El futuro de la energía solar: Células fotovoltaicas CPV

Escrito por Olivier Loidi 

En agosto de 2018, ennomotive lanzó un desafío de economía circular para encontrar la manera de reutilizar residuos de relaves mineros. Durante 6 semanas, 74 ingenieros de 30 países participaron en el desafío y entregaron diferentes soluciones. Tras una minuciosa evaluación, las soluciones que mejor cumplían los criterios de evaluación eran obra de Cliff Edwards, de Canadá, y Olivier Loidi, de Francia.  ennomotive le pidió a Olivier un artículo sobre un tema de su interés y en este texto comparte sus ideas sobre el futuro de la energía solar y la tecnología fotovoltaica de alta concentración.   

La energía solar es la clave para frenar el calentamiento global, de verdad lo creo. De hecho, hace diez año trabajé activamente en este campo, precisamente en el de la energía solar fotovoltaica de alta concentración (CPV), lo que por aquel entonces se consideraba un competidor real de los paneles fotovoltaicos estándar. Sin embargo, tras años de bajadas de precio considerables, el desarrollo de esta tecnología se ha visto perjudicado. 

Parece que el enfoque a corto plazo de 'bajo costo de capital/vida corta' de los paneles fotovoltaicos estándar resulta más tentador que la opcion 'costo inicial moderado/vida larga', incluso con el doble de eficiencia.  Ahora que los paneles solares estándar empiezan a competir de manera favorable con el carbón y el gas y las empresas de CPV están teniendo dificultades para sobrevivir, sería facil deducir que se acabó el juego. Sin embargo, todavía hay investigaciones que se afanan en reducir la brecha del costo capital. 

Intentaré explicar en este artículo los pros y contras de las tecnologías CPV y aportaré mi visión personal de lo que se debería mejorar para asegurar su éxito. 

¿Qué es la energía solar fotovoltaica de alta concentración (CPV)?

El principio de la CPV es orientar la luz solar hacia una célula solar de eficiencia muy alta cuyo uso sería muy costoso utilizada de otra manera.  Estas células solares son excepcionalmente sólidas y se fabrican normalmente para aplicaciones espaciales o militares, pueden resistir un ratio de concentración de mil o más y seguir siendo 3 veces más eficientes que una célula fotovoltaica tradicional hecha de silicona (Si-Pv). Sin embargo, este enfoque presentaba sus propios inconvenientes: las células solares deben estar orientadas directamente hacia el sol y equipadas con ópticas de concentración.  

Tipos de ópticas

• Transmisivas:

Se pueden usar lentes de aumento pero las más populares son las elegantes lentes Fresnel.

    

• Reflectantes:

Se necesita concentrar la luz solar con espejos que normalmente tienen forma parabólica. Hay sistemas que usan solo un reflejo, pero el diseño más popular es el derivado del telescopio Cassegrain, que permite una situación más sencilla de las células solares.

  

Ventajas de la CPV frente a los paneles solares normales

• Eficiencia

Las mejores células solares comerciales de silicona tienen un límite de eficiencia del 21% mientras que varias células CPV juntas pueden alcanzar un 46%. Esta brecha de rendimiento se observa a nivel modular incluso cuando hay altas pérdidas ópticas en CPV.

  

• Rendimiento estable con altas temperaturas 

El rendimiento de las células solares de silicona es muy sensible a la temperatura. Su coeficiente de temperatura es de un -0.5% por °C, lo que significa que, por cada grado por encima de los 25°C (o de los 20°C dependiendo del fabricante), el rendimiento se reduce un 0.5%.  Esto puede parecer poco pero, en verano, no es extraño que alcancen temperaturas de 80°C (como un coche al sol) que pueden reducir el rendimiento de un panel de alta calidad de 19% a 14%.  Por su parte, las células solares de CPV se fabrican con materiales con un coeficiente de temperatura muy bajo de -0.05% por °C, -0.01%/°C en el mejor de los casos. Esto supone una mejora de entre 10 y 50 veces con respecto a las células solares de silicona. Esto permite a las células CPV funcionar a altas temperaturas (100°c o más) sin problema.

   

• Buena durabilidad

En todos los sistemas industriales, los componentes activos son los que más tienden a averiarse o estropearse, y los fotovoltaicos no son una excepción. En los tradicionales Si-Pv, los componentes activos (las células solares) representan casi el 100% de la superficie expuesta, además de los componentes electrónicos (diodos de bypass), por lo que el riesgo de avería o deterioro es un problema real.  Para colmo, la alta competencia de precios impide el uso de componentes de alta calidad, lo que se traduce en un bajo rendimiento a largo plazo, sobre todo en climas muy cálidos con un importante potencial solar. 

Por ejemplo, los plásticos transparentes (EVA), que se usan para cerrar y pegar el cristal frontal tienden a amarillear debido al ciclo térmico. La tasa de deterioro típica es de 0.5% por año en un ambiente templado y hasta un 3% en lugares cálidos.  Las células solares CPV proceden de aplicaciones militares y espaciales y son prácticamente inmunes a daños térmicos o por radiación. Ademas, la concentracion permite el uso de componentes electrónicos de buena calidad ya que su número también es reducido. 

Como la tecnología es relativamente reciente, no es posible hablar de un rendimiento a largo plazo de la CPV, pero el retorno de tecnologías similares basadas en aplicaciones militares o espaciales parecen indicar un rendimiento muy estable incluso pasados 20 años de operación. Las demás superficies expuestas se pueden fabricar de materiales inorgánicos (vidrio, aluminio) que no se deterioran con el tiempo.

   

Source NREL

• El potencial doble uso de la tierra

Los rastreadores pueden llegar a ser lo suficientemente altos como para que exista urbanización o cultivos bajo los mismos.

   

• Fácil de reciclar

El desguace de los módulos CPV es más sencillo ya que los elementos que los forman se pueden separar fácilmente y están fabricados principalmente con materiales inorgánicos, completamente reciclables. Por el contrario, las células y el marco de silicona están unidos con complejos fluoroplásticos que para su reciclaje parcial deben ser aplastados y tratados con calor.  

¿Por qué ha fallado la CPV hasta ahora? 

• Tiene un costo de capital inicial alto

La CPV puede ser más rentable a largo plazo pero esto no es lo suficientemente ventajoso como para preferir el enorme coste capital inicial de la instalación, que superar entre 2,5 a 4 veces más a la tecnología tradicional Si-Pv.

    

Nota: CSP quiere decir 'generación de electricidad mediante concentración térmica' 

• Requiere un mantenimiento más alto

Un rastreo de alta precisión del sol (hasta un 0,1° de precisión angular) necesita atención constante de los operarios. Además la limpieza de los paneles es más complicada debido a la altura de los rastreadores.  

• Las nubes reducen el rendimiento

La CPV solo funciona con luz solar directa, por lo que no funciona todo el tiempo. La CPV se debe instalar en un lugar soleado con más de un 80% de días despejados al año. Como referencia, la CPV solo puede funcionar si hay sombras definidas en el suelo, señal de que la luz solar proviene de una sola dirección. 

 

CPV works under small clouds, but not big ones. (source Wikipedia)

• Baja densidad de ocupación del terreno

Para evitar que los rastreadores proyecten sombra unos sobre otros en las mañanas o tardes, deben situarse con varios metros de distancia. La ocupación del terreno alcanza solo el 50%, lo cual se compensa parcialmente por el 25% de energía solar que aporta el rastreo. En consecuencia, la CPV es viable únicamente en terrenos de bajo coste o si solo se instala un rastreador.   

• La tecnología todavía está en fases tempranas 

Aunque está madurando bastante rápido, la CPV no tiene una cadena de suministro preparada, lo que obligó a todas las empresas a desarrollar y producir ellas mismas la mayoría de los componentes. Las células eran demasiado grandes al principio, por lo que había que cubrir altas necesidades de disipación (las células más grandes generan más calor) y módulos más grandes y pesados, lo que se tradujo en costes operativos adicionales.   Al mismo tiempo, la industria fotovoltaica atravesó una época de caída de precios increíble, más del 80%, resultado de las empresas subvencionadas que se podían permitir vender sus productos con cero rentabilidad con el objetivo de ganar cuota de mercado.

   

Por qué la CPV tiene potencial para triunfar en el futuro

• Las células CPV son mejores, más pequeñas y económicas

La unión de numerosas células en la CPV o el reciente ascenso de la industria LED como equipo de fabricación es casi lo mismo. Como muchos reactores LED se pueden retroadaptar para la CPV, los precios caen más rápido que nunca. Con la colocación automatizada que se desarrolló originalmente para los LED, es posible fabricar diseños de células muy pequeños a gran velocidad con muy pocos errores de fabricación. Los tamaños estándar pueden llegar a ser 25 veces más pequeños que hace 10 años (4mm² vs 100), lo que reduce el precio y hace que disipe mejor el calor.

  

• El estancamiento de los precios de la SI-PV

Ahora que se ha disipado el humo tras la guerra de precios de la fotovoltaica, los precios de los módulos Si-Pv han alcanzado la meseta mientras que la CPV tiene un enorme potencial de reducción de precio. 

  

Source NREL 2019

• Los lugares disponibles que quedan son más exigentes 

La instalación de fotovoltaicas en climas moderados se ha convertido en una competición cada vez más agresiva, por lo que el nuevo de la energía solar debe proceder de lugares más difíciles.  Sitio con el potencial de generación de energía solar más alto, como los desiertos, también son los más duros. Los componentes de los paneles fotovoltaicos no funcionan con normalidad debido al cambio de temperatura entre la noche y el día, lo que resulta en eficiencias mucho más bajas en comparación con los paneles instalados en climas más moderados.  

Lo que considero que debe mejorarse para que la CPV tenga éxito

Como he dicho anteriormente, le tengo mucho cariño a la CPV y por ese motivo no dejo de pensar en nuevos diseños o posibles mejoras.  Estas son mis reflexiones acerca de qué puntos necesitan más atención para el futuro éxito de la CPV:  

• Es vital reducir el peso del módulo

Dejemos de lado la mejora del rendimiento, el peso del módulo es un parámetro mucho más importante a la hora de reducir costes operativos por la simple razón de que aguantaría un rastreador más grande de la misma precisión y coste. Un aumento de los módulos se traduciría en mayores ingresos por unidad global con el mismo mantenimiento. Incluso permitiría automatizar el mantenimiento (limpieza) para ser eficientes en el coste, lo que reduciria a su vez el número de operarios. No se trata de algo complejo, ya que el peso es un parámetro que no se ha optimizado desde hace mucho tiempo. He desarrollado personalmente diseños que pesan menos de 10kg/m² en comparación con la media de 40-45 kg/m² de los módulos de CPV comunes.  

• El uso de lentes Fresnel es un callejón sin salida

Estas lentes son increíblemente elegantes pero tienes varios defectos imperdonables para la concentración solar de precisión. En primer lugar, el diseño debe ser perfecto para que funcione: cualquier error en el afilado de los bordes, como el redondeo que sucede con el moldeado de plástico, reduce enormemente el rendimiento. En segundo lugar, las lentes Fresnel son muy sensibles ante errores de orientación. Los rayos de sol tienen una divergencia angular inherente de +/-0.5, lo que deja un minúsculo +/-0.1° para errores de rastreo. La precisión necesaria para el rastreo con estas lentes causa la mayoría de costes de mantenimiento.  

• Las lentes reflectantes deberían evolucionar y dejar atrás el clásico "diseño de telescopio"

Las lentes reflectantes, a pesar de su tosco aspecto inicial, no tienen las limitaciones de las lentes Fresnel. Pueden asumir errores de rastreo de más de +/- 1°, lo que supone una reducción en los costes de mantenimiento.  El único problema es que los diseños actuales basados en el "telescopio Cassegrain" no son fáciles de fabricar en masa con tecnologías estándar, lo que se traduce en altos costes de fabricación.   Se puede mejorar el coste de fabricación con el uso de diseños más "deformes" que no necesitan la formación de la imagen para mantener solo la capacidad de concentración. Las posibilidades son muchas, yo mismo he creado algún diseño que reduce 10 veces o más el coste de fabricación.  

• Limpieza automática con bajo consumo de agua

Como expliqué más arriba, la CPV funciona especialmente bien en lugares áridos donde el agua escasea. Es muy importante agregar un sistema de limpieza económico que utilice las tecnologías existentes de limpieza de ventanas de edificios en lugar de desarrollar otras nuevas.  

Conclusión

La aparente caída de la CPV puede ser un mero contratiempo, ya que esta tecnología tiene el potencial suficiente para superar el rendimiento de los sistemas fotovoltaicos estándar. Ahora que se ha disipado el humo tras años de fuertes bajadas de precios, la CPV puede jugar un papel importante como herramienta duradera para luchar contra el calentamiento global.  

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