Principio de funcionamiento de un panel solar: cómo está diseñado y funciona un panel solar

La transformación eficiente de los rayos gratuitos del sol en energía que se puede utilizar para el suministro eléctrico de viviendas y otros objetos es el sueño anhelado de muchos defensores de la energía verde.

Pero el principio de funcionamiento del panel solar y su rendimiento son tales que aún no se puede hablar de una alta eficiencia de estos sistemas. No estaría mal contar con su propia fuente adicional de electricidad. ¿No es así? Más aún cuando hoy en día, incluso en Rusia, un buen número de hogares particulares ya se abastecen con éxito de electricidad "gratuita" mediante paneles solares. ¿Todavía no sabe por dónde empezar?

A continuación le explicaremos la estructura y los principios de funcionamiento de un panel solar, y conocerá de qué depende la eficiencia del sistema solar. Y los videos incluidos en el artículo le ayudarán a montar usted mismo un panel solar a partir de fotocélulas.

Paneles solares: terminología

En la temática de la «energía solar» hay muchos matices y confusiones. A menudo, a los principiantes les resulta difícil comprender todos los términos desconocidos al principio. Pero sin esto, no es razonable dedicarse a la energía solar, adquiriendo equipos para generar corriente "solar".

Por desconocimiento, no solo se puede elegir un panel inadecuado, sino también simplemente quemarlo al conectarlo o extraer de él una cantidad demasiado insignificante de energía.

Primero, es necesario comprender las variedades existentes de equipos para energía solar. Los paneles solares y los colectores solares son dos dispositivos fundamentalmente diferentes. Ambos transforman la energía de los rayos del sol.

Sin embargo, en el primer caso el consumidor obtiene energía eléctrica a la salida, y en el segundo, energía térmica en forma de un portador de calor caliente, es decir, las placas solares se utilizan para la calefacción del hogar.

Se podrá obtener el máximo rendimiento de un panel solar solo si se sabe cómo funciona, de qué componentes y piezas está compuesto y cómo se conecta todo correctamente.

El segundo matiz es el concepto del término 'panel solar'. Normalmente, la palabra 'batería' se refiere a un dispositivo que acumula energía eléctrica. O bien se piensa en un radiador de calefacción común. Sin embargo, en el caso de los paneles solares, la situación es radicalmente diferente. No acumulan nada en su interior.

El panel solar genera corriente eléctrica continua. Para convertirla en corriente alterna (utilizada en el hogar), el circuito debe incluir un inversor.

Los paneles solares están diseñados exclusivamente para generar corriente eléctrica. Esta, a su vez, se acumula para suministrar electricidad a la casa durante la noche, cuando el sol se pone, en las baterías adicionales presentes en el sistema de suministro de energía.

Batería aquí se entiende en el contexto de un conjunto de componentes similares reunidos en una unidad. En realidad, es simplemente un panel de varias células fotovoltaicas idénticas.

Estructura interna del panel solar

Poco a poco, los paneles solares se vuelven más baratos y eficientes. Ahora se utilizan para recargar baterías en farolas, teléfonos inteligentes, vehículos eléctricos, casas particulares y satélites en el espacio. Incluso se han comenzado a construir centrales solares completas (CS) con grandes volúmenes de generación.

El panel solar está compuesto por múltiples células fotovoltaicas (convertidores fotovoltaicos FV) que transforman la energía de los fotones del sol en energía eléctrica.

Cada panel solar está estructurado como un bloque de una cierta cantidad de módulos, que combinan fotoceldas semiconductoras conectadas en serie. Para entender los principios de funcionamiento de dicho panel, es necesario comprender el funcionamiento de este eslabón final en el dispositivo del panel solar, basado en semiconductores.

Tipos de cristales de las fotocélulas

Existe una gran cantidad de variantes de fotoceldas (FEP) de diferentes elementos químicos. Sin embargo, la mayoría de ellas son desarrollos en etapas iniciales. A escala industrial, actualmente solo se producen paneles basados en fotoceldas de silicio.

Los semiconductores de silicio se utilizan en la fabricación de paneles solares debido a su bajo costo; no pueden presumir de una eficiencia particularmente alta.

Una fotocelda típica en un panel solar es una placa delgada de dos capas de silicio, cada una con sus propias propiedades físicas. Se trata de una unión p-n semiconductora clásica con pares electrón-hueco.

Cuando los fotones inciden sobre la fotocelda, debido a la inhomogeneidad del cristal, se forma una foto-FEM de barrera entre estas capas semiconductoras, lo que da lugar a una diferencia de potencial y una corriente de electrones.

Las placas de silicio de las fotoceldas se diferencian por la tecnología de fabricación en:

1. Monocristalinas.
2. Policristalinas.

Las primeras tienen una mayor eficiencia, pero su costo de producción es más alto que el de las segundas. Externamente, una opción se puede distinguir de la otra en un panel solar por la forma.

Las células fotovoltaicas monocristalinas tienen una estructura homogénea, se fabrican en forma de cuadrados con las esquinas cortadas. A diferencia de ellas, las células policristalinas tienen forma estrictamente cuadrada.

Los policristales se obtienen mediante el enfriamiento gradual del silicio fundido. Este método es extremadamente simple, por lo que estas células fotovoltaicas son económicas.

Pero su rendimiento en términos de generación de electricidad a partir de la luz solar rara vez supera el 15%. Esto se debe a la 'impureza' de las obleas de silicio obtenidas y a su estructura interna. Aquí, cuanto más pura es la capa p de silicio, mayor es la eficiencia de las células fotovoltaicas fabricadas con él.

La pureza de los monocristales en este aspecto es mucho mayor que la de los análogos policristalinos. Se fabrican no a partir de silicio fundido, sino a partir de un cristal de silicio íntegro cultivado artificialmente. El coeficiente de conversión fotovoltaica de estas células alcanza ya el 20-22%.

Las células fotovoltaicas individuales se ensamblan en un módulo sobre un marco de aluminio, y para protegerlas se cubren con un vidrio resistente que no obstaculiza en absoluto los rayos del sol.

La capa superior de la oblea fotovoltaica orientada al sol está hecha del mismo silicio, pero con la adición de fósforo. Este último es la fuente de electrones excedentes en el sistema de unión p-n.

Un verdadero avance en el uso de la energía solar fue el desarrollo de paneles flexibles con silicio fotovoltaico amorfo:

Principio de funcionamiento del panel solar

Cuando los rayos solares inciden sobre la célula fotovoltaica, se generan pares electrón-hueco no equilibrados. Los electrones excedentes y los 'huecos' se transfieren parcialmente a través de la unión p-n de una capa semiconductora a otra.

Como resultado, aparece un voltaje en el circuito externo. En el contacto de la capa p se forma el polo positivo de la fuente de corriente, y en la capa n, el polo negativo.

La diferencia de potencial (voltaje) entre los contactos de la fotocélula aparece debido al cambio en el número de «huecos» y electrones en los lados opuestos de la unión p-n como resultado de la irradiación de la capa n con rayos solares.

Los fotocélulas conectados a una carga externa en forma de batería forman un circuito cerrado con ella. Como resultado, el panel solar funciona como una especie de rueda sobre la que los electrones corren como ardillas. Y la batería va acumulando carga gradualmente.

Los convertidores fotoeléctricos de silicio estándar son elementos de unión simple. En ellos, el flujo de electrones ocurre solo a través de una unión p-n con una zona de energía de fotones limitada de esa unión.

Es decir, cada una de esas fotocélulas solo puede generar electricidad a partir de un estrecho espectro de radiación solar. El resto de la energía se desperdicia. Por eso la eficiencia de los FEP es tan baja.

Para aumentar la eficiencia de los paneles solares, recientemente se han fabricado los elementos semiconductores de silicio como multiunión (en cascada). En los nuevos FEP ya hay varias uniones. Además, cada una de ellas en esta cascada está diseñada para su propio espectro de rayos solares.

La eficiencia total de conversión de fotones en corriente eléctrica en tales fotocélulas aumenta. Pero también su precio es considerablemente mayor. Aquí se trata de elegir entre simplicidad de fabricación con bajo costo y baja eficiencia, o una mayor producción junto con un alto costo.

El panel solar puede funcionar tanto en verano como en invierno (necesita luz, no calor) – cuanto menos nubosidad y más brillante brille el sol, más corriente eléctrica generará el panel solar.

Durante el funcionamiento, la fotocélula y todo el panel se calientan gradualmente. Toda la energía que no se utilizó para generar corriente eléctrica se transforma en calor. A menudo, la temperatura en la superficie del panel solar alcanza los 50–55 °C. Pero cuanto más alta es, menos eficientemente funciona el elemento fotovoltaico.

En consecuencia, un mismo modelo de panel solar genera menos corriente en climas cálidos que en climas fríos. Las fotocélulas muestran su máxima eficiencia en un día claro de invierno. Aquí influyen dos factores: mucha luz solar y enfriamiento natural.

Además, si cae nieve sobre el panel, seguirá generando electricidad. Es más, los copos de nieve ni siquiera tendrán tiempo de permanecer mucho sobre él, derritiéndose por el calor de las fotocélulas calentadas.

Eficiencia de los paneles del sistema solar

Una sola fotocélula, incluso al mediodía con tiempo despejado, produce muy poca electricidad, apenas suficiente para hacer funcionar una linterna LED.

Para aumentar la potencia de salida, varias FEP se conectan en paralelo para aumentar el voltaje continuo y en serie para aumentar la corriente.

La eficiencia de los paneles solares depende de:

• la temperatura del aire y del propio panel;
• la correcta selección de la resistencia de carga;
• el ángulo de incidencia de los rayos solares;
• la presencia/ausencia de un revestimiento antirreflejos;
• potencia del flujo luminoso.

Cuanto menor es la temperatura exterior, más eficazmente funcionan las células fotovoltaicas y el panel solar en general. Aquí todo es sencillo. Pero con el cálculo de la carga la situación es más compleja. Debe seleccionarse en función de la corriente que suministra el panel. Pero su magnitud varía según los factores climáticos.

Los paneles solares se fabrican con una tensión de salida múltiplo de 12 V – si se necesita suministrar 24 V a la batería, entonces dos paneles deberán conectarse en paralelo.

Es problemático monitorear constantemente los parámetros de la batería solar y ajustar manualmente su funcionamiento. Para ello, es mejor utilizar un controlador de gestión, que en modo automático ajusta por sí mismo la configuración del panel solar para lograr de él el máximo rendimiento y los modos de funcionamiento óptimos.

El ángulo ideal de incidencia de los rayos solares sobre el panel solar es perpendicular. Sin embargo, con una desviación dentro de los 30 grados respecto a la perpendicular, la eficiencia del panel cae solo alrededor del 5%. Pero al aumentar aún más este ángulo, una mayor proporción de la radiación solar se reflejará, reduciendo así el rendimiento de las células fotovoltaicas.

Si se requiere que el panel genere la máxima energía en verano, entonces debe orientarse perpendicularmente a la posición media del Sol, que ocupa en los equinoccios de primavera y otoño.

Para la región de Moscú, esto es aproximadamente 40–45 grados respecto al horizonte. Si se necesita el máximo en invierno, entonces el panel debe colocarse en una posición más vertical.

Y otro punto: el polvo y la suciedad reducen considerablemente el rendimiento de las células fotovoltaicas. Los fotones simplemente no llegan a ellas a través de esa barrera 'sucia', por lo que no hay nada que convertir en electricidad. Los paneles deben limpiarse regularmente o colocarse de manera que el polvo se elimine con la lluvia por sí solo.

Algunos paneles solares tienen lentes incorporadas para concentrar la radiación en las células fotovoltaicas. En tiempo despejado, esto aumenta el rendimiento. Sin embargo, en condiciones de nubosidad intensa, estas lentes solo causan daño.

Si un panel normal en esta situación continúa generando corriente, aunque en menor cantidad, el modelo con lentes dejará de funcionar casi por completo.

Lo ideal es que el sol ilumine uniformemente el panel de células fotovoltaicas. Si una de sus secciones queda sombreada, las células no iluminadas se convierten en una carga parásita. En esta situación, no solo no generan energía, sino que también la toman de los elementos que están funcionando.

Los paneles deben instalarse de modo que no haya árboles, edificios u otros obstáculos en el camino de los rayos solares.

Esquema de suministro eléctrico de una casa desde el sol

El sistema de suministro eléctrico solar incluye:

1. Paneles solares.
2. Controlador.
3. Baterías.
4. Inversor (transformador).

El controlador en este esquema protege tanto los paneles solares como las baterías. Por un lado, evita el flujo de corrientes inversas durante la noche y en tiempo nublado, y por el otro, protege las baterías contra sobrecarga o sobredescarga.

Las baterías para paneles solares deben seleccionarse con la misma antigüedad y capacidad, de lo contrario la carga y descarga se producirán de manera desigual, lo que provocará una reducción drástica de su vida útil.

Para transformar la corriente continua de 12, 24 o 48 voltios en corriente alterna de 220 voltios se necesita un inversor. No se recomienda utilizar baterías de automóvil en dicho esquema debido a su incapacidad para soportar recargas frecuentes. Lo mejor es gastar y adquirir baterías especiales de gel AGM o baterías OPzS inundables.

Conclusiones y video útil sobre el tema

Los principios de funcionamiento y los esquemas de conexión de las placas solares no son demasiado difíciles de entender. Y con los materiales de video que hemos recopilado a continuación, será aún más fácil comprender todas las sutilezas del funcionamiento e instalación de los paneles solares.

De manera clara y comprensible, cómo funciona una batería solar fotovoltaica, en todos los detalles:

Vea cómo están construidos los paneles solares en el siguiente video:

Ensamblaje de un panel solar a partir de fotocélulas por usted mismo:

Cada elemento en el sistema de suministro eléctrico solar de la casa de campo debe ser seleccionado correctamente. Las pérdidas de potencia inevitables ocurren en las baterías, transformadores y controlador. Y deben reducirse al mínimo, de lo contrario, la eficiencia ya bastante baja de los paneles solares se reducirá a cero.

¿Surgieron preguntas durante el estudio del material? ¿O conoce información valiosa sobre el tema del artículo y puede compartirla con nuestros lectores? Por favor, deje sus comentarios en el bloque a continuación.