía continua de la instalación. Con ello, se va a conseguir obtener información de la potencia máxima ideal y real que son capaces de entregar cada una de las células o asociación de células (paneles) que se quiere simular. Para cumplir este objetivo me he centrado en la parte básica de la instalación fotovoltaica, que además es el aspecto fundamental estudiado en este documento, la célula solar. Y después se va a ir extrapolando a panel, incluyendo el tipo de asociación de células mediante las variables Np y Ns, las cuales significan número de células en paralelo y número de células en serie que conforman un panel respectivamente. Por último, añadiendo el número de paneles, se consigue obtener información de una instalación fotovoltaica completa con irradiancias y temperaturas reales de cualquier ciudad de la faz de la tierra. Como bien he mencionado anteriormente, el estudio de simulación que he llevado a cabo ha sido a nivel de célula, ya que es el elemento básico y se ha decidido así para partir de la base de una instalación. Sabiendo que si se ha modelado correctamente el funcionamiento de una célula, extrapolar posteriormente al funcionamiento de un panel, o incluso una instalación, es relativamente sencillo haciendo uso de las variables anteriormente citadas. Inicialmente, el fabricante de las células solares nos aporta los valores característicos de una célula solar en condiciones estándar (STC: Tc=25ºC y G=1000W/m2). Estos parámetros ofrecidos por el fabricante son la tensión en circuito abierto (Voc (STC)), corriente de cortocircuito (Isc (STC)), potencia máxima (Pm (STC)), tensión en el punto de máxima potencia (Vmp (STC)) y corriente en el punto de máxima potencia (Imp (STC)). Estos parámetros ofrecidos por el fabricante van a variar con la temperatura ambiente en la que se encuentre el dispositivo y la irradiancia incidente en el mismo. Es por ello, que para una correcta simulación se requiere tener en cuenta estas variaciones. Para este ámbito, diferentes autores han realizado investigaciones y empleado diferentes aproximaciones para la correcta simulación de estos efectos. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 64 | P á g i n a 5.3.3. METEONORM Meteonorm es un programa que sirve para la adquisición de datos climatológicos de cualquier punto en el que se encuentra una estación meteorológica o presente una interpolación de estas características medioambientales. En este caso, los parámetros que me interesa obtener es la temperatura ambiente y la irradiancia de cualquier lugar durante un año, minuto a minuto u hora a hora. Una vez obtenido los datos del lugar seleccionado, en el formato deseado, se guardan los datos y se genera un Excel en el que están contenidos. Posteriormente, estos datos que ya han sido exportados del programa Meteonorm, se deben pasar al entorno de Matlab, para que de esta manera sean procesados y utilizados en el modelo de simulación. Para obtener una idea más global del funcionamiento de esta tarea de adquisición de datos y su posterior uso, se va a describir brevemente el proceso llevado a cabo desde la selección de los datos hasta su importación a Matlab. 5.3.3.1. Primer paso Una vez se ha abierto el programa Meteonorm, el primer desplegable que aparece es el denominado Sitio, en el cual se debe buscar la ciudad o estación meteorológica que se desee y seleccionarla. De esta forma ya se ha fijado la ciudad de la que se van a obtener los datos climatológicos. En la figura [41] se muestra el primer paso a seguir para la obtención de los datos que se quieren obtener de la base de datos de Meteonorm. Figura 41. Primer paso para la adquisición de datos de Meteonorm. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 65 | P á g i n a 5.3.3.2. Segundo paso Posteriormente, se deben establecer las modificaciones deseadas, la turbiedad atmosférica, el horizonte, el albedo, la orientación de la superficie… en el segundo desplegable denominado Modificaciones. En mi caso, en este apartado lo dejaré por defecto ya que la variación sobre los parámetros que deseo obtener no es relevante. En la figura [42] se observa la ventana ofrecida por este desplegable. Figura 42. Segundo paso para la adquisición de datos de Meteonorm. 5.3.3.3. Tercer paso Una vez realizado el paso anterior, en el tercer desplegable denominado Datos ofrecido por el programa, se debe elegir el periodo de tiempo del que se quieren extraer los datos climáticos. Además, en esta opción existe una opción denominada Configuraciones avanzadas, en la cual se va a elegir el modelo de irradiancia que se quiere, hora a hora o minuto a minuto. En la figura [43] se muestra la interfaz del programa para elegir el modelo de irradiancia deseado. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 66 | P á g i n a Figura 43. Tercer paso para la adquisición de datos de Meteonorm. 5.3.3.4. Cuarto paso Luego, en el cuarto desplegable se debe elegir el formato de los datos que se van a extraer del programa. En mi caso, como ya se ha explicado anteriormente, me interesa obtener un formato de datos en el que se recojan los valores de irradiancia, hora a hora o minuto a minuto. Para ello en este desplegable, Formato, se debe especificar la opción Standard de Meteonorm, si se quiere obtener los datos hora a hora, o si por el contrario, se desean obtener dichos datos minuto a minuto, se debe escoger la opción Standard minute. En la figura [44] se muestra el desplegable que contiene ambas opciones. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 67 | P á g i n a Figura 44. Cuarto paso para la adquisición de datos de Meteonorm. 5.3.3.5. Quinto paso Cuando ya se han establecido las anteriores opciones, se debe seleccionar el último desplegable, denominado Output, que automáticamente va a calcular los datos de salida. Para almacenar y generar el fichero Excel con los datos que necesito, se deben guardar y seleccionar el método de visualización de los mismos mediante la interfaz mostrada a continuación en la figura [45]. Figura 45. Quinto paso para la adquisición de datos de Meteonorm. 5.3.3.6. Sexto paso Una vez generado el fichero Excel con los datos de irradiancia, el último paso que se debe dar es la importación de ese fichero a una variable .mat y así poder ser manejable con Matlab, entorno en el que se desarrollará el programa de simulación. Esta tarea de importación se va a conseguir mediante el comando propio de Matlab denominado importdata, el cual va a transcribir exactamente dicho fichero, sin ningún tipo de pérdida de datos, al entorno de Matlab. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 68 | P á g i n a 5.4. SIMULACIÓN DE CÉLULA FOTOVOLTAICA 5.4.1. INTRODUCCIÓN En este primer programa desarrollado, se trata de simular el comportamiento de una célula fotovoltaica ante diferentes valores de irradiancia y de temperatura ambiente. Para hacer un programa genérico y que sirva para cualquier célula que se encuentre en el mercado, se pide al usuario que introduzca los parámetros en condiciones estándar de la célula que nos aporta el fabricante. Una vez introducidos estos parámetros, se pide al usuario de nuevo, que teclee e introduzca la irradiancia ,G, y la temperatura ambiente, Ta, a la que se desea simular la célula fotovoltaica. Una vez introducidos estos parámetros, mediante el modelo de Wagner se calculan las variaciones de los parámetros en condiciones estándar y se simula la célula fotovoltaica mediante el uso de estas características modificadas. Por último, el sistema genera el valor de la potencia aproximada en esas determinadas condiciones según la aproximación de la potencia ideal de Abella ilustrada en la figura [32], la potencia ideal obtenida después de la simulación del funcionamiento de la celda fotovoltaica, obteniendo el punto de máxima potencia simulado, y por último, se obtiene la potencia real aportada por la célula bajo esas condiciones de temperatura e irradiancia. Además, se representan las curvas I-V y P-V de la célula fotovoltaica para así poder visualizar también su comportamiento y obtener una completa monitorización del estado del dispositivo fotovoltaico. 5.4.2. ESTRUCTURA Y EXPLICACIÓN DEL PROGRAMA 5.4.2.1. Código de Matlab ▪ EjecucionCelula.m Es el script principal del proyecto para la simulación de una célula fotovoltaica. Mediante este ejecutable se va a organizar las demás funciones que conforman el proyecto y en el cual, cada una de esas funciones realiza una tarea determinada. Por decirlo de una manera, es el main del proyecto si se realiza un símil con un proyecto desarrollado en leguaje C. La estructura de este script principal simplemente va a consistir en la invocación de las diferentes funciones que conforman el proyecto de forma jerárquica y según el procedimiento estructurado de desarrollo del que se ha dotado al proyecto. Mediante esta forma de programación, el proyecto es fácilmente legible e intuitivo a la hora de intentar observar el proceso de desarrollo que se ha llevado a cabo. En la figura [46] se va a observar la estructura de esta función principal del proyecto. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 69 | P á g i n a Figura 46. Estructura del script principal de la simulación de una célula. ▪ Parametros.m Esta función es la primera a la que el script EjecucionCelula invoca y por tanto, se ejecuta. En esta función lo que se ha desarrollado es un menú, por medio del cual se introducen los parámetros en condiciones estándar de la célula. En este menú se da la opción de introducir el valor de la tensión en el punto de máxima potencia de la célula, la intensidad en el punto de máxima potencia, la tensión de circuito abierto, la intensidad de cortocircuito, la irradiancia, la temperatura nominal de operación (TONC) y el coeficiente de variación con la temperatura de la potencia (∂), todos ellos en condiciones estándar STC. Esta función no recibe parámetros de entrada, y otorga como salida los parámetros de célula en condiciones estándar anteriormente citados. El funcionamiento de Parametros, consiste en pedir al usuario que introduzca cada una de las características de célula, aportadas por el fabricante, por teclado. Ese valor se trata como string y automáticamente después se convierte a double. Además, en esta función se fija el valor de la resistencia paralelo a un valor elevado (415.405Ω) y así evitar posibles errores de simulación entorno a esta variable. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 70 | P á g i n a La interfaz gráfica del menú explicado en esta función es el que se muestra a continuación en la figura [47]. Figura 47. Menú para la introducción de parámetros en STC de la célula. ▪ cargaParamCelula.m A continuación, una vez ejecutada la función Parametros, en el script principal del proyecto se pasa a invocar la función cargaParamCelula. La cual va a recibir como argumentos todos los valores tecleados por el usuario anteriormente, correspondientes a los parámetros de célula en condiciones estándar. Con estos parámetros, esta función lo que va a hacer es conformar una variable tipo struct denominada célula, la cual va a contener todos estos parámetros en condiciones estándar, siendo esta variable tipo struct la salida de esta función. Esta estructura se empleará más adelante para la obtención de los parámetros de Wagner, tal y como se explicará más adelante. ▪ Irr_Temp.m Posteriormente, la siguiente función que va a invocar el script principal de este primer programa para la simulación de una célula solar fotovoltaica es a la función Irr_Temp, la cual no va a recibir parámetros como argumentos de entrada y que simplemente va a servir como otro menú para la introducción de la irradiancia y la temperatura ambiente con la que se quiere simular la célula fotovoltaica. El funcionamiento de Irr_Temp, consiste en pedir al usuario que introduzca cada una de las entradas del sistema por teclado, ese valor se trata como string y automáticamente después se convierte a double, valores que serán la salida de esta función y que posteriormente serán las entradas del sistema implementado en Simulink. En la figura [48] mostrada a continuación se muestra la interfaz gráfica que se muestra por pantalla a la hora de introducir las entradas del sistema de simulación posterior. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 71 | P á g i n a Figura 48. Menú para la introducción de las entradas del sistema. ▪ Diversos comandos Después de introducir los parámetros en condiciones estándar de la célula y las entradas del sistema de simulación de la célula fotovoltaica implementado en Simulink, en el script principal se ejecutarán una serie de comandos por los motivos expuestos a continuación. En primer lugar, se ejecuta el comando find_system con el nombre del modelo de Simulink para que encuentre la ubicación y la ruta a seguir para la posterior ejecución de dicho modelo. En segundo lugar se va a realizar una reserva de memoria asignando ceros a los vectores donde se van a almacenar los resultados de la simulación. Esta reserva de memoria nos permitirá realizar una simulación más ágil y obteniendo una adecuada velocidad computacional. Y para finalizar, se va a calcular la temperatura de célula en función del TONC y la temperatura ambiente, Ta, introducidos anteriormente por teclado. ▪ Car_celula.m Mediante esta función se va a conseguir obtener los valores característicos de una célula fotovoltaica para una irradiancia, G, y una temperatura de célula, Tc, según el modelo de Wagner. Esta función va a recibir como argumentos de entrada, la temperatura de célula, Tc, la irradiancia, G, y la variable célula del tipo struct que se conformó previamente por medio de la función cargaParamCelula. Por otro lado, va a devolver una variable denominada célula_gt de tipo struct, que va a contener los parámetros característicos de la célula ya modificados. En esta función denominada car_celula se va a invocar a otra subfunción denominada parW_celula, la cual es una subrutina que determina los parámetros del modelo de Wagner de una célula (Rpv, Vt, Io, Il), a partir de las características en condiciones estándar. Esta subrutina va a devolver los parámetros de Wagner a la función car_celula y de esta manera se obtendrán los valores característicos de la célula fotovoltaica (Voc, Isc, Vmp, Imp) modificados y dependientes de la irradiancia y temperatura de célula que presenta este dispositivo en un determinado momento de simulación. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 72 | P á g i n a ▪ cargaParamSimulink.m Una vez hallados los nuevos valores de los parámetros característicos de la célula mediante el modelo de Wagner, la función denominada cargaParamSimulink va a asignar a cada variable, cada uno de los valores de los parámetros calculados e influenciados por la irradiancia, G, y temperatura de célula actual, Tc. Estas variables serán entradas del sistema de simulación implementado en Simulink, ya que son los parámetros que se han visto afectados por las condiciones ambientales actuales con las que se quiere simular el sistema. Esta función recibe como argumento de entrada la variable célula_gt, conformada mediante la anterior función explicada, y emitirá como salida los valores (Voc, Isc, Vmp, Imp), los cuales, a su vez serán las entradas del sistema de simulación de Simulink. En la figura [49] se observa la asignación que se realiza mediante la presente función. Figura 49. Asignación de los valores característicos a las entradas de Simulink. ▪ Ejecución de la simulación Una vez calculados todos los parámetros e introducidas todas las entradas que requiere el modelo de simulación de la célula fotovoltaica implementado en Simulink, se pasa a ejecutar dicho modelo y al funcionamiento de la simulación, la cual se explicará en detalle en el siguiente apartado del presente documento. Cabe destacar, que para proseguir con la explicación del código desarrollado en Matlab, es necesario, al menos, citar y explicar brevemente las salidas que se obtienen y se devuelven a Matlab en este sistema de simulación de Simulink. Una vez ejecutada y finalizada la simulación de la célula, se van a obtener cinco vectores en los que se van a almacenar los valores de potencia ideal aproximada (variable Pmax_T), potencia ideal simulada (variable Pot_Celula), tensión de célula simulada (variable V_Celula), corriente de célula simulada (variable I_Celula) y la potencia real simulada (variable Pmax_R) de la célula solar que se quiere estudiar. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 73 | P á g i n a ▪ MMP.m Una vez ejecutada la simulación de la célula solar en el entorno de Simulink y obtenidas los variables de tipo vector como salida, en el script principal del proyecto se va a invocar la función MMP, función que se va a encargar de obtener el punto de máxima potencia de la célula simulada. Para conseguir este objetivo, se necesita pasar como argumento de entrada el vector Pmax_T, en el cual se almacenan cada una de las potencias obtenidas en la simulación correspondientes a cada uno de los mil puntos recogidos durante el barrido de tensión que se realiza en Simulink. Entonces, esta función va a recorrer dicho vector en busca de la potencia mayor que se haya conseguido obtener, y almacena el índice del vector en el que se encuentra dicha potencia. Siendo este índice el argumento de salida de esta función, conformando así el algoritmo de búsqueda del punto de máxima potencia que se ha programado en Matlab. ▪ creaVect.m Una vez obtenido el índice en el que se encuentra la máxima potencia simulada, se van a formar los vectores en los cuales se van a almacenar la potencia máxima ideal aproximada según la fórmula de Abella (PotAprox_T), la potencia máxima ideal simulada (PotSim_T), la tensión de célula en el punto de máxima potencia simulada (Vmax), la corriente de célula en el punto de máxima potencia simulada (Imax) y la potencia máxima real simulada (PotSim_R). Que será fácil localizar cada una de estas variables, debido al algoritmo MMP programado previamente y quedándome con el índice del vector donde se encuentra el máximo valor. Por tanto, la salida de esta función va a ser cada uno de los vectores nombrados anteriormente y que posteriormente se sacaran por pantalla mediante la función explicada a continuación. ▪ muestrPot.m Por último, una vez obtenido cada uno de los vectores en los que se encuentra el valor máximo de cada variable obtenida en el desarrollo de la simulación de la célula solar, solo queda mostrarlo por pantalla y contrastar los resultados obtenidos. Precisamente ese objetivo es el que va a satisfacer la última función invocada en el script principal de esta simulación, la función muestraPot. Una vez terminada la ejecución del programa principal, el modelo de Simulink que ha sido ejecutado se va a guardar con el mismo nombre y se va a establecer un delay de medio segundo y se da por terminada la ejecución de la simulación de una célula solar fotovoltaica a elección del usuario. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 80 | P á g i n a obtiene la potencia real aportada por el panel bajo esas condiciones de temperatura e irradiancia. Además, se representan las curvas I-V y P-V de la asociación de células que conforma el panel fotovoltaico, pudiendo así, visualizar también su comportamiento y obtener una completa monitorización del estado del dispositivo fotovoltaico a nivel de panel. 5.5.2. ESTRUCTURA Y EXPLICACIÓN DEL PROGRAMA 5.5.2.1. Código de Matlab En este segundo programa, en el que se va a simular un panel fotovoltaico, se parte de la base de operación del primero desarrollado y explicado anteriormente. Cabe destacar que en este nueva simulación, para desarrollarlo de una forma más intuitiva y acorde a los datasheet de paneles fotovoltaicos, en vez de introducir los parámetros de célula, se van a introducir las características en condiciones estándar del panel fotovoltaico. En cuanto a la estructuración del código y jerarquía del programa va a ser idéntico al anterior. ▪ EjecucionPanel.m Este programa desarrollado en el entorno de Matlab será el script principal de esta nueva simulación, sería el homólogo a EjecucionCelula del anterior programa focalizado a, como su propio nombre indica, la célula solar. Cabe destacar, que el funcionamiento de este programa principal consiste también en la organización jerárquica de invocaciones a las funciones que consiguen el objetivo global de esta simulación. Es decir, sería también el main de este nuevo proyecto. ▪ Parametros.m Esta función de este nuevo programa de simulación va a ser exactamente idéntica a su homóloga en el programa desarrollado para la simulación de una célula, con la salvedad que en vez de introducir los parámetros de célula en condiciones estándar, se van a introducir los parámetros en condiciones estándar del panel a simular. ▪ cargaParamPanel.m A continuación, una vez ejecutada la función Parametros, en el script principal del proyecto se pasa a invocar la función cargaParamPanel. La cual va a recibir como Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 81 | P á g i n a argumentos todos los valores tecleados por el usuario anteriormente, correspondientes a los parámetros del panel en condiciones estándar. Con estos parámetros, esta función lo que va a hacer es conformar una variable tipo struct denominada panel, la cual va a contener todos estas características en condiciones estándar. Sería la función homologa a la función cargaParamCelula del anterior programa de simulación desarrollado en este documento. ▪ EligePanel.m Esta función es la diferencia más notable en cuanto al funcionamiento del anterior programa, ya que en EligePanel, lo que se va a realizar es la introducción del número de células en serie y en paralelo que conforman el panel fotovoltaico que se va a simular mediante este programa. Este número de células se van a almacenar en las variables Ns y Np respectivamente, y van a ser nuevas entradas al modelo de simulación implementado en Simulink. El valor de estas variables va a permitir trabajar al modelo de Simulink a nivel de célula, tal y como se ha explicado anteriormente. ▪ Irr_Temp.m La siguiente función que se invoca desde el script principal de este nuevo programa de simulación es la función que, al igual que en el primer programa de simulación, va a permitir la introducción por teclado de la irradiancia, G, y la temperatura ambiente, Ta, a la cual se quiere simular el panel fotovoltaico. ▪ Diversos Comandos Después de introducir los parámetros en condiciones estándar del panel y las entradas del sistema de simulación implementado en Simulink, en el script principal se ejecutarán una serie de comandos por los motivos expuestos a continuación. En primer lugar, se ejecuta el comando find_system con el nombre del modelo de Simulink para que encuentre la ubicación y la ruta a seguir para la posterior ejecución de dicho modelo. En segundo lugar, se va a realizar una reserva de memoria asignando ceros a los vectores donde se van a almacenar los resultados de la simulación. Esta reserva de memoria nos permitirá realizar una simulación más ágil y obteniendo una adecuada velocidad computacional a la hora de la ejecución de la simulación. Y para finalizar, se va a calcular la temperatura de célula en función del TONC y la temperatura ambiente, Ta, introducidos anteriormente por teclado. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 82 | P á g i n a ▪ Car_panel.m Mediante esta función se van a conseguir obtener los valores característicos de un panel fotovoltaico para una irradiancia, G, y una temperatura de célula, Tc, según el modelo de Wagner. Cabe destacar que la temperatura de célula y la de panel, se consideran iguales y homogéneas para dicha simulación. Esta función va a ser la homologa a la función car_celula del primer programa de simulación que se ha explicado en este documento. En este caso, al tratarse de la simulación de un panel, las entradas que recibe son las características estándar del panel y forma una variable tipo struct denominada panel, en la cual se contienen todos los parámetros modificados según el modelo de Wagner. En esta función denominada car_panel se va a invocar también a otra subfunción denominada parW_panel (homologa a parW_celula del anterior programa desarrollado), la cual es una subrutina que determina los parámetros del modelo de Wagner de una panel (Rpv, Vt, Io, Il), a partir de las características en condiciones estándar. Esta subrutina va a devolver los parámetros de Wagner a la función car_panel y de esta manera se obtendrán los valores característicos del panel solar (Voc, Isc, Vmp, Imp) modificados y dependientes de la irradiancia y temperatura. ▪ cargaParamSimulink.m Esta función realiza exactamente lo mismo que su homóloga en el anterior programa. En este caso se delimita a cargar las variables de entrada en el modelo de Simulink, pero a nivel de panel. ▪ Ejecución de la simulación Una vez calculados todos los parámetros e introducidas todas las entradas que requiere el modelo de simulación del panel fotovoltaico implementado en Simulink, se pasa a ejecutar dicho modelo y al funcionamiento de la simulación, la cual se explicará en detalle en el siguiente apartado del presente documento. En este segundo programa, las entradas, como se ha visto hasta ahora es a nivel de panel, por tanto, como el modelo de Simulink implementado trabaja internamente a nivel de célula, se deben obtener los valores de célula en base a los parámetros del panel y así poder obtener una gran precisión de simulación trabajando al nivel más básico de la fotovoltaica. Es por ello, que en las características generales de este nuevo modelo de Simulink se debe realizar una división de los parámetros del panel entre el número de células que conforman el propio panel a simular. Como se puede intuir, antes de arrancar el modelo de simulación, se realizan los ajustes mostrados en la figura [57] en las entradas del nuevo sistema de Simulink. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 83 | P á g i n a Figura 57. Transcripción de entradas a nivel de célula. Por último, en este apartado, cabe destacar que una vez realizados todos los cálculos de simulación a nivel de célula, el propio sistema de Simulink extrapola a parámetros de panel y los resultados obtenidos son los mismos que en el modelo de simulación del programa en el que se simula solamente una célula, pero como es lógico, a nivel de panel. ▪ MMP.m Una vez ejecutada la simulación del panel en el entorno de Simulink y obtenidas los variables de tipo vector que se obtienen como salida, en el script principal del proyecto se va a invocar la función MMP, función que se va a encargar de obtener el punto de máxima potencia del panel simulado. Para conseguir este objetivo, se necesita pasar como argumento de entrada el vector Pmax_T, en el cual se almacenan cada una de las potencias obtenidas en la simulación correspondientes a cada uno de los cien puntos recogidos durante el barrido de tensión que se realiza en Simulink. Entonces, al igual que se realizaba en la función MMP a nivel de célula, se realiza aquí a nivel de panel y se obtiene el índice del vector de potencias en el cual se encuentra la máxima potencia del panel simulada. ▪ creaVect.m Una vez obtenido el índice en el que se encuentra la máxima potencia simulada del panel, los resultados obtenidos son los mismos que se obtenían en esta misma función en el anterior programa en el que se simulaba una única célula. Pero en este caso, los resultados que se muestran son las mismas potencias pero a nivel de panel. ▪ muestrPot.m Por último, una vez obtenido cada uno de los vectores en los que se encuentra el valor máximo de cada variable obtenida en el desarrollo de la simulación, se muestra por pantalla, al igual que se realizaba a nivel de célula en el anterior programa. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 84 | P á g i n a 5.5.2.2. Implementación en Simulink En cuanto al modelo de Simulink implementado en este nuevo proyecto de simulación de panel fotovoltaico, la base y por tanto el modelo matemático es idéntico al anterior y el mostrado en la figura [50], ya que como bien se ha explicado, aunque en este programa se parametrice un panel fotovoltaico, los cálculos internos de simulación se realizan a nivel de célula. Es por ello que el modelo de simulación implementado en este programa a nivel de célula es idéntico al mostrado en la figura [51]. Una vez explicado esto, como bien se sabe, ahora el objetivo es obtener resultados a cerca de un panel fotovoltaico, por lo que las entradas Ns (número de células en serie) y Np (número de células en paralelo) entran en juego. Siguiendo una organización jerárquica del modelo de simulación, al igual que el funcionamiento interno de una célula se envolvía en un subsistema denominado célula solar, ahora, se envuelve el funcionamiento del panel, en una carcasa denominada panel fotovoltaico, mostrado en la figura [58]. Figura 58. Bloque de Simulink denominado Panel Fotovoltaico. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 85 | P á g i n a En el interior de este subsistema se tendrá el funcionamiento del panel fotovoltaico, haciendo uso del subsistema Célula Solar en el cual se centra todo el funcionamiento interno a nivel de célula, y las variables Ns y Np para la extrapolación del funcionamiento a nivel de panel. El interior de este bloque denominado Panel Fotovoltaico se muestra a continuación en la figura [59]. Figura 59. Modelo del panel fotovoltaico en Simulink. 5.5.3. RESULTADOS DE SIMULACIÓN Una vez implementadas ambas partes del proyecto de simulación de un panel fotovoltaico, solo falta iniciar la ejecución del programa global y dar paso a la obtención y justificación de los resultados. Para poder contrastar los resultados de la simulación se han obtenido los datos reales de una panel de silicio monocristalino denominado I-106/12, de Isofoton. A continuación en la figura [60] se muestra la tabla de parámetros característicos del panel fotovoltaico en condiciones estándar ofrecida por el fabricante. Figura 60. Datasheet del panel I-106/12 de Isofoton. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 86 | P á g i n a En la figura anterior se pueden observar los diferentes parámetros del panel citados con anterioridad, en condiciones estándar, y que en mi programa, se pide al usuario que introduzca por teclado. Para la correcta simulación del panel escogido, se ejecuta el script EjecucionPanel desde Matlab y se introducen los parámetros en condiciones estándar del módulo y las entradas climatológicas del sistema de simulación (G y Ta), además del número de células en serie y en paralelo que componen el módulo a simular. Cabe destacar que en este caso, para poder corroborar el funcionamiento de simulación, introduciré inicialmente el valor de G=G* y la Ta que haga que la Tc sea la temperatura de célula estándar Tc=298 K = 25ºC. En la figura [61] se observa el menú en el que se introducen los parámetros y entradas del sistema para la ejecución del programa. Figura 61. Menú para la introducción de parámetros del panel y entradas. Una vez introducidos estos parámetros y las entradas que hacen que el panel se encuentre en condiciones estándar se obtiene los siguientes resultados, mostrados en la figura [62]. Figura 62. Resultados de la simulación del panel de Isofoton. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 87 | P á g i n a En la anterior figura, se puede observar que la potencia máxima ideal aproximada (Pmax Ideal (Aprox)), siguiendo la ecuación de aproximación de Miguel Alonso Abella, se obtiene un valor de 106.14W. Por otro lado, mediante la simulación de la célula fotovoltaica, teniendo en cuenta las variaciones por la irradiancia en el dispositivo fotovoltaico según el modelo de Wagner, se obtiene una potencia de 105.54W (Pmax Ideal (Sim)). Por último, se puede observar que el valor de la potencia real entregada por la célula, aplicando a la potencia ideal simulada un factor de rendimiento en el que se tiene en cuenta las pérdidas por caídas óhmicas, por mismatch, por la suciedad de la célula, pérdidas espectrales, debido al punto de máxima potencia y a la propia variación de la potencia, se obtiene un valor de 86.05W. Por último, en cuanto al resultado visual de la simulación, como bien se ha explicado con anterioridad, al finalizar la ejecución de este proyecto de simulación de un panel fotovoltaico, se generan las curvas características del panel mostradas a continuación en la figura [63]. Figura 63. Curvas características del panel simulado. 5.5.4. CONCLUSIONES Contrastando los resultados obtenidos con los datos aportados por el fabricante del panel de Isofoton, modelo I-106/12, se puede observar lo siguiente. El resultado de la potencia obtenida mediante la ecuación de aproximación de la potencia de Abella, representada en la figura [32], es un valor de potencia de 106.14W, que comparándolo con la potencia máxima obtenida por la célula según el fabricante (106W), se obtiene un error relativo de aproximadamente el 0.13%. Por otro lado, según el modelo de simulación implementado en Simulink y que se ha tenido en cuenta la variación de los parámetros del panel según el modelo de Wagner, la potencia ideal máxima generada por el panel en cuestión es de 105.54W, que comparando este resultado con la potencia máxima generada por la célula según el fabricante (106W), se obtiene un error relativo de aproximadamente el 0.43%. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 88 | P á g i n a Por tanto, se puede concluir, que mediante la simulación en la que se tiene en cuenta la variación de los parámetros en condiciones estándar según el modelo de Wagner se consiguen unos resultados muy próximos al fabricante, siendo una aproximación fiable en cuanto a la obtención de resultados no absolutos. Mediante la simulación de cualquier panel, empleando el programa desarrollado, va a presentar unos resultados fiables y relativos para poder comparar cualquier tipo de panel, de cualquier naturaleza y que implemente cualquier tecnología de célula. Cabe destacar, que actualmente en el mercado, cuando se va a implementar una instalación fotovoltaica, los fabricantes nos presentan diferentes módulos o paneles fotovoltaicos, no células aisladas, es por ello que este segundo programa, en el que se obtienen resultados de potencia a nivel de panel, tiene un mayor interés comercial que el primer modelo de simulación descrito en este documento. 5.6. SIMULACIÓN DE INSTALACIÓN FOTOVOLTAICA 5.6.1. INTRODUCCIÓN En este tercer y último programa de simulación se va a poder simular una célula, un panel, o una instalación fotovoltaica. La principal diferencia con respecto a los anteriores programas es que el usuario no va a teclear directamente las entradas de irradiancia y temperatura ambiente, sino que se va a programar un algoritmo que sea capaz de leer esos datos de un fichero por pares, obtenidos del programa de adquisición de datos anteriormente explicado en este documento, llamado Meteonorm. De esta forma, el usuario puede simular cualquiera de los tres elementos citados, en el tramo de tiempo de un año, en una situación especificada que él desee. Pudiendo elegir si los datos de irradiancia y temperatura ambiente de esa ciudad se sucedan minuto a minuto u hora a hora. Este último programa de simulación se ha realizado con el propósito de observar la evolución de la potencia simulada que es capaz de generar un elemento fotovoltaico en una ubicación especifica del mundo en la que se quiera, por ejemplo, desarrollar una instalación fotovoltaica completa. Para llevar a cabo lo enunciado se ha desarrollado un programa basado en los dos anteriores, tal y como se va a explicar a continuación en el siguiente apartado del documento. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 89 | P á g i n a 5.6.2. ESTRUCTURA Y EXPLICACIÓN DEL PROGRAMA 5.6.2.1. Código de Matlab Como bien se ha explicado, este programa de simulación se ha basado en el principio de funcionamiento de los dos programas desarrollados anteriormente. En este caso, lo que se va a parametrizar es el o los paneles que constituyen la instalación fotovoltaica, y mediante lo visto en el anterior programa de simulación, en el que se ejecutaba un panel fotovoltaico, se va a trabajar a nivel de célula y posteriormente extrapolando de nuevo a panel o en su caso, a instalación fotovoltaica, si existen varios paneles en la instalación de energía fotovoltaica que se quiere simular. Entonces, como muchas de las funciones que se emplean en este nuevo programa de simulación ya han sido explicadas anteriormente, solo se incidirá sobre aquellas que resulten novedosas en este modelo de simulación. ▪ EjecucionInstalacion.m EjecucionInstalacion va a ser el script principal de este proyecto de simulación, el cual, al igual que los script principales de los anteriores programas desarrollados, va a dedicarse a organizar todas las funciones y el modelo de Simulink que intervenga en este tercer programa de simulación en el ámbito de la fotovoltaica. Cabe destacar, que a diferencia de los anteriores main, este va a programarse de tal manera que permita la ejecución cíclica, ya que lo que se pretende en este proyecto es la obtención de las entradas (Ta y G) de un fichero durante un tramo de tiempo especificado. ▪ Parametros.m En esta función, al igual, que en el anterior programa, se van a introducir por teclado los parámetros en condiciones estándar del tipo de panel que constituya la instalación a simular. ▪ cargaParamPanel.m La función cargaParamPanel es idéntica a su función homóloga, que tiene el mismo nombre, en el anterior programa donde se simulaba un único panel solar. Su funcionamiento es exactamente el mismo. ▪ EligePanel.m Una vez ejecutadas las dos funciones anteriores en el script principal de este proyecto, se pasa a especificar el número de células que posee el tipo de panel que se va a emplear en la instalación fotovoltaica a simular. Escuela de Ingenierías Industriales – UVa. 96 | P á g i n a Por último, quería destacar la importancia en este proyecto, de la parte de adquisición de datos por parte del programa Meteonorm, ya que gracias a esta herramienta he podido manejar datos de irradiancia y temperatura ambiente reales, de tal forma que las células, paneles e instalaciones simuladas se han visto ante entradas realistas, que dependiendo de su posible ubicación en la realidad, pueden ser favorables o desfavorables para la generación de energía por parte de la instalación fotovoltaica. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 97 | P á g i n a 6. CONCLUSIONES GENERALES DEL PROYECTO Para concluir el proyecto que se ha realizado en el presente documento, es necesario exponer una serie de consideraciones finales y así finalizar la realización del mismo. En primer lugar, en el trabajo desarrollado a cerca la energía solar fotovoltaica, cabe decir que se ha realizado un estudio del estado del arte de las tecnologías de célula e innovaciones venideras en un futuro próximo. En cuanto a los materiales que predominan en la actualidad a la hora de la fabricación de dispositivos fotovoltaicos cabría destacar el silicio, ya que es el material preponderante en el mercado actualmente. Sin embargo, como se ha recogido en este documento, existen diversas ramas de investigación. Como pueden ser los nuevos materiales que se están descubriendo paulatinamente para intentar competir con la hegemonía del silicio o las diferentes técnicas de fabricación que se están desarrollando para el abaratamiento general de costes de construcción. Además, este estudio sobre la situación actual de la fotovoltaica permite obtener una vista global de las tecnologías y materiales que se van a emplear en un futuro no muy lejano, y que se instaurarán en cualquier tipo de instalación fotovoltaica que se pueda observar en cualquier ubicación mundial. Por otro lado, lo que es la parte práctica del proyecto, he de decir que se ha desarrollado un sistema de simulación bastante robusto para la prueba de diferentes dispositivos fotovoltaicos y para la observación de su comportamiento ante diferentes condiciones climáticas, con diferentes irradiancias y temperaturas, ante las que se puede situar una instalación fotovoltaica. Mediante el sistema de simulación planteado, se ha conseguido obtener una estimación de la potencia generada por los elementos fotovoltaicos, estando listo de esta manera su posible utilización para la siguiente etapa de la instalación, que sería material suficiente para desarrollar otro trabajo fin de grado como el realizado. De esta manera continuista, se ha pretendido obtener los resultados y no solo contrastarlos, sino almacenarlos para, como bien he dicho, poder emplearlos en un futuro en diversos proyectos para la continua y completa simulación de una instalación fotovoltaica. De forma global, se podría decir que en esta vertiente de la investigación, la tecnología fotovoltaica requiere una creciente importancia. Esto es debido a que las diferentes formas de obtención de energía en las que se emplean recursos fósiles cada vez son más problemáticas para la sociedad y ecosistemas del mundo entero. Es por ello, que un intenso estudio sobre las diversas vías posibles para la instalación de sistemas de energía fotovoltaica puede ser vital para la obtención total de la energía demandada en un futuro. Todo ello, sin existir una gran dependencia de recursos, salvo los materiales con los que se fabrican los dispositivos fotovoltaicos y la fuente de energía necesaria para su funcionamiento. Estudio de las células y paneles de una instalación fotovoltaica. 99 | P á g i n a 7. BIBLIOGRAFÍA [1]. Rasero, C. M. (2011). Energía solar fotovoltaica. Energía solar fotovoltaica, situación actual. [2]. Venkateswari, R., & Sreejith, S. (2019). Factors influencing the efficiency of photovoltaic system. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 101, 376394. [3]. Abella, M. A. (2005). Sistemas fotovoltaicos. SAPT Publicaciones Técnicas, SL. [4]. de Telecomunicación, C. O. D. I. (2002). Energía solar fotovoltaica. Editorial Ibergraphi, España. [5]. Lamigueiro, O. P. (2013). Energía solar fotovoltaica. 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