Proyecto I+D+I: Ultraefficient microscale new generation hybrid concentrator photovoltaic systems.

La Energía es uno de los grandes retos a los que se enfrenta la sociedad actual. El aumento de la demanda, más del 120% en los últimos 40 años, y la gran dependencia de combustibles fósiles para cubrir esta demanda, alrededor del 80% en 2015, pueden considerarse como los dos desafíos más importantes a los que se enfrenta la humanidad en la actualidad. La combinación de estos dos problemas tiene además graves efectos sobre los ecosistemas y el bienestar de los seres humanos, se espera que produzcan una disminución de hasta un 10% del PIB mundial para fines de siglo, y más de 250 mil muertes al año entre 2030 y 2060. Para paliar estos efectos, la Unión Europea ha planteado una Estrategia Energética que tiene como objetivo promover la transición a un sistema energético fiable, sostenible y competitivo basado en el uso de Energías Renovables. En este escenario, la Unión Europea busca producir ≈20%, ≈30% y > 50% de la energía total consumida a partir de fuentes renovables para 2020, 2030 y 2050, respectivamente. Sin embargo, en julio de 2021, a la vista de las nuevas ambiciones climáticas de la Unión, habiendo cumplido el objetivo del 2020, se propuso a los colegisladores que dichos objetivos se revisaran y pasaran a ser del 40 % para 2030.

En este escenario, la energía fotovoltaica (FV) va a tener un rol fundamental en el futuro mix energético. Sin embargo, a pesar del gran avance experimentado por esta tecnología en los últimos años, es necesario hacer frente a los problemas que su uso plantea, como la escasez de ciertos materiales, o las limitaciones que impondrá el área de ocupación del terreno. En este sentido, la eficiencia es, con diferencia, la variable más importante de cualquier sistema fotovoltaico. El aumento en la eficiencia contribuye a disminuir: 1) el coste relacionado con el área (terreno, seguimiento, preparación del terreno, cableado, estructura, etc.), 2) el coste no relacionado con el área (Operaciones y mantenimiento, control y monitorización, construcción, etc.) y 3) los materiales del módulo fotovoltaico (semiconductores, materiales de la carcasa, componentes electrónicos, etc.).

Hay dos formas directas de aumentar la eficiencia de un sistema fotovoltaico: A) concentrar la luz solar que incide sobre la célula, p. ej. la eficiencia de una célula de una unión a 1 sol (1.000 W/m2) es ≈ 30%, mientras que puede llegar al ≈ 40% bajo luz solar concentrada, y B) aumentar el número de uniones pn de una célula, p. ej. la eficiencia límite de una célula solar multiunión es ≈ 65% en un sol. La combinación de estos dos efectos puede logar dispositivos fotovoltaicos de nueva generación con eficiencias superiores al 80%.

Figura 0

La energía fotovoltaica de concentración (CPV) aprovecha los dos efectos anteriores al utilizar elementos ópticos para concentrar la luz (de 100-1.000 soles) en la superficie de células solares de alta eficiencia. Como consecuencia, la CPV ofrece actualmente las mayores eficiencias de conversión entre todas las tecnologías fotovoltaicas. La tecnología CPV se compone principalmente de: a) células solares multiunión de alta eficiencia, b) ópticas concentradoras formadas por elementos ópticos primarios, que concentran la luz solar directa, y elementos ópticos secundarios, que mejoran la uniformidad de la luz en la superficie de la célula solar y la tolerancia angular del sistema, c) mecanismos de enfriamiento pasivo, d) seguidores de dos ejes de alta precisión y e) el resto de los componentes del sistema (ver figura 1).

Figura 1
[Figura 1. Esquema de un módulo CPV típico. Distintos módulos CPV en las instalaciones de la UJA.]

Esta tecnología ha mostrado un progreso notable y altas eficiencias, ≈40%, ≈30% y ≈25% a nivel de célula, módulo y sistema, pero aún muy por debajo del límite teórico. Por lo tanto, aún hay espacio para grandes mejoras tecnológicas para impulsar la eficiencia hacia la máxima conversión solar, ≈85%, y para desarrollar sistemas CPV más competitivos. Basándose en análisis previos del equipo investigador sobre el estado de esta tecnología, se plantean las siguientes hipótesis que deben cumplirse al mismo tiempo para que la tecnología CPV tenga éxito:

  • Desarrollar módulos CPV con eficiencias > 40% lo que contribuye a disminuir los costes asociados de área y no área, así como los materiales por módulo.
  • Desarrollar módulos CPV con concentraciones > 2.000 soles, lo que contribuye a incrementar la eficiencia y reducir la cantidad de material semiconductor.
  • Desarrollar micro-módulos CPV con áreas de célula < 1mm2 , lo que contribuye a disminuir las pérdidas de célula a módulo, a reducir las cargas soportadas por los seguidores solares y a facilitar la hibridación termo(TE)-solar para aumentar la eficiencia.

Figura 00

 

 

El objetivo principal de proyecto UltraMicroCPV es desarrollar un micro-módulo híbrido CPV/ TE con concentraciones superiores a 2.000 soles y eficiencias cercanas al 50%. El desarrollo de micro-sistemas híbridos CPV/TE de nueva generación (UltraMicroCPV) ultraeficientes que operan a niveles de concentración > 2.000 soles, dará como resultado un cambio radical en la tecnología actual. La tecnología UltraMicroCPV logrará eficiencias superiores al 40% a muy bajo coste (menos de 0,7 €/Wp). Además, la UltraMicroCPV ofrece una ruta prometedora para ser la primera tecnología fotovoltaica capaz de convertir más de la mitad de la luz solar en electricidad. La alta eficiencia, el microescalado y el coste esperado de la tecnología UltraMicroCPV la hacen adecuada para la producción e instalación a gran escala en grandes plantas de energía, en residenciales, azoteas (BIPV), aplicaciones industriales, etc. El concepto único de UltraMicroCPV ofrece ventajas significativas que superan los actuales sistemas de concentración de última generación cómo se muestra en la figura 2.

Figura 2
Figura 2. Coste de un sistema CPV actual vs. un sistema basado en la tecnología UltraMicroCPV.

 

Investigador/a principal - Acerca del autor/a
Eduardo Fernández Fernández

Eduardo Fernández Fernández, investigador Ramón y Cajal, tiene más de 10 años de experiencia en el campo de la Fotovoltaica trabajando en institutos, universidades y empresas privadas de gran prestigio, en el modelado y caracterización de tecnología fotovoltaica de concentración, y en el desarrollo de conceptos para incrementar su competitividad.

Florencia Almonacid Cruz

Florencia Almonacid Cruz, profesora Titular de Universidad, tiene más de 15 años de experiencia en el campo de la energía solar fotovoltaica, siendo sus principales líneas de investigación la aplicación de técnicas de inteligencia artificial para resolver problemas relacionados con la tecnología fotovoltaica y de concentración fotovoltaica y el desarrollo de nuevos conceptos para incrementar su eficiencia.