Concentración Fotovoltaica – CPV

Dentro de las distintas tecnologías fotovoltaicas destaca en la actualidad la denominada energía fotovoltaica de concentración, comúnmente conocida como CPV por sus siglas en inglés.

El gran interés científico-comercial que esta tecnología ha despertado se debe principalmente al alto rendimiento que ofrecen sus instalaciones en términos de energía producida, especialmente en áreas de alta irradiación, así como por la gran potencialidad de reducción de costes que presenta si se compara no sólo con otras tecnologías solares sino también con otras fuentes de origen renovable. Estas características podrían situar en un futuro próximo a la CPV como el vector energético solar más utilizado en el futuro para grandes plantas de generación.

Solar Added Value tiene una elevada especialización técnica en el conocimiento de la tecnología CPV y cuyos principios de funcionamiento se pasan a describir a continuación.

Principios de funcionamiento de la tecnología CPV

Los módulos fotovoltaicos de concentración son capaces de colectar la radiación solar y aumentar su densidad de potencia (medida en W/m2) para focalizarlo sobre una célula solar mucho más pequeñas que el área de entrada del colector.

El interés de esta tecnología radica en la ya disponibilidad a nivel comercial de células solares de alta eficiencia (> 40%) que aunque aún caras, permiten minimizar su impacto en el coste global del sistema mediante el uso de dispositivos ópticos capaces de intensificar hasta 1000 veces la irradiancia (W/m²) que llega del sol, y que permiten de esta manera minimizar el área de semiconductor necesaria tal y como se muestra en el esquema.

Efecto de Concentración Fotovoltaica por uso de lente refractiva.

Concentración Fotovoltaica por uso de lente refractiva.

El aumento de la intensidad energética incidente sobre las células debido al uso de los elementos ópticos, comporta inevitablemente un estrechamiento del ángulo de aceptancia de los rayos de luz por lo que únicamente se podrá aprovechar la radiación solar directa proveniente del sol con una tolerancia aproximada de ±1º. Esto último obliga a que dentro del BOS sea indispensable la utilización de dispositivos de seguimiento de doble eje.

Elementos básicos característicos de los sistemas CPV

Tipología de células

Los módulos CPV utilizan por lo general células fotovoltaicas multiunión ó MJ por sus siglas en inglés. Estas células son en realidad varias células solares, denominadas sub-células, conectadas en serie y hechas de materiales semiconductores distintos. La ventaja que permite esta configuración es que permite un mejor aprovechamiento de las energías de los fotones presentes en el espectro solar, proveyendo al sistema por lo tanto de un mejor rendimiento de conversión de la luz en electricidad.

Las células MJ, se puede diseñar y calibrar específicamente para un determinado espectro de manera que la conversión fotovoltaica resulte aún todavía más eficiente. En la actualidad, las células MJ más extendidas son las denominada triple-unión y presentan eficiencias superiores al 40% como se puede ver en el gráfico, y muy superiores a otras más conocidas comercialmente.

Eficiencias alcanzadas por distintas células fotovoltaicas según tipo. Fuente: NREL, USA.

Eficiencias alcanzadas por células fotovoltaicas según tipo.
Fuente: NREL, USA.

Uso de elementos ópticos

Las lentes que se suelen utilizar en el la industria CPV para amentar la densidad de energía incidente sobre la célula pueden ser tanto reflexivas (espejos) como refractivas (lentes de Fresnel), a estos elementos los denominamos por lo general “primario”.

Distintos diseños de SOE montados sobre células MJ

Distintos diseños de SOE montados sobre células MJ

A su vez, por lo general se suele dotar adicionalmente al sistema de un segundo elemento óptico (secundario o SOE) que se coloca adherido o próximo a la célula y cuya misión principal, entre otras, en aumentar la aceptancia angular del conjunto a la vez que asegurar una distribución uniforme de la energía incidente en la célula que evite la generación de puntos calientes sobre la misma.

Necesidad de uso de elementos de seguimiento de doble eje.

Como se ha explicado con anterioridad, los sistemas CPV únicamente aprovechan el recurso solar proveniente de la radiación solar directa (la más energética), lo que obliga a que los módulos deban ser instalados en estructuras de seguimiento de doble eje.

Para un módulo CPV convencional, el valor de aceptancia angular puede variar por lo general entre 0.7 y 1.2º. Este valor debe ser tenido en cuenta a la hora de diseñar o seleccionar el seguidor a utilizar. En la actualidad existen seguidores y dispositivos de seguimiento suficientemente precisos que garanticen este requisito, de manera que permiten orientar los módulos de forma óptimo incluso con cargas elevadas.

Seguidor de doble eje y dispositivo de seguimiento  con gran carga de módulos CPV

Seguidor de doble eje y dispositivo de seguimiento
con gran carga de módulos CPV

Con la excepción de la tipología de célula, no resulta difícil inferir que la mayor la parte de elementos característicos que definen la tecnología CPV (ópticas, seguidores, dispositivos de seguimiento y monitorización etc.) vienen siendo ya utilizados en otros sectores como la industria del automóvil, IT o industria aeroespacial, por lo que una mera optimización en la forma de utilizarlos de manera conjunta podría aportar importantes mejoras de forma aparentemente sencilla. Este hecho, la existencia de importantes centros tecnológicos que siguen investigando en la optimización de esta tecnología, y la apuesta clara de importantes empresas a nivel mundial por su utilización, permiten concluir que la tecnología CPV irá adquiriendo en las próximas décadas un gran peso específico dentro del sector eléctrico y más concretamente en el sector de las energías renovables.