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jueves, 10 de enero de 2013

PLAN SOLAR SAN JUAN- Fabricación de Paneles Solares



Fabricación de Paneles Solares en la Provincia de San Juan - Argentina*
*Para ver la continuación de este tema hasta marzo de 2014, encontrará el link al final de esta nota
En uno de los frentes del ambicioso Plan Solar San Juan se ha proyectado fabricar paneles solares fotovoltaicos de silicio a partir del cuarzo, que abunda en la Provincia de San Juan. Actualmente en la provincia existe una empresa que ya produce silicio de grado metalúrgico, pero el silicio de grado solar, que es el necesario para fabricar los paneles, requiere procesos adicionales para obtener la pureza necesaria.

El  silicio puede ser clasificado en una escala ascendente de pureza en los grados metalúrgico, solar y electrónico.Para alcanzar un grado de pureza de 99,9999%, llamado de seis nueves de pureza, requerido en la producción de paneles fotovoltaicos, el silicio de grado metalúrgico necesita pasar por un proceso de purificación, ya que su pureza no pasa normalmente de 99,5%.

Actualmente, la etapa de purificación del silicio metalúrgico, que permite alcanzar los grados de pureza solar y electrónico, es hecha por la llamada “ruta química”, utilizándose el proceso Siemens.Este proceso produce, como residuos, sustancias tóxicas y corrosivas, que necesitan de cuidados especiales, a causa de los daños ambientales que potencialmente pueden provocar.

El silicio grado solar con la adición de las sustancias de dopado y cristalización, es fundido en ambiente inerte y transformado en lingotes de estructura monocristalina o policristalina, seguido por la laminación en obleas (wafers)para la producción de la células (o celdas) y módulos fotovoltaicos.Desde la producción del silicio grado solar, hasta la producción de los módulos se tiene un proceso industrial, que se caracteriza por :  1)Consumo intensivo de energía eléctrica(120 a 200KWh/Kg de silicio grado solar, lo que representa cerca del 25% de su costo de producción); 2)Elevado grado de automatización, lo que limita la incidencia del costo de la mano de obra en el precio final del producto a cerca del 3% y 3) Rápida obsolecencia tecnológica, lo que exige constante inversión para mantener actualizadas las líneas de producción.

Historicamente, la producción de silicio grado solar está vinculada al silicio grado electrónico. El silicio grado electrónico es utilizado en la industria de la microeléctrónica para la producción de semiconductores y circuitos integrados, que demandan grados de pureza todavía mayores que la producción de los paneles fotovoltaicos, del orden de ocho nueves, 99,999999.- El silicio grado solar, por lo tanto, es un producto intermedio de esta industria y la sinergia entre las industrias  fotovoltaica  y  micro electrónica, implica la conexión entre el productor de silicio grado solar por la ruta química y el mercado de silicio grado electrónico.

Hasta 2009, al menos, todavía se encontraba en desarrollo, en fase experimental,  la “ ruta metalúrgica” para producción de silicio grado solar. Este proceso demanda menos energía y reduce los impactos al medio ambiente, además de esperarse una reducción de costos entre un 30% y un 50%.-
Fuente de esta primera parte de la nota :  Nota técnica de EPE – Publicada en 2012 : http://ingenieroandreotti.blogspot.com.ar/2012/08/nota-tecnica-epeempresa-de-pesquisa.html



Parte de la entrevista al Ingeniero Victor Doña, presidente de EPSE(Energía Provincial Sociedad del Estado) realizada por defonline.com.ar (fines de diciembre de 2012)

Dice textualmente un párrafo de la nota, refiriéndose a la fabricación de paneles, dentro del  Plan Solar San Juan :

 Doña destacó la presencia en territorio sanjuanino de una industria electrointensiva, con el potencial para aumentar su producción de silicio grado metalúrgico. La planta pertenece a la empresa privada Electrometalúrgica Andina y se encuentra ubicada en Chimbas, en el valle del Tulum, a solo 6 kilómetros de la capital provincial. “Es la punta de uno de los ovillos porque es la materia prima básica a la cual queremos apuntar”, remarcó el titular de EPSE, quien viene trabajando en este plan desde hace seis años. El funcionario, quien es además docente de la Facultad de Ingeniería de la UNSJ, precisó que el silicio grado metalúrgico tiene un porcentaje de pureza de entre el 98 y el 99 por ciento, mientras el silicio grado solar debe tener como mínimo un porcentaje de pureza de 99,9999 y puede llegar hasta 99,999999999. “Mientras más puro sea, más calidad tiene la celda y mayor es la eficiencia en la generación de los paneles fotovoltaicos”, añadió.

Por otra parte, seis meses atrás, Víctor Doña viajó a Alemania junto al gobernador sanjuanino José Luis Gioja y a su ministro de Infraestructura, José Strada. “En esa visita pudimos observar una tecnología de producción de silicio que es menos compleja de la tradicional –que se realiza sobre la base del denominado método Siemens– y que consigue un silicio grado solar de muy alta pureza y con menos complicaciones”, señaló el ingeniero Doña. En esa oportunidad se firmó una carta de intención con Schmid Group para la instalación de una planta industrial de tecnología solar fotovoltaica a instalarse en San Juan. Ese grupo alemán es proveedor de maquinaria para producir lingotes, obleas, celdas y paneles solares. En estos días, se está avanzando con la provincia en un contrato de ingeniería, gestión y construcción (“llave en mano”). Según deslizó el propio gobernador, el lugar ideal para la radicación de la planta sería el parque industrial de 9 de Julio, en el Gran San Juan.
El proceso industrial ha sido dividido en dos etapas. En la primera, partiendo ya del silicio grado solar, se apuntará a la fabricación del lingote de silicio cristalizado, las obleas, las celdas y los paneles fotovoltaicos. Para más adelante quedará la segunda etapa, dirigida a la obtención del silicio grado solar, partiendo del silicio grado metalúrgico. Es decir, en un primer momento, no se contempla la elaboración en San Juan del silicio grado solar. “Con Schmid comenzamos a indagar en la propuesta de la primera etapa, es decir, los últimos cuatro bloques del proceso, que incluyen desde la fabricación de lingotes hasta la producción de celdas y paneles”, señaló Víctor Doña.
Fuente de esta segunda parte de la nota : http://www.defonline.com.ar/?p=10417



Algo de teoría para recordar y acordar terminología
El silicio es el segundo elemento más abundante en el planeta, siendo el primero el oxígeno. En la naturaleza se lo puede encontrar de dos formas : cristalino y amorfo.
Silicio Cristalino
Silicio Amorfo



                             










El silicio cristalino está compuesto por átomos organizados de una forma períodica en tres dimensiones. Las posiciones ocupadas siguen un ordenamiento que se repite para grandes  distancias atómicas (de largo alcance).
El silicio amorfo está compuestos por átomos que no presentan un ordenamiento de  largo alcance. Pueden presentar un ordenamiento de corto alcance.
El silicio monocristalino presenta  la misma estructura cristalina en toda la extensión del material sin interrupciones.
El silicio policristalino  está  constituído por varios cristales.

Silicio policristalino
Silicio tipo-N
Cada átomo de silicio tiene 14 protones y 14 electrones, o sea que se encuentra en estado neutro. Si tuviéramos un trozo de silicio sin ninguna impureza, también estaría en estado eléctrico neutro. A este átomo le llamaremos intrínseco y también el trozo de semiconductor diremos que es intrínseco.
 Los átomos del silicio tienen una valencia atómica de cuatro, por lo que se forma un enlace covalente con cada uno de los 4 átomos de silicio adyacentes. Si un átomo con cinco electrones de valencia, tales como los del grupo 15 de la tabla periódica (ej. fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb)), se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá cuatro enlaces covalentes y un electrón no enlazado. Este electrón extra da como resultado la formación de "electrones libres". El silicio en este caso decimos que ha sido dopado por la impureza que le hemos incorporado y constituirá un semiconductor tipo – N. Obsérvese que el material seguirá siendo neutro, dado que lo era antes de intercambiar un átomo neutro por otro también neutro.La única diferencia es que ahora tiene más electrones libres que antes y que ahora lo llamaremos extrínseco.
Silicio tipo-P
Si ahora reemplazamos un átomo de silicio por un átomo con tres electrones de valencia, tales como los del grupo 13 de la tabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), entonces ese átomo tendrá tres enlaces covalentes, quedando un enlace libre sin electrón y decimos que hay un hueco producido que se encontrará en condición de aceptar un electrón libre.Así los dopantes crean los "huecos”.-


En la producción de semiconductores, se denomina dopaje al proceso intencional de agregar impurezas en un semiconductor extremadamente puro (también referido como intrínseco) con el fin de cambiar sus propiedades eléctricas. El número de átomos dopantes necesitados para crear una diferencia en las capacidades conductoras de un semiconductor es muy pequeña.

Juntura P-N
Una juntura P-N consta de un único cristal de silicio que está dopado para producir  silicio tipo P de un lado y silicio tipo N del otro.

La teoría que sigue, hasta llegar a las curvas características de diodos, leds, fotodiodos, etc, no la desarrollaremos aquí porque nuestra idea no es escribir un curso sobre Física Electrónica. No obstante, recomendamos a los interesados ingresar a  la siguiente página de la Universidad Nacional del Sur de Bahía Blanca, en Argentina, donde encontrarán un tratamiento excelente del tema :  http://lcr.uns.edu.ar/electronica/Introducc_electr/2011/clases/Diodos.pdf


Aprovechamiento energético fotovoltaica

La generación fotovoltaica hace uso de elementos semiconductores fotosensibles que convierten la radiación solar en en una diferencia de potencial  en los terminales de una juntura P-N. La conexión de esos terminales a una carga, resulta en la circulación de corriente contínua. Una única célula solar produce, en condiciones normales de prueba, una diferencia de potencial con un valor entre 0,5Vy 0,6V y una potencia entre 1W y 1,5W, de modo que para su uso práctico las células deben ser conectadas en serie y en paralelo, constituyendo módulos (paneles) de baja potencia, actualmente hasta 250W, con tensiones de 12V o 24V. La conexión serie y paralelo de los paneles permite alimentar cargas mayores. A continuación se muestran las curvas de corriente-tensión y potencia tensión de las células fotoeléctricas, indicando el punto de trabajo de máxima potencia, al que se puede hacer funcionar la célula ajustando el valor de la carga.

Curvas características de una célula fotovoltaica

Eficiencia de una célula solar

El silicio gris, con que se fabrican las células solares es sensible a las  longitudes de onda entre los 300 y los 1200 nano-metros del espectro solar, o sea solo a la luz visible, y no es sensible al infrarrojo, ni al ultravioleta. Según Eric Mazur, de la Universidad de Harvard : “ Las células fotovoltaicas se fabrican con el silicio gris estandar y absorben como máximo el 60% de la energía que les llega del sol, pero si las fabricáramos con silicio negro, serían capaces de aprovechar más del 97% de dicha energía.Pero esta no es la única ventaja, los rayos solares están compuestos tanto de luz visible, como de rayos infrarrojos(calor) y ultravioletas.Las células solares clásicas solo aprovechan la parte visible; el resto lo desperdician y no solo lo desperdician, sino que el calor es perjudicial y hace que la eficiencia de las células sea menor.”
La eficiencia de una célula solar es el  cociente entre la potencia eléctrica generada por ella  y la potencia de irradiación solar incidente que la produjo, multiplicado por 100. Este término se calcula usando la relación del punto de potencia máxima, Pm, dividido por la luz que llega a la celda, irradiancia (E, en W/m²), bajo condiciones estándar de medición (STC)(Standard Test conditions)  y el área superficial de la célula solar (Ac en m²).   


                                                     η = ( Pm/ E x Ac  x 100                                                     
    
La STC especifica una temperatura de 25 °C y una irradiancia de 1000 W/m² con una masa de aire espectral de 1,5 (AM 1,5). Esto corresponde a la irradiación y espectro de la luz solar incidente en un día claro sobre una superficie solar inclinada con respecto al sol con un ángulo de 41,81º sobre la horizontal.
Esta condición representa, aproximadamente, la posición del sol de mediodía en los equinoccios de primavera y otoño en los estados continentales de los EEUU con una superficie orientada directamente al sol. De esta manera, bajo estas condiciones una célula solar típica de 100 cm2, y de una eficiencia del 12%, aproximadamente, se espera que pueda llegar a producir una potencia de 1,2 vatios.
Los dos factores principales que afectan la eficiencia de la conversión luz-electricidad son la temperatura de la célula y la intensidad de la irradiación solar incidente sobre ella. Este último factor es afectado tanto por la nubosidad local, como por la inclinación de la célula con respecto al sol. La eficiencia de conversión de las células se reduce a lo largo de su vida util en un 1% anual.
Curvas características de las células para distintas temperaturas e irradiaciones


Tecnologías Fotovoltaicas 

Las tecnologías fotovoltaicas se pueden dividir en tres generaciones :

1ra Generación : Silicio Cristalino (Policristalino y Monocristalino)
Historicamente este tipo de silicio viene siendo la forma más usada y comercializada. Los monocristalinos son así llamados por poseer una estructura homogénea en toda su extensión. La obtención del silicio monocristalino resulra más cara que la del policristalino, pero se tiene mayor eficiencia en la conversión luz/electricidad.

Células de silicio monocristalino (izq.) y policristalino(der)


Las técnicas de fabricación de las células policristalinas son básicamente las mismas que para el monocristalino, solo que se requiere menor gasto de energía y menor rigor en el control del proceso de fabricación.

Esructuras atómicas : (a)monocristalina; (b)policristalina ; (c)amorfa


2da Generación : Silicio amorfo y Película fina



Las células de películas finas son producidas por medio de un proceso de depósito de capas  extremadamente finas de material semiconductor amorfo, como el silicio amorfo (a-Si), o Teluro de Cadmio(CdTe), o ClGs.-Son revestidas de protección mecánica con vidrio o plástico.
Por ser depositadas sobre materiales de bajo costo, como vidrio, plástico o metales, las películas finas constituyen tecnología de bajo costo. Comparando con las formas cristalinas de silicio, el gasto de energía es menor, pero la eficiencia en la conversión de energía solar/electrica, también es menor.Además al cabo de los primeros meses de instaladas, la eficiencia de las películas disminuye más que la de los cristales, a pesar de ser menos afectadas por efecto de la temperatura.(Ver también :  http://es.wikipedia.org/wiki/First_Solar  )

3ra Generación : Concentración Fotovoltaica



Esta tecnología consiste en usar espejos parabólicos para concentrar los rayos solares en un área menor y de esta forma aumentar la eficiencia de la absorción de la irradiación, utilizando menor cantidad de células fotovoltaicas y de menor calidad. El principal problema en esta tecnología es la temperatura.


Procesos industriales para obtener silicio cristalino

Secuencia de procesos industriales del silicio cristalino


El silicio se encuentra en la naturaleza como dióxido de silicio ( Si O2). El primer paso pasa por su extracción y luego hay que realizar una reducción para extraerle el oxígeno, para lo cual se funde en presencia de carbón de coque a una temperatura de  1780 grados centígrados :
SiO2 +2C ------- Si + 2CO2
El siicio así obtenido alcanza una pureza del 98 al 99% y se llama silicio metalúrgico o silicio metálico.Se produce en forma exhaustiva para su uso en las industrias químicas y del aluminio y se comercializa en forma de polvos de fina textura.

Método químico de purificación del silicio metalúrgico para obtener silicio solar policristalino : (este sería el método que el Ing Doña está tratando de esquivar)

En el proceso Siemens, las barras de silicio metalúrgico de alta pureza se exponen a 1150 °C al triclorosilano(HSiCl3), gas que se descompone depositando silicio adicional en la barra según la siguiente reacción:
                 2 HSiCl3 Si + 2 HCl + SiCl

Una vez obtenido el silicio policristalino ultrapuro, llamado polisilicio,  si se desea obtener un monocristal, se puede utilizar el proceso Czochralski.

Proceso Czochralski
Éste proceso, también conocido como método de crecimiento de Czochralski,  sirve para la obtención de lingotes monocristalinos a partir de cristales policristalinos. Consiste en fundir el silicio policristalino contenido en un crisol de cuarzo, a temperaturas cercanas a los 1410 grados centígrados, luego se introduce una varilla, que tiene en su extremo un pequeño monocristal de silicio, que actúa como semilla y que se hace girar lentamente. El cristal de la semilla va creciendo a expensas del silicio fundido, que cuando va solidificando, copiando  la red cristalina de la semilla y formando un único cristal.  La varilla se va elevando lentamente (10cm/hora) y, colgando de ella, se va formando un monocristal cilíndrico. Finalmente se separa el lingote de la varilla.                                                                                                                

                                      

















Corte de las Obleas
Las obleas se cortan o bien mecanicamente mediante filamentos abrasivos, o sino usando un rayo laser. En el método mecánico la viruta que se produce en el corte es considerable y se calcula que se pierde casi el 20% del material.





Para quien estuviera interesado en profundizar los procesos industriales del silicio, le recomendamos acceder al siguiente documento :



El substrato tipo P de la célula  se logra, antes de obtener los lingotes, dopando el Silicio con átomos de Boro, para luego cortar las obleas que serán utilizadas como material tipo P en las células.
Las obleas tipo P son dopadas con átomos de Fósforo en un horno a temperaturas entre 800ºC y 900ºC para obtener la capa N.

Veamos las últimas noticias aparecidas en la prensa :

FIRMA DE CONTRATO CON ALEMANES

Solar San Juan: se preparan para importar 80 máquinas

El titular del EPSE contó que ya tuvieron reuniones con Aduana y AFIP para aceitar el camino de los equipos que deben llegar para la fábrica de montaje de paneles solares. El contrato con la firma alemana sería los primeros días de enero o de febrero. Por Viviana Pastor.


LUNES, 07 DE ENERO DE 2013

Por Viviana Pastor
vivipastor@tiempodesanjuan.com

Unas 80 máquinas para la fabricación de paneles solares y sus partes llegarán desde Alemania para que la provincia pueda llevar adelante su ambicioso proyecto Solar San Juan, junto a la empresa teutona Schmid. Para ello, desde el Gobierno están allanando el camino ante Aduana y la Administración Federal de Ingresos Públicos (AFIP), para no tener ningún escollo ante la política de restricción de importaciones que lleva adelante el Gobierno Nacional.
Cada una de esas máquinas alemanas tiene promedio entre 4 y 6 metros de largo por 3 metros de alto y 3 de ancho. Llegarán en conteiners, algunas partes ensambladas y otras desarmadas. Acá se terminarán de armar y serán unas 18 ó 20 maquinas por fábrica, es decir, un grupo para la fábrica de lingotes de silicio grado solar, otro para las obleas de silicio, otro para la fabricación de celdas y otro para el armado de paneles solares. Cada fábrica está compuesta por máquinas seriadas y otras suplementarias que alimentan la cadena.
Todo el complejo se ubicará en el predio del Parque Industrial de 9 de Julio.


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2 comentarios:

  1. Muy buena recopilación de info, gracias por publicar. sólo un detalle, es LASER...no laZer!! abrazo

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    1. Gracias Demóstenes por la observación. Ya corregí el error.
      Saludos

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