Tecnología Solar Fotovoltaica Concentrada (CPV): Maximizando la Eficiencia Energética

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CPV fotovoltaica concentrada Fuente: https://media.istockphoto.com

Cada vez más científicos e investigadores trabajan en nuevas tecnologías capaces de aumentar la eficiencia de conversión de energía eléctrica de celdas fotovoltaicas. Sin embargo, actualmente en el 2020, aún existe una barrera que se encuentra a 23% de eficiencia, la cual sólo es alcanzable por algunas marcas de renombre en el mercado. Por ejemplo la marca Sunpower.

No obstante, existe otra alternativa que ya tiene el potencial para exceder estos valores de eficiencia por mucho y puede convertirse en un importante actor dentro del campo de la energía fotovoltaica. En la industria se le conoce como tecnología solar fotovoltaica concentrada (CPV por sus siglas en inglés).

En qué consiste la Tecnología CPV

Como bien sabemos, la tecnología solar fotovoltaica convierte la radiación solar en energía eléctrica, esto se hace a través del efecto fotoeléctrico en el que los rayos incidentes en una celda fotovoltaica liberan electrones y estos a su vez generan electricidad.

Pero ¿Qué pasaría si se concentraran múltiples rayos incidentes en un solo punto? Como puede estimarse, existiría una alta densidad de energía solar focalizada capaz de generar mucha más electricidad de lo que una celda simplemente expuesta al sol podría producir. Bajo este principio, fue desarrollada la idea de colocar reflectores o lentes Fresnel que sean capaces de enfocar toda la irradiación incidente en un solo punto que pudiera llegar a recibir una concentración de hasta 1000 soles y en donde se encontraría una celda fotovoltaica con una alta eficiencia de conversión capaz de producir electricidad. Ejemplos de las dos principales topologías de este tipo de sistema pueden verse en la figura 1.

La tecnología CPV tiene ya algún tiempo siendo aplicada para la industria espacial, pero hasta hace poco tenía una gran limitación relacionada al diseño de celdas fotovoltaicas de alta eficiencia. Hoy en día gracias a las nuevas tecnologías de multi-juntura el escenario ha cambiado.

Modulo-CPV
Fig1. Topologías de Sistemas CPV (a) Módulo CPV
Fig 2. Topologías de Sistemas CPV (b) Disco Parabólico

Por qué la Tecnología CPV

Existen muchas razones por las cuales la tecnología CPV resulta de interés. En primer lugar, permite ofrecer una eficiencia capaz de llegar incluso hasta un 50% de conversión de radiación solar en el espectro visible a energía eléctrica, esto sólo es posible aplicando entre 3 y 5 multi-junturas de nuevas tecnologías de celdas fotovoltaicas basadas en Germanio, Arsenuro de Galio-Indio y Fosfuro de Galio- Indio.

Tal elevado nivel de eficiencia permite no solo incrementar los niveles de energía producidos por una celda, sino consecuentemente permite reducir ampliamente el área requerida para la instalación de módulos CPV, lo cual a su vez reduce costos y reduce el impacto ambiental.

Además, permiten una producción estable de energía alrededor del día gracias a su sistema de rastreo y poseen bajos coeficientes de temperatura, lo cual a su vez reduce el impacto que altas temperaturas pueden tener en la producción de energía eléctrica.

Puntos a destacar de tecnología CPV

Es importante considerar que este tipo de sistemas están diseñados para operar utilizando principal o únicamente la irradiancia normal directa (DNI por sus siglas en inglés) por lo cual sitios geográficos con altos valores de DNI son ideales para este tipo de sistemas.

Además, la tecnología CPV tiene el potencial para fomentar una reducción en los costos de manufactura de celdas fotovoltaicas ya que la cantidad de silicio que se necesita es mucho menor comparado a los módulos tradicionales.

Tecnologías CPV y PVT: Aprovechando La Máxima Energía

Ahora bien, como puede estimarse, al concentrar altas cantidades de radiación solar, ello conlleva no sólo a una mayor potencia lumínica, sino también a altas temperaturas. Esto presenta una circunstancia donde es necesario extraer el calor de la celda fotovoltaica para no afectar su operatividad. Ello se hace a través de un sistema de enfriamiento basado en agua que circula en la parte posterior de la celda y que puede acumularse en un tanque de almacenamiento térmico (TES) como se ve en la figura 2.

Dicho sistema de enfriamiento puede a su vez utilizarse como base para un sistema de calentamiento de agua con aplicaciones comerciales o incluso industriales al instalar un sistema de tuberías que distribuyan efectivamente el flujo de agua que puede llegar fácilmente a 80ºC. Esta tecnología que recupera el calor disipado de las celdas fotovoltaicas es mejor conocida  como PVT o PV Topping. La misma combinada con la tecnología CPV con eficiencias que pueden llegar al 50% representa potencialmente un atractivo punto de inversión y de aplicación.

Sistema-CPVT1
Fig 2. Sistema CPVT con Tanque de Almacenamiento Térmico y Disco Parabólico. Fuente: A transmissive spectrum-splitting concentrating photovoltaic module for hybrid photovoltaic -solar thermal energy conversion, Qi Xu et.al

Referencia

https://www.e-education.psu.edu/eme812/node/537

https://www.nrel.gov/docs/fy16osti/65130.pdf

https://www.osti.gov/servlets/purl/1461971

https://solarfeeds.com/wiki/concentrator-photovoltaics/

https://www.ee.co.za/article/csp-pv-hybrid-power-systems-an-attractive-future-option.html¿

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