La Tecnología de Concentración Fotovoltaica (CPV)

En este artículo os explicare los principios y cómo funciona la tecnología de uno de los sistemas de energía solar menos comunes como es la concentración fotovoltaica o CPV .

La Concentración fotovoltaica se refiere a la tecnología utilizada para la producción de energía a partir de la alta concentración fotovoltaica, HCPV (de Hight Concentrated Photovoltaic), o también conocida como CPV. Esta tecnología nace como respuesta a los elevados costes de los materiales fotovoltaicos entre ellos los semiconductores, reduciendo la cantidad de los mismos, para alcanzar este objetivo se propone utilizar elementos ópticos (espejos, lentes), que son más baratos para conseguir la misma producción de electricidad.

¿Cómo funciona la tecnología de concentración fotovoltaica?

La tecnología de concentración fotovoltaica sencillamente, funciona gracias a unos dispositivos ópticos que permiten concentrar la radiación solar sobre una Célula Fotovoltaica de tamaño reducido pero con una eficiencia muy superior a las células tradicionales, basadas en silicio. Con ello se consigue emplear mucho menor cantidad de material fotovoltaico (semiconductores) reduciendo los costes de forma importante.

Imagen de un Panel fotovoltaico tradicional, donde el material fotovoltaico abarca toda la superficie del módulo

Imagen de un panel solar con concentración fotovoltaica. El material fotovoltaico abarca sólo una reducida superficie del panel

Al requerir una menor superficie de material fotovoltaico, se hace posible utilizar tecnología fotovoltaica más eficiente en la conversión de luz en electricidad reduciendo los costes de manera considerable.

Componentes de una instalación con concentración fotovoltaica

• Concentradores de la radiación solar. Para concentrar la radiación solar se utilizan espejos concentricos o lentes con forma de lupa. Los factores de concentración que pueden alcanzar estos elementos van desde las 500 a 2.000 unidades.

• Célula fotovoltaica: Las células fotovoltaicas utilizadas en la concentración fotovoltaica son diferentes de las células utilizadas en los paneles fotovoltaicos tradicionales. Estas deben soportar una densidad de radiación mucho mayor, ya que la potencia lumínica que les llega es la misma pero sobre una superficie menor Son células de multi-unión. Están compuestas por diferentes capas (por ejemplo GaInP/GaInAs/Ge) para aprovechar un un rango más ancho del espectro solar, de este modo se consigue una eficiencia mucho mas alta, en torno al 41% frente a las células convencionales que esta alrededor del 19%. Esta célula fotovoltaica se sitúa en el eje focal de los reflectantes o en el punto de concentración de las lentes.

• Sistema de seguimiento solar: Los elementos ópticos deben tener una alineación óptica con respecto al sol, es decir seguir al sol durante el día para que la superficie óptica (lente o espejo) este siempre perpendicular a la radiación solar. Sin este seguimiento, el sistema CPV no puede producir electricidad, ya que la luz no se concentra en la célula. El sistema de seguimiento a menudo cuenta con dos ejes de movimiento, uno para seguir al sol en su desplazamiento de este a oeste y otro para hacerlo en altura. Sin embargo existen sistemas de seguimiento que cuentan con un sólo eje vertical, como verás más adelante.

• Dispersor de calor: La alta concentración de radiación solar produce altas temperaturas. Aunque las células con tecnología multi-unión utilizadas en los sistemas de concentración fotovoltaica no sufre una disminución en su rendimiento por la elevada temperatura resulta necesario evacuar el exceso de calor para proteger otros componentes. Para ello se acoplan a la célula fotovoltaica láminas de cobre y aluminio que disipan el exceso de calor.

• Inversores: Este es un dispositivo común a todos los sistemas fotovoltaicos y es el encargado de transformar la corriente continua producida en los módulos fotovoltaicos, en alterna para su transporte y distribución.

Sistemas según la tecnología de concentración fotovoltaica empleada

Según la tecnología empleada por los sistemas de concentración fotovoltaica, se pueden clasificar en tres categorías:

• Sistemas refractivos: En estos sistemas se utiliza una lente para concentrar la energía solar sobre la célula fotovoltaica. El panel fotovoltaico tiene la forma de de un colector térmico y se divide en compartimientos cada uno con su célula fotovoltaica. Dentro de cada compartimiento se encuentra una gran lente compuesta por pequeñas lupas, las cuales concentran la luz en la célula.

• Sistemas reflectivos: Los cuales utilizan espejos para concentrar la luz en la célula fotovoltaica. En este caso varios espejos forman una parábola que converge la luz en la célula situada en el foco de la misma.

En la anterior imagen podemos ver un ejemplo de un sistema reflectivo (izquierda) y un sistema refractivo (derecha)

Concentración Fotovoltaica vs Fotovoltaica tradicional

La tecnología de concentración fotovoltaica (CPV), para ser utilizada requiere de un clima con abundante radiación solar directa, esto quiere decir con poca presencia de nubes a lo largo del año, La CPV resulta más interesante que la fotovoltaica tradicional a partir de indices de radiación solar de 1500 Kwh/m²/año para lo cual se necesita un número suficiente de horas de radiación directa.

Las zonas óptimas para la implantación de la tecnología de concentración fotovoltaica son los desiertos tropicales, como el Sahara, Oriente Medio, el Calahari, el de Arabia, Australia, el de Atacama o el de Sonora. También resultan interesantes otras zonas como California, sur de Europa, el norte y sur de África y en general las zonas intertropicales a excepción de de las áreas selváticas ecuatoriales. Según este principio, en el resto del mundo, la tecnología fotovoltaica convencional resulta más interesante.

En el mercado se comercializan sistemas modulares escalables, que permiten configurar un sistema solar de concentración fotovoltaica desde con una decena de KW hasta varios Megawatios. Estos niveles de potencia sobrepasan los requerimientos eléctricos de un hogar convencional, además el es de muy difícil integración en un medio urbano. Por eso pienso que la fotovoltaica convencional, resulta ser más adecuada para las aplicaciones domésticas. En comunidades de vecinos con instalación comunitaria en climas adecuados puede ser más conveniente el uso de la concentración fotovoltaica. Donde esta tecnología puede alcanzar su mayor utilidad es, dentro de un clima adecuado, en aplicaciones industriales o en centrales de producción eléctrica.

La tecnología de concentración fotovoltaica esta poco desarrollada comparada con la fotovoltaica tradicional. La reciente crisis económica ha frenado el desarrollo de la tecnología de de concentración fotovoltaica debido a los recortes en fondos de investigación. Cabe recalcar que existe en España un centro que se dedica al estudio y el desarrollo de los sistemas de concentración fotovoltaica (ISFOC) ubicado en Puertollano – Castilla La Mancha.

Durante la redaccción de este artículo me he enterado que  han logrado un nuevo récord de eficiencia de una célula solar multi-unión, lo cual es muy beneficioso para la tecnología CPV, os invito a leer el artículo de esta gran noticia en este Blog.