La preocupación por el medio ambiente y el cambio climático ha presionado a los administradores del sistema de energía eléctrica a buscar fuentes de energía alternativas. Los avances e investigaciones recientes en el aprovechamiento de fuentes de energía renovable para mejorar las operaciones del sistema de energía han arrojado resultados alentadores. La generación distribuida (DG, por sus siglas en inglés) es un método de generación de electricidad a partir de múltiples fuentes de energía renovable que se encuentran muy cerca de las demandas de carga. Las DG interconectadas a los sistemas de energía eléctrica tienen múltiples ventajas, como mayor confiabilidad del sistema, reducción de la demanda máxima de energía, mejora de la calidad de la energía, suministro necesario de energía reactiva y energía limpia desde el punto de vista ambiental. Los recursos de energía renovable utilizados para la generación de electricidad son energía solar, térmica, fotovoltaica (PV, por sus siglas en inglés), parques eólicos, hidroeléctricos, biocombustibles, energía de las olas, mareomotriz, oceánica y geotérmica. Sin embargo, los sistemas de PV se consideran una mejor fuente de energía renovable para la generación de electricidad, debido a la abundante disponibilidad a largo plazo de energía solar gratuita en la corteza terrestre. La generación de PV se basa en el efecto PV, que es un proceso con células de PV que utiliza fotones de luz solar para golpear el silicio semiconductor dopado y producir electricidad.
El efecto fotovoltaico
El efecto fotovoltaico, descubierto en 1839, se desarrolló para producir energía utilizando semiconductores dopados en 1954 [1]. La energía fotovoltaica ha sido la tecnología de energía renovable de mayor crecimiento, que pasó de 50 MW en 1990 a 177 GW (AIE, por sus siglas en inglés) en 2014 [2]. La investigación sobre PV en el NREL (Estados Unidos) indica que los sistemas de energía solar serán competitivos en costos con otras fuentes de energía para el año 2020 [2]. La investigación reciente sobre sistemas de PV en varios laboratorios del entorno se centra activamente en:
- Ciencia de materiales para dopar materiales semiconductores para lograr una mayor eficiencia.
- Tecnología de inversores para una conversión eficiente de CC a CA.
- Tecnologías de integración sobre posibles problemas con la interconexión a los sistemas de red eléctrica.
- Tecnología de baterías para sistemas de almacenamiento de energía para sistemas de PV a gran escala.
- Promoción de políticas sobre sistemas de PV por parte de los gobiernos.
Estos factores están fomentando el desarrollo de mercados de PV con alto potencial. Los PV han demostrado ser una mejor opción en términos de avances en la investigación de tecnología de celdas, características modulares, oportunidades autónomas y conectadas a la red, confiabilidad, facilidad de uso, ausencia de ruido y emisiones, ciclo de vida largo y costo reducido por unidad de energía generada. Los sistemas de PV conectados a la red tienen sus propios desafíos y oportunidades en el desarrollo de sistemas de energía eléctrica modernos y redes inteligentes. Las tendencias futuras en los sistemas de PV conectados a la red prometen un mercado comercial amplio y a gran escala, como lo pronostican las instituciones de investigación. Se están realizando muchas investigaciones para reducir el costo de la generación de energía solar fotovoltaica a través de la investigación en ciencias de materiales que mejora la eficiencia de las celdas en la conversión de energía solar a energía eléctrica, la reducción de costos de dispositivos de almacenamiento de energía eficientes como las baterías y los dispositivos de conversión de energía asociados, como los inversores y los componentes de PV con estándares para controladores que convierten la energía solar de CC a CA, y métodos de integración de sistemas de energía solar a los sistemas de energía eléctrica.
Avances recientes en tecnologías de PV
Este capítulo, teniendo en cuenta los factores mencionados anteriormente, presenta un estudio de la radiación solar en la Sección 2, una breve discusión sobre la física de los semiconductores en la Sección 3, una revisión de los materiales de PV en la Sección 4, las características eléctricas de las células de PV en la Sección 5, una breve reseña sobre los componentes y estándares de PV en la Sección 6, un informe sobre los sistemas y tecnologías de PV en la Sección 7, materiales para futuros sistemas de PV en la Sección 8 y un resumen en la Sección
El contenido de este capítulo sobre los avances recientes en tecnologías de PV será muy útil para estudiantes de posgrado, ingenieros en ejercicio, investigadores, planificadores, fabricantes, gerentes de energía, responsables de políticas y desarrolladores de futuras planificaciones de sistemas de energía.