Bateria solar

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Batería solar , panel solar  : una combinación de convertidores fotoeléctricos ( fotocélulas ), dispositivos semiconductores que convierten directamente la energía solar en corriente eléctrica continua , en contraste con los colectores solares que calientan el material de transferencia de calor .

Diversos dispositivos que permiten convertir la radiación solar en energía térmica y eléctrica son objeto de investigación en energía solar (del griego helios Ήλιος , Helios - “Sol”). La producción de células fotovoltaicas y colectores solares se está desarrollando en diferentes direcciones. Los paneles solares vienen en una variedad de tamaños, desde los integrados en calculadoras hasta los que ocupan los techos de automóviles y edificios.

Por lo general, una planta de energía solar consta de uno o más paneles solares, un inversor y, en algunos casos, una batería y un seguidor solar.

Historia

En 1842, Alexandre Edmond Becquerel descubrió el efecto de convertir la luz en electricidad. Charles Fritts comenzó a usar selenio para convertir la luz en electricidad .  Los primeros prototipos de células solares fueron creados por el fotoquímico italiano Giacomo Luigi Chamician .

El 25 de abril de 1948 , especialistas de Bell Laboratories anunciaron la creación de las primeras células solares a base de silicio para producir corriente eléctrica. Este descubrimiento fue realizado por tres empleados de la empresa: Calvin Souther Fuller, Daryl Chapin y Gerald Pearson. La eficiencia de su batería solar era del 6% [1] . Durante la conferencia de prensa, la batería sirvió con éxito como fuente de energía para una "rueda de la fortuna" de juguete y un transmisor de radio [2] . Ya 10 años después, el 17 de marzo de 1958, se lanzó un satélite en los EE. UU. utilizando paneles solares: Avangard-1 . El 15 de mayo de 1958, la URSS también lanzó un satélite con paneles solares, el Sputnik-3 .

Tipos de celdas solares

Tres tipos de celdas solares. Cada uno de estos tipos de celdas solares está hecho de una manera única y tiene una estética diferente.

  1. monocristalino
  2. policristalino
  3. Células solares de película delgada

Uso

Electrónica portátil

Para proporcionar electricidad y/o recargar baterías de diversos aparatos electrónicos de consumo - calculadoras, reproductores, linternas, etc.

Coches eléctricos

Para la recarga de vehículos eléctricos .

Aviación

Uno de los proyectos para crear un avión que utilice únicamente energía solar es Solar Impulse .

Suministro energético de edificios

Las celdas solares de gran tamaño, como los colectores solares, se utilizan ampliamente en regiones tropicales y subtropicales con una gran cantidad de días soleados. Especialmente populares en los países mediterráneos , donde se colocan en los tejados de las casas.

Los nuevos hogares españoles se han equipado con calentadores de agua solares desde marzo de 2007 para proporcionar entre el 30% y el 70% de sus necesidades de agua caliente, dependiendo de la ubicación del hogar y el consumo de agua esperado. Los edificios no residenciales (centros comerciales, hospitales, etc.) deben contar con equipos fotovoltaicos [3] .

Actualmente, la transición a los paneles solares está causando muchas críticas entre la gente. Esto se debe al aumento de los precios de la electricidad, el desorden del paisaje natural. Quienes se oponen a la transición a los paneles solares critican tal transición, ya que los propietarios de casas y terrenos en los que se instalan paneles solares y parques eólicos reciben subsidios del estado, mientras que los inquilinos ordinarios no. En este sentido, el Ministerio Federal de Economía de Alemania ha elaborado un proyecto de ley que permitirá en un futuro próximo introducir beneficios para los inquilinos que vivan en viviendas que cuenten con energía procedente de instalaciones fotovoltaicas o centrales térmicas de bloque. Junto con el pago de subsidios a los propietarios de viviendas que utilicen fuentes alternativas de energía, se prevé el pago de subsidios a los inquilinos que vivan en estas viviendas. [cuatro]

Abastecimiento energético de los asentamientos

Superficie de la carretera

Paneles solares como superficie de la carretera :

Uso en el espacio

Los paneles solares son una de las principales formas de obtener energía eléctrica en las naves espaciales : funcionan durante mucho tiempo sin consumir ningún material y, al mismo tiempo, son respetuosos con el medio ambiente, a diferencia de las fuentes de energía nuclear y de radioisótopos .

Sin embargo, al volar a gran distancia del Sol, su uso se vuelve problemático, ya que el flujo de energía solar es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol. En Marte , el poder de los paneles solares es la mitad que en la Tierra, y cerca de los planetas distantes de los gigantes del sistema solar, el poder cae tanto que hace que los paneles solares sean casi completamente inútiles. Al volar a los planetas interiores , Venus y Mercurio , el poder de las baterías solares, por el contrario, aumenta significativamente: en la región de Venus por 2 veces, y en la región de Mercurio por 6 veces.

Uso médico

Científicos de Corea del Sur han desarrollado una célula solar subcutánea. Se puede implantar una fuente de energía en miniatura debajo de la piel de una persona para garantizar el buen funcionamiento de los dispositivos implantados en el cuerpo, como un marcapasos. Dicha batería es 15 veces más delgada que un cabello y se puede recargar incluso si se aplica protector solar en la piel [8] .

Eficiencia de fotocélulas y módulos

La potencia del flujo de radiación solar a la entrada de la atmósfera terrestre (AM0) es de unos 1366 vatios [9] por metro cuadrado (ver también AM1, AM1.5, AM1.5G, AM1.5D [10] [11] ) . Al mismo tiempo, la potencia específica de la radiación solar en Europa con tiempo muy nublado, incluso durante el día, puede ser inferior a 100 W/m² [12] . . Con la ayuda de celdas solares comunes producidas comercialmente, es posible convertir esta energía en electricidad con una eficiencia de 9-24% . En 2020, el precio de los paneles solares ha bajado a 0,15 - 0,33 USD/W, según el tipo y la potencia del panel [13] . En 2019, el costo de la electricidad generada por las estaciones solares industriales alcanzó los 0,068 USD por kWh [14] . En 2021, el precio mayorista de las células solares disminuyó a 0,07 - 0,08 USD/W [15] .

Las fotocélulas y módulos se dividen según el tipo y son: monocristalinas, policristalinas, amorfas (flexibles, de película).

En 2009, Spectrolab (una subsidiaria de Boeing) demostró una celda solar con una eficiencia del 41,6% [16] . En enero de 2011, se esperaba que las células solares de esta empresa ingresaran al mercado con una eficiencia del 39% [17] . En 2011, Solar Junction, con sede en California, logró una eficiencia del 43,5 % para una fotocélula de 5,5 x 5,5 mm, un 1,2 % más que el récord anterior [18] .

En 2012, Morgan Solar creó el sistema Sun Simba a partir de polimetilmetacrilato (plexiglás), germanio y arseniuro de galio mediante la combinación de un concentrador con un panel en el que se monta una fotocélula. La eficiencia del sistema en una posición estacionaria del panel fue del 26-30% (dependiendo de la época del año y del ángulo en el que se encuentre el Sol), el doble de la eficiencia práctica de las fotocélulas basadas en silicio cristalino [19] .

En 2013, Sharp creó una fotocélula de tres capas de tamaño 4 × 4 mm basada en arseniuro de indio y galio con una eficiencia del 44,4% [20] , y un grupo de especialistas del Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar, Soitec, CEA-Leti y el Centro de Berlín que lleva el nombre de Helmholtz , crearon una fotocélula utilizando lentes de Fresnel con una eficiencia del 44,7 %, superando su propio logro del 43,6 % [21] . En 2014, el Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar creó baterías solares, en las que, debido a que una lente enfoca la luz en una fotocélula muy pequeña, la eficiencia fue del 46% [22][23] .

En 2014, científicos españoles desarrollaron una célula fotovoltaica de silicio capaz de convertir la radiación infrarroja del Sol en electricidad [24] .

Una dirección prometedora es la creación de fotocélulas basadas en nanoantenas , que operan en la rectificación directa de corrientes inducidas en una antena pequeña (del orden de 200-300 nm) por luz (es decir, radiación electromagnética con una frecuencia de alrededor de 500 THz) . Las nanoantenas no requieren materias primas costosas para su producción y tienen una eficiencia potencial de hasta el 85 % [25] [26] .

Asimismo, en 2018, con el descubrimiento del efecto flexo-fotovoltaico, se descubrió la posibilidad de aumentar la eficiencia de las células fotovoltaicas [27] . Debido a la prolongación de la vida de los portadores calientes (electrones), el límite teórico de su eficiencia ha aumentado del 34 al 66 por ciento a la vez [28] .

En 2019, científicos rusos del Instituto Skolkovo de Ciencia y Tecnología (Skoltech) , Instituto de Química Inorgánica. AV. Nikolaev de la rama siberiana de la Academia Rusa de Ciencias (SB RAS) y el Instituto de Problemas de Física Química de la RAS recibieron un material semiconductor fundamentalmente nuevo para células solares, desprovisto de la mayoría de las deficiencias de los materiales utilizados en la actualidad [29] . Un grupo de investigadores rusos publicó en la revista Journal of Materials Chemistry A [30] los resultados de su trabajo sobre el uso de un nuevo material semiconductor desarrollado por ellos para células solares: un yoduro de bismuto polimérico complejo ({[Bi 3 I 10 ]} y {[BiI 4 ]} ), estructuralmente similar al mineral perovskita (titanato de calcio natural), que mostró una tasa récord de conversión de luz en electricidad. [30] [31] El mismo grupo de científicos creó un segundo semiconductor similar basado en bromuro de antimonio complejo con una estructura similar a la perovskita. [32] [33]

Máximos valores de eficiencia de fotocélulas y módulos
alcanzados en condiciones de laboratorio [34]
Tipo de Factor de conversión fotoeléctrica, %
Silicio 24.7
Si (cristalino)
Si (policristalino)
Si (transferencia de película delgada)
Si (submódulo de película delgada) 10.4
III-V
GaAs (cristalino) 25.1
GaAs (película delgada) 24.5
GaAs (policristalino) 18.2
InP (cristalino) 21,9
Películas delgadas de calcogenuros
CIGS (fotocélula) 19.9
CIGS (submódulo) 16.6
CdTe (fotocélula) 16.5
Silicio amorfo/nanocristalino
Si (amorfo) 9.5
Si (nanocristalino) 10.1
Fotoquímico
A base de colorantes orgánicos 10.4
A base de colorantes orgánicos (submódulo) 7.9
orgánico
polímero orgánico 5.15
multicapa
GananciaP/GaAs/Ge 32,0
GananciaP/GaAs 30.3
GaAs/CIS (película delgada) 25,8
a-Si/mc-Si (submódulo delgado) 11.7

Factores que afectan la eficiencia de las celdas solares

Las características de la estructura de las fotocélulas provocan una disminución en el rendimiento de los paneles con el aumento de la temperatura.

La atenuación parcial del panel provoca una caída en el voltaje de salida debido a pérdidas en el elemento no iluminado, que comienza a actuar como una carga parásita. Este inconveniente se puede eliminar instalando un bypass en cada fotocélula del panel. En tiempo nublado, en ausencia de luz solar directa, los paneles que utilizan lentes para concentrar la radiación se vuelven extremadamente ineficientes, ya que el efecto de la lente desaparece.

De la característica de funcionamiento del panel fotovoltaico se puede deducir que para lograr la mayor eficiencia, se requiere la selección correcta de la resistencia de carga. Para ello, los paneles fotovoltaicos no se conectan directamente a la carga, sino que utilizan un controlador de gestión del sistema fotovoltaico que asegura el óptimo funcionamiento de los paneles.

Desventajas de la energía solar

Las plantas de energía solar son criticadas por los altos costos, así como por la baja estabilidad de los haluros de plomo complejos y la toxicidad de estos compuestos. Se están desarrollando activamente semiconductores sin plomo para baterías solares, por ejemplo, basados ​​en bismuto [30] y antimonio .

Debido a su baja eficiencia, que llega al 20 por ciento en el mejor de los casos, los paneles solares se calientan mucho. El 80 por ciento restante de la energía solar calienta los paneles solares a una temperatura promedio de alrededor de 55°C. Con un aumento de la temperatura de una celda fotovoltaica de 1°C, su eficiencia cae un 0,5%. Los elementos activos de los sistemas de refrigeración (ventiladores o bombas) que bombean el refrigerante consumen una cantidad importante de energía, requieren un mantenimiento periódico y reducen la fiabilidad de todo el sistema. Los sistemas de refrigeración pasivos tienen un rendimiento muy bajo y no pueden hacer frente a la tarea de refrigeración de los paneles solares [36] .

Producción de módulos solares

Muy a menudo, las fotocélulas individuales no producen suficiente energía. Por lo tanto, un cierto número de células fotovoltaicas se combinan en los llamados módulos solares fotovoltaicos y se monta un refuerzo entre las placas de vidrio. Esta compilación se puede automatizar por completo [37] .

Los 6 principales fabricantes

Los mayores fabricantes de células fotovoltaicas (por potencia total) en 2020 [38] . [39]

  1. poder del sol
  2. LARGO
  3. jinko solar
  4. trina solar
  5. JA solar
  6. energía solar canadiense

Véase también

Notas

  1. ↑ Perlín, John. Las células solares de silicio cumplen 50 años  . Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) (agosto de 2004).
  2. ↑ Este mes en Historia de la física  . www.aps.org . Recuperado: 13 de marzo de 2021.
  3. ↑ España exige que los nuevos edificios utilicen energía solar
  4. ↑ Los inquilinos de casas con paneles solares recibirán un subsidio , Germania.one .
  5. ↑ Francia construirá 1.000 km de carreteras con paneles solares
  6. ↑ Francia abre la primera carretera de paneles solares , theUK.one .
  7. ↑ Semáforo autónomo alimentado por energía solar - comprar en Moscú, precio . lumenstar.ru Recuperado: 5 de noviembre de 2019.
  8. ↑ TASS: Ciencia - Científicos surcoreanos han creado una batería solar subcutánea
  9. ↑ "Espectros solares: masa de aire cero"
  10. ^ "Tecnologías solares fotovoltaicas" (enlace no disponible) . Fecha de acceso: 7 de febrero de 2012. Archivado desde el original el 26 de mayo de 2012. 
  11. ↑ "Irradiación espectral solar de referencia: masa de aire 1,5"
  12. ↑ Basado en materiales: www.ecomuseum.kz  (enlace inaccesible)
  13. ↑ revista pv.  Índice de precios del módulo  ? . p.v.magazine Internacional . Recuperado: 22 de febrero de 2021.
  14. ↑ Costos de generación de energía renovable en  2019 . /publications/2020/jun/Renewable-Power-Costs-in-2019 . Recuperado: 22 de febrero de 2021.
  15. ↑ Pimienta policristalina 5bb 156,75 mm 157 mm Mcce Alta eficiencia PID Resistente Certificado Tuv Células solares de precio medio recortado de polietileno: compre Célula solar policristalina 5bb, Célula solar policristalina 156 5bb, Célula solar policristalina de medio corte Producto de ángulo recto en Alibaba.com . www.alibaba.com . Fecha de acceso: 23 de abril de 2021.
  16. ↑ Los australianos establecen un nuevo récord de eficiencia de paneles solares (enlace inaccesible) . membrana _ Membrana (28 de agosto de 2009). Consultado el 6 de marzo de 2011. Archivado desde el original el 25 de junio de 2012. 
  17. ↑ Los paneles solares ingresan al mercado con una eficiencia récord . membrana _ Membrana (25 de noviembre de 2010). Recuperado: 6 de marzo de 2011.
  18. ↑ Solar Junction rompe el récord mundial de energía solar concentrada con una eficiencia del 43,5 %
  19. ↑ Cómo concentrar la luz solar sin concentradores
  20. ↑ Sharp ha desarrollado una fotocélula concentradora con una eficiencia del 44,4% (enlace inaccesible) . Consultado el 11 de julio de 2013. Archivado desde el original el 30 de marzo de 2014. 
  21. ↑ Nuevo récord de eficiencia de fotocélulas: 44,7%
  22. ↑ CIENTÍFICOS DEL INSTITUTO FRUNHOFER PARA SISTEMAS DE ENERGÍA SOLAR DESARROLLAN BATERÍAS SOLARES CON 46% DE EFECTIVIDAD Y ESTE ES UN NUEVO RÉCORD MUNDIAL
  23. ↑ Nuevo récord mundial de eficiencia de células solares al 46 % - Fraunhofer ISE
  24. ↑ Fotodiodo de resonador Mie esférico totalmente de silicio con respuesta espectral en la región infrarroja
  25. ↑ B. Berland. Las fotocélulas van más allá del horizonte: Rectennas ópticas de paneles solares  . Laboratorio Nacional de Energía Renovable de EE. UU. (2003). Fecha de acceso: 4 de abril de 2015.
  26. ↑ Krasnok AE, Maksimov I S, Denisyuk A I, Belov PA, Miroshnichenko AE, Simovsky K R, Kivshar Yu S. Nanoantenas ópticas  // Uspekhi fizicheskikh nauk . - 2013. - T. 183 , N º 6 . — S. 561–589 . - doi : 10.3367/UFNr.0183.201306a.0561 .
  27. ↑ Alejandro Dubov. Los físicos extrajeron energía adicional de los paneles solares . nplus1.ru. Recuperado: 25 Abril 2018.
  28. ↑ Alejandro Dubov. Los químicos han extendido la vida de los electrones calientes en las baterías de perovskita . nplus1.ru. Recuperado: 20 junio 2018.
  29. ↑ Sofía Alimova. Científicos rusos han desarrollado un nuevo material para paneles solares . Noticias del Pueblo de Rusia. Fecha de acceso: 14 de mayo de 2019.
  30. ↑ 1 2 3 Pavel A. Troshin, Vladimir P. Fedin, Maxim N. Sokolov, Keith J. Stevenson, Nadezhda N. Dremova. Yodobismutatos poliméricos {[Bi3I10 } y {[BiI4]} con cationes N-heterocíclicos: prometedores materiales fotoactivos similares a la perovskita para dispositivos electrónicos]  //  Journal of Materials Chemistry A. - 2019-03-12. — vol. 7 , edición. 11 _ — Pág. 5957–5966 . — ISSN 2050-7496 . -doi : 10.1039/ C8TA09204D .
  31. ↑ Rusia ha desarrollado un nuevo semiconductor para paneles solares. ¡No es tóxico y es muy efectivo! - Alta tecnología . hightech.fm. Fecha de acceso: 14 de mayo de 2019.
  32. ↑ Rusia ha creado un nuevo material semiconductor para paneles solares . TASS. Fecha de acceso: 14 de mayo de 2019.
  33. ↑ Los científicos de Skoltech desarrollan nuevos materiales semiconductores para la electrónica . ciencia-desnuda.ru. Fecha de acceso: 14 de mayo de 2019.
  34. ↑ Máximos valores de eficiencia de fotocélulas y módulos alcanzados en condiciones de laboratorio (enlace inaccesible) . Nitol Solar Limited. Archivado desde el original el 17 de julio de 2008. 
  35. ↑ Lapaeva Olga Fedorovna. Transformación del sector energético de la economía en la transición a tecnologías de ahorro de energía y fuentes de energía renovables  // Boletín de la Universidad Estatal de Orenburg. - 2010. - Edición. 13 (119) .
  36. ↑ David Szondy. Investigadores de Stanford desarrollan celdas solares autoenfriantes.  (Inglés) . gizmag.com (25 de julio de 2014). Recuperado: 6 junio 2016.
  37. ↑ Producción de un módulo solar fotovoltaico . Consultado el 14 de agosto de 2011. Archivado desde el original el 25 de junio de 2012.
  38. ↑ Thomas Edison. Última lista de paneles solares de nivel 1 2020 (actualización Q1, Q2). revisión solar.  (Inglés)  ? . Revista solar (22 de mayo de 2020). Fecha de acceso: 20 de febrero de 2021.
  39. ↑ ¿Las mejores empresas   de energía solar ? (6 de julio de 2021). Fecha de acceso: 1 de octubre de 2021.

Enlaces

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