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Introducción a la Energía Solar, Paneles Fotovoltaicos.

¿Que es la Energía Solar?

Celdas Fotovoltaicas.

Paneles FV

Arreglos FV

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¿Que es la Energía Solar?

La energía solar es un recurso energético renovable, está contenida en el espectro de radiación que emite el Sol. En términos de aprovechamiento de energía, se expande el término de "energía solar" a las tecnologías de captación por dispositivos, sistemas de conversión y utilización de la energía contenida en la radiación solar.

 

La radiación solar y su energía, tiene un espectro que cubre un rango entre la  luz infrarroja, la luz visible, y la ultravioleta, que se muestra en la Fig. siguiente, con el Espectro de Radiación Solar a nivel del mar, y fuera de la atmosfera.

 

 

 

 

 

 

 

 El Sol se mueve  en la bóveda celeste de acuerdo a la siguiente a la gráfica.

El ángulo de 20° corresponde a la latitud  de Guadalajara, que coincide con la del centro del  país.

Altitud Solar es el ángulo del Sol respecto al  horizonte.

Azimut es el ángulo del Sol respecto al Norte.

 

 

 

 

 

 

ENERGÍA SOLAR

 El Sol genera energía por la fusión de átomos de Hidrogeno en Helio, se estima que en  el Sol se transforma masa a energía a razón de 4.2 millones de toneladas de materia por segundo.

La transformación sigue esta fórmula, en forma general:

41H 4He + 2e+ + 2γ + 2νe ( que libera una energía de 26.7 MeV)

donde e+ es un positrón, γ es un fotón en forma de rayo gamma, νe es un neutrino, y H y He son isótopos de hidrogeno y helio, respectivamente.

Por la ecuación de Einstein, esta transformación de materia a energía, por cada segundo,  es una potencia de:

E = mc2 =  4.2 x 10 9 kg /s    x   (3x10 8  m / s) 2  

             =  3.78 x 10 26 Joules/segundo ( o watts)

Esta cantidad de energía por segundo se irradia al espacio en todas direcciones a partir de la superficie del Sol.  La potencia que se recibe en una superficie de 1 m2 en la Tierra, perpendicular al Sol, que dista 149 millones de kilometros, la podemos encontrar si dividimos la potencia producida por el Sol entre la  superficie en m2 de una esfera de dimensión igual a la órbita de la Tierra.

 Potencia del Sol / Superficie de esfera orbital de la Tierra:

 = 3.78 x 1026 watts   / ( 4 p ( 149 x 109 m )2 ) = 1354.9 watts / m2

Este valor se conoce como Constante de Irradiación Solar, y permanece casi constante en el año, debido a que la radiación solar varía poco y por otro lado, con la órbita elíptica de la Tierra la irradiación solar tampoco cambia significativamente  ( +/-  3.5%, o 1402 w/m2 en Diciembre a 1308 w/m2 en Junio).

 

La energía solar se puede transformar de dos maneras:

Se calcula que de la energía radiada por el Sol hacia la Tierra:

  33% se refleja desde la atmósfera al espacio,

  44% es energía térmica reflejada por la Tierra como rayos infrarrojos,  

  20% es absorbida para vaporizar el agua de lagos y océanos, 

    2% se transforma en energía de viento, olas y mareas, y

    1% se almacena en forma química o biológica.

La densidad de energía que incide en la atmosfera de la Tierra, llamada Constante de Irradiacion Solar, después de atravesar la atmosfera, en la superficie al nivel del mar y sin nubes, al mediodía,  se reduce a aproximadamente 1000 watts / m2.

Este valor sirve de referencia para determinar la cantidad total de energía en Watts hora /m2, o equivalente en horas pico de radiación.

Para tener una idea de la cantidad de energía solar disponible,  México puede cubrir sus necesidades de generación de energía eléctrica, si dispusiera un campo de paneles fotovoltaicos de 15% de eficiencia, de 553 km2 en la zona desértica del norte del país.

La energía generada en el año 2009  fue:       154,344,724  Mwatts-hora, en energía.

Referencia: SENER, estadísticas de generac. de electricidad, 2009.

Sistema de Información Energética con información de CFE y LFC * No incluye Productores externos.

Energía generada año 2009 :                         154,344,724 Mwatts-hora anuales

Mwatts hora diarios                                        422,862 MWatts-hora por día,

Insolación promedio diaria de México            5.1 horas, a  Condición Estandard de 1000 watts/m2

Area requerida de energía solar a 100%      82.92 millones de metros cuadrados captando toda la energía solar

Watts/ metro cuadrado de panel típico        150 watts, o 15% de eficiencia.

Metros cuadrados requeridos, paneles FV   82.92 millones m2/ (0.15)   =    553 millones de m2

Área, km 2                                                         553 km2

Lado, km                                                             23.5 km

Costo a $6000 / m2 de panel                     $ 3.3 billones de pesos por la planta funcionando, llave en mano.

Presupuesto anual Mexico, 2012                $3.7 billones de pesos

 

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Celdas Fotovoltaicas.

Una celda fotovoltaica es un dispositivo construido a base de un material semiconductor, que utiliza un efecto de la física de materiales llamado efecto fotoeléctrico que sirve para convertir la luz a electricidad. Las celdas fotovoltaicas pueden ser sensibles a ondas de luz fuera del rango visible. En este caso son denominadas celdas fotovoltaicas, y cuando son  sensibles a la luz solar, se les llama celdas solares. Las celdas solares de silicio se elaboran utilizando obleas (wafers) monocristalinas, placas policristalinas, o láminas de película delgada.

En la producción de celdas solares se utiliza principalmente silicio como base para llegar a un material semiconductor.   Las obleas monocristalinas (de aproximadamente 1/3 a 1/2 de milímetro espesor) se cortan de un gran lingote que se ha desarrollado a aproximadamente 1400°C.   El silicio debe ser de una pureza mayor de 99.99% y de  estructura cristalina casi perfecta. A la estructura cristalina del silicio que es un aislante, se le introducen átomos de otros elementos químicos ( este proceso se llama dopado) para crear una región semiconductora tipo p y una región semiconductora tipo n de modo de producir una unión p-n. El dopado se puede hacer por difusión a muy alta temperatura, donde las celdas se colocan en un horno con el dopante introducido en forma de vapor.

 

 

 

 

Un átomo del silicio tiene 4 electrones de valencia (aquellos más débilmente unidos en las orbitas mas externas), que enlazan a los átomos adyacentes.  Las características aislantes del silicio se transforman por medio del dopado. El dopado substituye en la estructura cristalina del silicio átomos del silicio por átomos que tenga 3 o 5 electrones de valencia, lo cual producirá respectivamente,  un espacio sin un electrón (un hueco) o un electrón extra que pueda moverse libremente. En el dopado tipo p, la creación de huecos es alcanzada insertando átomos con 3 electrones de valencia, generalmente se utiliza boro. En el dopado de tipo n,  electrones adicionales se logran insertando átomos con 5 electrones de valencia, generalmente fósforo.

 

 

 

 

La interacción de la luz con los átomos que forman estos dispositivos, genera  electrones libres  y átomos ionizados;  al acumularse el efecto de separación de cargas por la llegada de fotones de luz, los electrones son llevados al electrodo negativo y los huecos al electrodo positivo, conformándose así  las 2 terminales de la celda, y se obtiene con este dispositivo una forma de energía eléctrica, que queda disponible para hacer algún tipo de trabajo.

Una vez que se crea una unión p-n, se hacen los contactos eléctricos al frente y en la parte posterior de la célula evaporando o pintando con metal la oblea o celda. La parte posterior de la oblea se puede cubrir totalmente por el metal, pero el frente de la misma tiene que tener solamente un patrón en forma de rejilla o de líneas finas de metal, para no bloquear la llegada del Sol al silicio pues no habrían fotones de luz incidentes.

 

 

 

 

Por lo tanto si se conecta un circuito puede producirse en él una corriente a partir de las celdas iluminadas, puesto que los electrones libres tienen que pasar a través del circuito para recombinarse con los huecos.  Cuando la electricidad generada por celdas solares pasa por los circuitos donde se encuentren motores, lámparas u otros mecanismos de conversión de energía, obtenemos un trabajo de ellos en alguna de sus formas; luminosa, motriz, eléctrica, etc.

La cantidad de energía que entrega un dispositivo fotovoltaico esta determinado por:

Por ejemplo, las celdas solares de silicio monocristalino de tecnología más avanzada  pueden convertir aprox. un 25% de la energía solar en electricidad.  Esto se debe en parte porque la radiación en la región infrarroja del espectro electromagnético no tiene suficiente energía como para separar las cargas positivas y negativas en el material.

Las celdas solares de silicio policristalino en la actualidad tienen una eficiencia de menos del 20% y las celdas amorfas de silicio tienen actualmente una eficiencia cerca del 10%, debido a pérdidas de energía internas más altas que las del silicio monocristalino.

Una típica celda fotovoltaica de silicio monocristalino de 100 cm2 produce cerca de 1.5 watts de energía a 0.5 voltios de voltaje de corriente continua y 3 amperes, bajo la luz del Sol en pleno verano ( irradiación estándar de 1000 W/m2). La energía de salida de la celda solar es proporcional a la intensidad de la luz del sol.

Una característica importante de las celdas fotovoltaicas es que el voltaje de salida de la celda no depende de su tamaño, y sigue siendo bastante constante cerca del los 0.5 volts, aun con el cambio de la intensidad de luz. La corriente en un dispositivo, sin embargo, es proporcional a la intensidad de la luz y al área expuesta al Sol. Para comparar diversas celdas se las clasifica por densidad de corriente, o amperios por metro cuadrado del área de la celda.

La potencia entregada por una celda solar se puede aumentar con un mecanismo de seguimiento para mantener la celda fotovoltaica dirigida al Sol, o concentrando la luz del Sol usando lentes o espejos. Sin embargo, hay límites a estos métodos, debido a la complejidad de los mecanismos, o de la necesidad de enfriar las celdas, para mantenerlas lo mas cerca a la temperatura ambiente, o dentro de las temperaturas de operación segura del semiconductor. La corriente es relativamente la misma al aumentar la temperatura, pero el voltaje se reduce. Eso provoca una caída de potencia al aumentar la temperatura de la celda.

 

Las placas policristalinas son realizadas por un proceso de moldeo en el cual el silicio fundido es vertido en un molde y se lo deja asentar. Entonces se rebana en placas. Como las placas policristalinas son hechas por moldeo son apreciablemente más baratas de producir que las obleas que son cortadas de un lingote cilíndrico, generando un desperdicio significativo de material, pero son menos eficientes que las celdas monocristalinas.

Esto se debe a las imperfecciones en la estructura cristalina resultando del proceso de moldeo.

 

El silicio amorfo, que es otra de las tecnologías de lámina delgada,  es creado depositando silicio sobre un substrato de vidrio con un gas reactivo tal como silano (SiH4).  Este tipo de celda solar se puede aplicar como película a substratos de bajo costo tales como cristal o plástico.

Otras tecnologías de lámina delgada incluyen lámina delgada de silicio multicristalino. Las celdas de lámina delgada tienen muchas ventajas incluyendo una deposición y un ensamblado más fácil, la capacidad de ser depositadas en substratos o materiales de construcción baratos, la facilidad de la producción en masa, y la gran conveniencia para aplicaciones grandes.

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   Paneles FV

Puesto que una sola celda fotovoltaica tiene un voltaje de trabajo cercano a 0.5 V, estas normalmente se conectan en serie (positivo de una con el negativo de la siguiente) para sumar sus voltajes. Con estos arreglos en serie, se proporcionan voltajes más grandes.

Los módulos o paneles solares son elementos rectangulares formadas por un conjunto de celdas fotovoltaicas, sus interconexiones, un frente de vidrio de alta resistencia a los impactos, una  placa posterior de plástico EVA (acetato de vinilo etileno) y un marco de aluminio anodizado.  Esto las defiende de efectos degradantes de la intemperie, lluvia, humedad y polvo.  El vidrio frontal es antirreflejante para optimizar la captación de los rayos solares. El marco de aluminio del panel tiene la función de dar rigidez mecánica y facilitar la fijación de el conjunto a una estructura de soporte.

Panel Solar formado de un arreglo de 9x6 celdas

Los paneles se fabrican en una amplia gama de los tamaños para diversos propósitos que generalmente caen en una de tres categorías básicas:

1.- Paneles de bajo voltaje / baja potencia, conectando piezas de silicio amorfo fotovoltaico con un área total de algunos centímetros cuadrados para obtener voltajes entre 1.5 y 6 V y potencias de algunos miliwatts. Se utilizan principalmente en relojes, calculadoras, cámaras fotográficas y dispositivos para detectar la intensidad de luz, y luces automáticas.

2.- Paneles pequeños de 1 a 10 watts y  3 a 12 V, con áreas de 100cm2 a 1000cm2, son hechos con celdas mono o policristalinas de 100cm2 y ensamblándolas en serie, o usando paneles amorfos de silicio. Los usos principales son en radios, juguetes, bombas de agua pequeñas, cercas eléctricas y cargadores de baterías.

3.- Los paneles grandes, de 10 a 200, o mas watts, y entre 6 a 37 volts, con áreas de 1000 cm2 o mas, generalmente construidos con 10 a 36 o más celdas en combinaciones serie-paralelo. Se utilizan individualmente para bombas de agua pequeñas y energía de cabañas (luces y refrigeración) o en arreglos para proporcionar energía a casas, equipos de comunicaciones, bombas grandes y fuentes de energía en área remotas.

La capacidad real de un módulo fotovoltaico difiere de su capacidad nominal medida por los fabricantes de los paneles, debido a que bajo condiciones reales de operación la cantidad de radiación que incide sobre las celdas puede ser menor, o la temperatura del panel puede ser mayor que las condiciones de prueba estandarizadas. Por ejemplo, un módulo de 60 Wp es capaz de producir 60 W más o menos un 10% de tolerancia cuando recibe una radiación solar de 1,000 watts por metro cuadrado (W/m2), y sus celdas están a temperatura de 25 ºC al momento de probarse en fábrica. En condiciones comunes al instalar ese panel en una posición fija, produciría una potencia menor que 60 W, debido a el calentamiento de las celdas provocado por el mismo Sol,  y su orientación no apunta siempre su máxima superficie hacia el Sol.

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Arreglos FV

Si una aplicación requiere más energía de la de un solo panel, pueden combinarse paneles en sistemas más grandes. Los arreglos de paneles, funcionan conectando varios paneles FV en serie, y  si se requiere, conectando varias de estas series juntas, en paralelo, para formar fuentes de voltaje de salida entre 12 y 350 o  mas volts, llegando a arreglos FV que totalizan hasta millones de watts de  capacidad de generación..

La cantidad de energía diaria o anual entregada por los paneles fotovoltaicos variará dependiendo de:

  1. El área expuesta a la radiación solar, en función de la cantidad de paneles FV que integran el sistema.
  2. La orientación respecto al norte geográfico,
  3. De su inclinación respecto al plano horizontal, 
  4. De la localización del sitio (latitud)
  5. Del clima (un cielo sin nubes causa máxima generación de potencia) y
  6. De la cantidad de horas de exposición, según la época del año.

 

 

 

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Version: 20/Jun/14