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CIDEMCO investiga para la mejora del rendimiento de la energía solar fotovoltaica y su integración en la edificación.

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El término "fotovoltaico" significa, literalmente, "luz-electricidad". Los principios básicos de la tecnología solar fotovoltaica, basada en el efecto fotoeléctrico, surgieron en el siglo XIX, sin embargo, hasta los años 50 y 60 del pasado siglo no se empezaron a usar las células solares para generar energía. La tecnología se desarrolló en principio para aplicaciones espaciales, favorecida por los grandes avances que se produjeron en la tecnología del silicio para aplicaciones electrónicas.

Hoy en día, la energía solar fotovoltaica posee el potencial para contribuir de manera importante a la transición hacia un desarrollo sostenible de la economía mundial. Se trata de una energía limpia, que no genera ruidos, no genera emisiones de efecto invernadero en su fase de explotación y puede utilizarse para aplicaciones aisladas o para inyectar energía a la red eléctrica.

El mercado fotovoltaico actual ofrece sistemas fiables cuyo coste, sin embargo, aún no es competitivo en comparación con otras fuentes de generación de electricidad. Resulta por tanto necesaria una reducción importante en los precios de los sistemas.

En el sector fotovoltaico predominan las células basadas en obleas de silicio cristalino. La materia prima fundamental, el silicio, es abundante en la naturaleza y a nivel científico sus propiedades están bien caracterizadas, lo cual ha estado propiciado en parte por el espectacular desarrollo de la industria microelectrónica, también basada en el silicio, que ha generado una gran cantidad de conocimiento y experiencia al respecto.

A lo largo de los últimos años, los dos objetivos fundamentales que ha perseguido la investigación en energía solar fotovoltaica son, por una parte, la reducción del consumo del silicio y los costes del proceso de fabricación de los módulos, y por otra, el aumento en la eficiencia de los sistemas.

La reducción en el uso de silicio viene motivada por una escasez del silicio libre de impurezas que se requiere para fabricar las células, lo cual está motivando aumentos importantes en los costes de los sistemas fotovoltaicos. Las empresas que abastecen a la industria fotovoltaica de este material suministran también a la industria microelectrónica, lo cual, junto con una importante falta de previsión, ha supuesto un cuello de botella que no se resolverá a corto plazo. En realidad se podría utilizar un silicio con mayor grado de impurezas, obtenido por técnicas menos costosas, que actualmente se están desarrollando y optimizando. Sin embargo, y aunque se está trabajando en ello, la puesta en marcha de un número de plantas de producción suficiente para abastecer a la industria fotovoltaica no se dará a corto plazo.

Por otra parte, en los diferentes pasos del proceso de producción de obleas se pueden estudiar posibilidades de optimización en el uso del material, así como técnicas de reciclaje del mismo.

El aumento en la eficiencia de células y módulos es el otro factor clave para disminuir el coste de los sistemas fotovoltaicos. Un aumento de un 1% en la eficiencia de los sistemas supone una reducción de los costes totales por vatio pico (Wp) de un 5% aproximadamente.

Las eficiencias de los células de silicio cristalino alcanzan valores máximos de 24.7% en laboratorio, siendo bastante menores las de las células comerciales.

Las eficiencias de los paneles fotovoltaicos comerciales varían en la actualidad entre un 5 y un 15%. Estas cifras son mejorables, pero ello requiere importantes esfuerzos en investigación con enfoques novedosos, de manera que se pueda llegar al menos a rangos entre el 10 y el 30% en los próximos años. El precio actual de los paneles es de aproximadamente 3 €/Wp. Se espera reducir este precio a corto-medio plazo hasta 2 €/Wp, 1 €/Wp a medio-largo plazo y 0.5 €/Wp a largo plazo.

Esto ocurrirá si se dirigen los esfuerzos en I+D hacia los puntos más críticos y las áreas tecnológicas más susceptibles de lograr un proceso de mejora continuado para la energía solar fotovoltaica.

Entre las actividades que desarrolla el Área de Eficiencia Energética de CIDEMCO se encuentran numerosos proyectos de investigación en el campo de la energías renovables, incluyendo energía solar fotovoltaica, energía solar térmica, refrigeración solar y biocombustibles. La actividad investigadora de CIDEMCO en energía solar fotovoltaica se dirige actualmente, por una parte, hacia la integración de la energía solar fotovoltaica en la edificación, y, por otra, hacia la optimización de los procesos de conversión de luz solar en electricidad a nivel atómico. Para esto último se utilizan técnicas teóricas y experimentales bien conocidas en el campo de la nanociencia y la nanotecnología.

A nivel teórico, se pretende desarrollar, utilizando avanzados métodos de simulación computacional basados en la física cuántica, nuevos materiales semiconductores con una estructura de niveles de energía optimizada para la generación fotovoltaica de electricidad. Estos materiales se denominan semiconductores de banda intermedia y pueden dar lugar a nuevas células fotovoltaicas de muy alta eficiencia.

Los semiconductores de banda intermedia tienen un nivel de energía adicional en su estructura de niveles de energía -estructura de bandas-, de manera que fotones solares que de otro modo no serían aprovechados se utilizan para generar electricidad. Este mayor aprovechamiento de los fotones solares daría como resultado, en caso de hallarse un material de estas características, un importante aumento de la eficiencia de la conversión de energía solar en energía eléctrica. Teóricamente se podría alcanzar con este tipo de células hasta un 63% de eficiencia.

Se plantea por tanto una labor de investigación básica orientada al desarrollo de nuevos materiales semiconductores que sirvan de base para una nueva generación de células solares fotovoltaicas de eficiencias ampliamente superiores a las disponibles actualmente en el mercado.

Paralelamente, mediante un enfoque más experimental, se trabaja en la mejora de dos productos clave para la industria fotovoltaica: el vidrio que recubre los paneles fotovoltaicos y el copolímero etileno-acetato de vinilo (EVA) que se utiliza como encapsulante. Este trabajo se realiza en estrecha colaboración con una importante empresa del sector del vidrio y la principal empresa fabricante y distribuidora de EVA en Europa. La labor científica se realiza además en continua colaboración con varias universidades.

En general las células solares tienen la estructura vidrio-EVA-semiconductor-EVA-lámina posterior (ver figura 2). El vidrio que se utiliza habitualmente para los paneles fotovoltaicos es un vidrio templado extraclaro –con bajo contenido en sales de hierro- que alcanza transmisiones de hasta el 91%, de 3-4 mm de espesor y texturado para minimizar la reflexión de la luz y favorecer la transmisión hacia el material semiconductor. El encapsulante EVA resulta, además de ópticamente transparente, estable a altas temperaturas y altas dosis de radiación ultravioleta.

El objetivo es incorporar al vidrio y al EVA principios activos capaces de mejorar la respuesta de la célula a la radiación incidente. Para ello se trabaja a nivel de investigación básica junto con la Universidad de Cantabria y la Universidad del País Vasco en el análisis de los materiales óptimos, mediante técnicas de espectroscopía. Paralelamente las empresas desempeñan una labor de estudio de la implementación óptima de los materiales y de las posibles interacciones con el resto de componentes, especialmente en el caso del copolímero EVA. En CIDEMCO se estudia el comportamiento de estos componentes integrados en los módulos, evaluando su eficiencia.

Se pretende además estudiar el comportamiento de los nuevos sistemas bajo concentración de la luz solar. Dado que los procesos de transiciones electrónicas involucrados son fuertemente no lineales, se espera un importante aumento de la eficiencia conseguida utilizando luz solar concentrada.

Para ello se está desarrollando en CIDEMCO un sistema de concentración solar que permita realizar los ensayos oportunos y sirva de base para nuevos proyectos.

Entre las ventajas del enfoque propuesto puede destacarse el hecho de que, una vez identificados los materiales con las propiedades buscadas, pueden implementarse en el vidrio que recubre las células o adherirse directamente al material semiconductor por medio del EVA, sin ninguna modificación del material fotovoltaico. Técnicamente, supone una mejora sobre otros métodos, por ejemplo la introducción de defectos en el silicio, que en algunos casos puede inducir un deterioro en la eficiencia de la célula. El método se puede extrapolar a otros tipos de célula (CIGS, CdTe, AsGa, etc.), realizando una nueva investigación sobre los principios activos.

Mediante este proceso investigador se pretende obtener un significativo aumento, en torno a un 2-3 %, en la eficiencia de las células fotovoltaicas de silicio actuales, lo cual tendría una enorme repercusión en la industria fotovoltaica a nivel nacional e internacional. Dado que el efecto estaría integrado tanto en el vidrio como en el EVA de manera sencilla y con un mínimo coste adicional, dando lugar sin embargo a un mayor rendimiento y una amortización más rápida de los sistemas fotovoltaicos, las conclusiones del proyecto servirán como punto de partida para un desarrollo optimizado de ambos productos (vidrios y EVA) y un proceso de producción a gran escala y comercialización a medio plazo por parte de las empresas participantes.

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