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.
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| 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
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.
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Curvas características de una célula fotovoltaica
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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
η = ( Pm/ E x Ac ) x 100
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.
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Curvas características de
las células para distintas temperaturas e irradiaciones
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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.
y+policristalino(derecha).bmp) |
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.
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Esructuras atómicas :
(a)monocristalina; (b)policristalina ; (c)amorfa
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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
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Secuencia de procesos
industriales del silicio cristalino
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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 + SiCl4
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.
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 yla 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 y6 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.
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
Cada una de esas máquinas alemanas tiene promedio entre 4 y
Todo el complejo se ubicará en el predio del Parque Industrial de 9 de Julio.
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Muy buena recopilación de info, gracias por publicar. sólo un detalle, es LASER...no laZer!! abrazo
ResponderEliminarGracias Demóstenes por la observación. Ya corregí el error.
EliminarSaludos
Thank you for tall this amazing and so interesting information about the solar panel and it's so helpful for me well done.
ResponderEliminarpostes solares
Es muy importante no sólo la instalación de paneles solares, sino promover su uso y fabricación a escala localmente. Yo en mi galpon en alquiler he instalado paneles solares en el techo.
ResponderEliminarMuy buena recopilación de info, gracias por publicar.
ResponderEliminarComo calcular un sistema de energía solar Paneles solares fotovoltaicos:
https://go.hotmart.com/M31323095W?dp=1
Un artículo muy interesante. Las placas solares permiten un ahorro económico y es una energía que no contamina. Por estas razones, cada vez es más común que las instalen empresas y hogares.
ResponderEliminarBuena idea baterias solares baratas y con mejor rendimiento es el futuro y lo mas puro y libre de la energia ojala a futuro se pueda seguir con todas estas tecnologias
ResponderEliminarUno de los aspectos que vuelve relevantes a las baterias solares baratas es que son reversibles. Es decir, una vez se descarguen, estas se vuelven a cargar con la energía proveniente de las celdas de los paneles fotovoltaicos. Esto hace que sea sustentable y muy útil su funcionamiento. Existen diferentes aspectos que permiten determinar las baterías solares precios.
ResponderEliminarEste comentario ha sido eliminado por el autor.
ResponderEliminarSeguro que conoces cómo se obtiene la energía solar, a través de la radiación del sol, pero, ¿sabías que dependiendo de cómo se aproveche esta se puede producir electricidad o calor? Consulta toda la información en: placas solares malaga
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