ESTUDIO TECNICO-ECONOMICO PARA LA IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO EN TIENDAS DE CONVENIENCIA

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y

ELÉCTRICA

ESTUDIO TÉCNICO- ECONÓMICO PARA LA

IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO

EN TIENDAS DE CONVENIENCIA

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO

ELECTRICISTA

PRESENTA

OSCAR GASCA CRUZ

ASESORES:

ING: TELESFORO SOTELO TRUJILLO

ING: BULMARO SÀNCHEZ HERNÀNDEZ

INDICE _{OBJETIVO……….. PROBLEMÁTICA………...} CAPITULO 1 GENERALIDADES_………. 1.1 _{CONCEPTOS………..………..} CAPITULO 2 INTRODUCCION……….

2.1 HISTORIA……….. 2.2 TENDENCIAS DE USO Y EVOL_{UCION DE ENERGIA SOLAR………}._……….. 2.3 USOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS_………. 2.3.1 SISTEMAS DE PROTECCION CATODICOS_{……….………} 2.3.2 CERC_{AS ELECTRICAS……….}

. . SISTEMAS DE ILUMINACION……….… . . TELECOMUNICACIONES Y SISTEMAS DE MONITOREO REMOTOS………. . . BOMBAS DE AGUA………

2.3.6 ELECTRIFICACION RUR_{AL………..…}

. . SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS……… . . OTROS USOS………..

CAPITULO 3

TARIFAS ELECTRICAS………18

3.1 COSTOS DE ENERGIA ELECTRICA_……… CAPITULO 4

SISTEMA SOLAR FOTOVOL_{TAICO………}.._{……….………} 4.1 DEFINICION_………._{……….……..………..…….…..}

. PRINCIPIOS BASICOS……….……..………..…….…..

4.2.1 _{COMPORTAMIENTO DE UN SEMICONDUCTOR EN PANELES SOLARES..….…..}

. . TIPOS DE SEMICONDUCTORES……….……….….….. . PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN PANEL SOLAR………._{………..…….…..}

. BARRERA INTERNA DE POTENCIAL.……….………._{………..…….…..}

4.5 POLARIZACION DIRECTA DE LA UNION P-N.……….………..…….….. 4.6 POLARIZACION INVERSA DE LA UNION P-N.……….………..…….…..

. GENERACION DE CORRIENTE EN UNA PLACA CONVENCIONAL.………..…….…..

. TIPOS DE PLACAS………..………..…….…...48

. CONSTITUCION DE LAS CELDAS………..………..…….…...50

. TIPOS DE CONEXIONES………..………..………..…….…....53

. . CONEXION PARALELO………..………..…….….. . . CONEXION SERIE………..………..…….…..

. POTENCIAS Y COSTOS………..…

. . POTENCIAS ESTANDAR………

CAPITULO 5

COMPONENTES DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO………..……..……… . PANEL FOTOVOLTAICO…...……….……… . REGULADORES DE CARGA……….……… . BANCO DE BATERIAS………….……….………

5.4 DIODOS DE _{BLOQUEO………….……….………}

. DIODOS DE DERIVACION…..……….……… . INVERSOR………..……….……… . INVERSORES SOLARES…….…..……….………

5.8DIAGRAMA DE UN SISTEMA INTERCONECTADO…………...………

. DIAGRAMA PARA UN SISTEMA EN ISLA………….……….………

CAPITULO 6

LEGALIDAD Y NORMATIVIDAD………..……..………

CAPITULO 7

SELECCIÓN DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO………….………..……..………

7.1 CARAC_{TERISTICAS DE LA CARGA……..……….………}

CAPITULO 8

SELECCIÓN DE COMPONENTES Y DE EQUIPO………….………..……..……… . SELECCIÓN DEL PANEL SOLAR………..……….……… . NUMERO DE PANELES A INSTALAR……….……… . SELECCIÓN DEL INVERSOR………….………..……….………

. SELECCIÓN DE DIODO DE BLOQUEO Y DIODO D E DERIVACION..………86

. SELECCIÓN DE PROTECCIONES Y CALIBRES DE CONDUCTOR…..………..88

. . CALIBRES DE CONDUCTOR.……….……… . . CANALIZACIONES….…..……….……… . . PROTECCIONES……….…………...……… . . SISTEMA DE TIERRA FISICA……..….………….……….……… . . MEDIDOR BIDIRECCIONAL……….………

8.6 ARREGLO DEL SISTEMA..…….……….……… 8.7 DIAGRAMA DE CONEXIONES DEL SISTEMA……….………..………92 8.8DIAGRAMA UNIFILAR DEL SISTEMA…...………..………….……….

. CUMPLIMIENTO A LA NOM SEDE ………..………

CAPITULO 9

GENERACION DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO………..………..……..………

CAPITULO 10

ANALISIS TÈCNICO-_{ECONÒMICO………..………..……..………} 10.1 ANALISIS TÈCNICO-_{ECONÒMICO CAS ……….………} 10.2 ANALISIS TÈCNICO-_{ECONÒMICO CAS ……….………} 10.3 ANALISIS TÈCNICO-_{ECONÒMICO CAS ……….………}

. . DEPRECIACIÒN ACELERADA……….……… . APOYO FINANCIERO…….…..……….……… . FACTURACIÒN……….……….…………...……… . CONCLUSION ANÁLISIS TÉCNICO.ECONÓMICO………..……… . CONCLUSION ANÁLISIS TÉCNICO.ECONÓMICO………..………

CAPITULO 11

TENDENCIAS Y ENTORNO MUNDIAL………..………..……..………

. PRODUCCIÓN MUNDIAL DE ENERGÍA SOLAR……….……… . GRANDES PLANTAS DE ENERGÍA FOTOVOLTAICA..…….………

CONCLUSIONES Y RECOMENDACI_{ONES………..……….……….}118

BIBLIOGRAFIA……….121

REFERENCIAS………..……….

1

OBJETIVO.

Realizar una evaluación técnico-económica para la selección e implementación de un sistema solar fotovoltaico para una tienda de conveniencia que factura en tarifa 2, ubicada en el centro del país, cumpliendo la legislación y normatividad vigente.

Mostrar la metodología para el estudio técnico-económico para la selección de un sistema fotovoltaico.

PROBLEMÁTICA

La energía eléctrica que se consume en México, ya sea en hogares, comercios, industrias, etc., es generada en su gran mayoría mediante el uso de hidrocarburos (diesel, gasolina, carbón), los cuales en forma periódica aumentan su precio e impactan de manera directa los costos de la energía eléctrica ($/kWh), de esta forma se eleva también el precio de la facturación.

Además de que este tipo de energía, emite contaminantes al medio ambiente, lo que ha generado que en los últimos años el desarrollo tecnológico y la investigación se hayan dado a la tarea de enfocarse en tecnologías limpias, tales como los Sistemas Fotovoltaicos, de ahí que el usuario se ha planteado el problema de disminuir los costos de facturación y evitar emisiones contaminantes al medio ambiente, proyectando así una imagen verde.

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CAPITULO 1.

GENERALIDADES.

1.1 CONCEPTOS

Acometida: Conductores de acometida que conecta la red del suministrador al alambrado del inmueble a servir.

A tierra: Conexión conductora, intencionada o accidental, entre un circuito o equipo eléctrico y el terreno natural o algún cuerpo conductor que sirva como tal.

Carga: Es cualquier aparato que se conecte a un sistema eléctrico.

Coeficiente de Temperatura para panel solar: Coeficiente que nos indica a temperaturas por arriba de 25º C el porcentaje de Tensión Eléctrica que disminuye o Intensidad de Corriente que puede aumentar. (ver tabla 12).

Conductor del electrodo de puesta a tierra: Conductor utilizado para conectar el(los) electrodo(s) de puesta a tierra al conductor de puesta a tierra del equipo, al conductor puesto a tierra o a ambos a la acometida en cada edificio o a la estructura donde esté alimentado desde una acometida común o a la fuente de un sistema derivado separadamente.

Conductor de puesta a tierra: Conductor utilizado para conectar un equipo o el circuito puesto a tierra de un sistema de alambrado al electrodo o electrodos de puesta a tierra.

Conductor de puesta a tierra de los equipos: Conductor utilizado para conectar las partes metálicas no conductoras de corriente eléctrica de los equipos, canalizaciones y otras envolventes al conductor del sistema puesto a tierra, al conductor del electrodo de puesta a tierra o ambos, en los equipos de acometida o en el punto de origen de un sistema derivado separadamente.

3

Corriente de interrupción: Corriente eléctrica máxima a la tensión nominal que un dispositivo, es capaz de interrumpir bajo condiciones de prueba normalizadas. Los dispositivos diseñados para interrumpir corriente eléctrica a otros niveles distintos de los de falla, pueden tener su valor de interrupción expresado en función de otras unidades, como kW, kVA o corriente eléctrica a rotor bloqueado del motor.

Corriente Continua (c.c.): se denomina también corriente directa (c.d.) y ambos términos pueden emplearse para la identificación o marcado de equipos, aunque debe tenderse al empleo de c.c., que es el normalizado nacional e internacionalmente.

Factor de demanda: Relación entre la demanda máxima de un sistema o parte del mismo, y la carga total conectada al sistema o a una parte del mismo.

Factor de forma (FF): Es el valor correspondiente al cociente entre la potencia pico (Wp) y el producto de la corriente de corto circuito (Icc) y la tensión de circuito abierto (Vca). FF=Wp/(Icc*Vca)

Frecuencia eléctrica: Su unidad de medida son los Hertz (Hz) y nos sirve para determinar la frecuencia en tipo de electricidad alterna, la frecuencia en nuestro país es de 60 Hz.

Intensidad de corriente eléctrica: Unidad de medida que nos sirve para saber la cantidad de corriente eléctrica que pasa por un conductor, es muy útil para determinar el tamaño o calibre de los conductores en una instalación eléctrica. A mayor cantidad de corriente, mayor el diámetro del conductor. Su unidad de medición es el Ampere (A).

Intensidad de cortocircuito (Icc): Es aquella que se produce a tensión cero. (ver grafica 1).

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Latitud: La latitud proporciona la localización de un lugar, en dirección Norte o Sur desde el ecuador y se expresa en medidas angulares que varían desde los 0º del ecuador hasta los 90ºN del polo Norte o los 90ºS del polo Sur. Esto sugiere que si trazamos una recta que vaya desde un punto cualquiera de la tierra hasta el centro de la misma, el ángulo que forma esa recta con el plano ecuatorial expresa la latitud de dicho punto. La orientación Norte o Sur depende de si el punto marcado está por encima del paralelo del ecuador (latitud norte) o si está por debajo de este paralelo (latitud Sur)

La latitud se mide en grados sexagesimales ( representados por el símbolo ° inmediatamente arriba y a la derecha del número, mientras que las subdivisiones o fracciones de los grados se representan con ' que significa minuto sexagesimal y ” que significa segundo sexagesimal), entre 0° y 90°; y puede representarse de dos formas:

Indicando a qué hemisferio pertenece la coordenada.

Añadiendo valores positivos, es decir con un signo + o por lo consuetudinario sin ningún signo antes del número -norte- y negativos, con un signo menos ó – antes del número en el -sur-.

Longitud: La longitud, abreviada long., en cartografía, expresa la distancia angular entre un punto dado de la superficie terrestre y el meridiano que se tome como 0° (es decir el meridiano base), tomando como centro angular el centro de la Tierra; habitualmente en la actualidad el meridiano de Greenwich (observatorio de Greenwich)

La longitud geográfica se mide en grados (°), minutos (') y segundos (”) generalmente la cartografía usa grados sexagesimales, minutos sexagesimales y segundos sexagesimales. Existen varias maneras de medirla y expresarla:

 entre 0° y 360°, aumentando hacia el Este del meridiano 0°;

 entre 0° y 180º indicando a qué hemisferio (Occidental o W -del inglés West nombre en inglés del punto cardinal Oeste- y Oriental o E -punto cardinal Este-) pertenece;

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Medio de desconexión: Dispositivo o conjunto de dispositivos u otros medios a través de los cuales los conductores de un circuito pueden ser desconectados de su fuente de alimentación.

Potencia pico (Wp): Es la potencia eléctrica máxima que puede suministrar una célula. Esta es igual a la tensión máxima por la corriente máxima que puede entregar la celda solar (Imp*Vmp). (ver grafica 1).

Protección de falla a tierra de equipos: Sistema diseñado para dar protección a los equipos contra daños por corrientes de falla entre línea y tierra, que hacen funcionar un medio de desconexión que desconecta los conductores no puestos a tierra del circuito afectado. Esta protección es activada a niveles de corriente eléctrica inferiores a los necesarios para proteger a los conductores contra daños mediante la operación de un dispositivo de protección contra sobrecorriente del circuito alimentador.

Rendimiento (): Cociente entre la potencia pico y la radiación incidente.



Sistema eléctrico: El sistema se debe considerar desde el punto en que es generada la electricidad, ya sea termoeléctrica, hidroeléctrica, etc. se compone del generador, los transformadores de alta tensión, la red de distribución en alta tensión, los transformadores de baja tensión que nos alimentan y la red interna de la instalación.

Sistema solar fotovoltaico: El total de componentes y subsistemas que, en combinación, convierten la energía solar en energía eléctrica apropiada para la conexión a una carga de utilización.

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Sobrecorriente: Cualquier corriente eléctrica en exceso del valor nominal de los equipos o de la capacidad de conducción de corriente de un conductor. La sobrecorriente puede ser causada por una sobrecarga (véase definición de “sobrecarga”), un cortocircuito o una falla a tierra.

Tensión de circuito abierto (Vca): Representa la tensión máxima que puede dar un panel solar. (ver grafica 1).

Tensión eléctrica a tierra: En los circuitos puestos a tierra, es la tensión eléctrica entre un conductor dado y aquel punto o el conductor del circuito que es puesto a tierra. En circuitos no puestos a tierra es la mayor diferencia de potencial entre un conductor determinado y otro conductor de referencia del circuito.

Tensión eléctrica (de un circuito): Es el mayor valor eficaz (raíz cuadrática media), de la diferencia de potencial entre dos conductores determinados. Es la mayor diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos cualesquiera de la instalación.

Tensión eléctrica nominal: Valor nominal asignado a un circuito o sistema para la designación de su clase de tensión eléctrica. La tensión eléctrica real a la cual un circuito opera puede variar de la nominal dentro de una gama que permita el funcionamiento satisfactorio de los equipos.

Tensión eléctrica nominal del sistema: Es el valor asignado a un sistema eléctrico. Como ejemplos de tensiones normalizadas, se tienen:

120/240 V; 220Y/127 V; 480Y/277 V; 480 V como valores preferentes

2 400 V como de uso restringido

440 V como valor congelado

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Tierra Física: Es un sistema que se proporciona a la instalación eléctrica, se obtiene al conectar un cable a una varilla sumergida en terreno suficientemente conductivo. (menos de 10 Ohms), nos sirve para conectar los aparatos previniendo así los choques eléctricos peligrosos para las personas, también nos sirve para descargar electricidad estática generada en los gabinetes y componentes de los aparatos eléctricos.

GRAFICA 1. CURVA I-V DE UN PANEL FOTOVOLTAICO

Radiación Solar: Su unidad de medida es Wh/m², y puede entenderse e interpretarse a partir de las siguientes consideraciones:

La radiación solar sobre la superficie terrestre en un día cualquiera puede tener un comportamiento como el mostrado en la Grafica 3. La presencia de nubes modifica esta distribución, pero para este caso en particular no se tomaran en cuenta.

I

V Imp

Vmp Corriente de Corto circuito Icc

Tension de circuito abierto Vca

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La característica de esta distribución varia también dependiendo la estación en la que se encuentre (verano o invierno), pero para la interpretación de la hora solar pico se mantiene como referencia la distribución de la Grafica 3.

El cálculo de la energía total recibida en un metro cuadrado de superficie terrestre horizontal, es representado por el área bajo la curva de la Grafica 3 por lo que debe de obtenerse un valor de alrededor de 5000 Wh/m² o 5kWh/m². Este valor resulta de la suma o integración de la energía incidente en cada hora, tanto de los valores de las horas tempranas o tardes del día, como los de mayores valores al mediodía.

GRAFICA 2. RADIACIÓN SOLAR DURANTE UN DÍA.

Con el objetivo de facilitar los cálculos, se considera un caso hipotético de un sol que logre una radiación constante de 1000 W/m², durante un corto tiempo, pero de modo tal que la energía total incidirá sobre el metro cuadrado considerado durante todo el día y que este fuera igual al que produce la radiación

En la Grafica 2 se ha representado el efecto de esta radiación actuando desde las 9:30 am hasta las 2:30 pm, es decir un tiempo total de 5 horas. Gráficamente las áreas bajo la curva son iguales, ya que ambas representan la misma radiación total incidente.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

1000

800

600

400

200

0

W/m²

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El tiempo que requiere ese sol hipotético de 1000 W/m², será el numero de hora solar pico n(HSP). Para calcular la energía total incidente en el día de este ejemplo se hace de la siguiente forma:

Radiación solar= ancho x alto = n(HSP) x 1000 W/m² = 5 horas x 1 kW/m² = 5kWh/m²

Estos valores son validos siempre que se utilice el valor de 1000 W/m² como valor

unitario, y es solo como ejemplo, debido a que la distribución mostrada en la Grafica 3 se modifica si se consideran las nubes, así como la estación del año y de la misma forma el área en la cual incide la radiación solar..

GRAFICA 3. RADIACIÓN SOLAR HIPOTÉTICA DE 1000 W/m²

Un ejemplo de medición de radiación solar sobre la superficie terrestre, y como promedio mensual durante un año se tienen los siguientes valores:

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 1000

800

600

400

200

0 W/m²

N(HSP)

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TABLA 1. RADIACIÓN SOLAR RADIACION

kWh/m2/d MES

4.78 ENERO

5.73 FEBRERO

6.55 MARZO

6.5 ABRIL

6.24 MAYO

5.6 JUNIO

5.51 JULIO

5.42 AGOSTO

4.95 SEPTIEMBRE

4.92 OCTUBRE

4.81 NOVIEMBRE

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CAPITULO 2

INTRODUCCIÓN.

2.1 HISTORIA

El término fotovoltaico proviene del griego φώς:phos, que significa “luz” y voltaico, que

proviene del campo de la electricidad, en honor al físico italiano Alejandro Volta, (que también proporciona el término volt a la unidad de medida de la diferencia de potencial en el Sistema Internacional de medidas). El término fotovoltaico se comenzó a usar en Inglaterra desde el año 1849.

El efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez en 1839 por el físico francés Becquerel, pero la primera célula solar no se construyó hasta 1883. Su autor fue Charles Fritts, quien recubrió una muestra de selenio semiconductor con un pan de oro para formar el empalme. Este primitivo dispositivo presentaba una eficiencia de sólo un 1%. Russell Ohl patentó la célula solar moderna en el año 1946, aunque Sven Ason Berglund había patentado, con anterioridad, un método que trataba de incrementar la capacidad de las células fotosensibles.

La era moderna de la tecnología de potencia solar no llegó hasta el año 1954 cuando los Laboratorios Bell, descubrieron, de manera accidental, que los semiconductores de silicio dopado con ciertas impurezas, eran muy sensibles a la luz.

Estos avances contribuyeron a la fabricación de la primera célula solar comercial con una conversión de la energía solar de, aproximadamente, el 6%. La URSS lanzó su primer satélite espacial en el año 1957, y los EEUU un año después. En el diseño de éste se usaron células solares creadas por Peter Iles en un esfuerzo encabezado por la compañía Hoffman Electronics.

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los que la energía provendría de un dispositivo de captación de la luz solar. Fue un desarrollo crucial que estimuló la investigación por parte de algunos gobiernos y que impulsó la mejora de los paneles solares.

En 1970 la primera célula solar con heteroestructura de arseniuro de galio (GaAs) y altamente eficiente se desarrolló en la extinta URSS por Zhore Alferov y su equipo de investigación.

La producción de equipos de deposición química de metales por vapores orgánicos o MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), no se desarrolló hasta los años 80 del siglo pasado, limitando la capacidad de las compañías en la manufactura de células solares de arseniuro de galio. La primera compañía que manufacturó paneles solares en cantidades industriales, a partir de uniones simples de GaAs, con una eficiencia de AM0 (Air Mass Zero) del 17% fue la norteamericana ASEC (Applied Solar Energy Corporation). La conexión dual de la celda se produjo en cantidades industriales por ASEC en 1989, de manera accidental, como consecuencia de un cambio del GaAs sobre los sustratos de GaAs a GaAs sobre sustratos de germanio.

El dopaje accidental de germanio (Ge) con GaAs como capa amortiguadora creó circuitos de tensión eléctrica abiertos, demostrando el potencial del uso de los sustratos de germanio como otras celdas. Una celda de uniones simples de GaAs llegó al 19% de eficiencia AM0 en 1993. ASEC desarrolló la primera celda de doble unión para las naves espaciales usadas en los EEUU, con una eficiencia de un 20% aproximadamente.

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En México, el Centro de Investigaciones Avanzadas del IPN ha sido pionero del desarrollo fotovoltaico desde hace más de 25 años, período en el que se han fabricado tanto celdas de silicio cristalino como módulos fotovoltaicos a nivel de planta piloto. No obstante, no se ha llegado a la fabricación en serie, más bien el objetivo ha sido demostrar la disponibilidad tecnológica para la producción de celdas con vistas a su industrialización; sin embargo, la tecnología utilizada es prácticamente artesanal y los elementos de producción limitados, aún cuando varios módulos han sido instalados, principalmente por dependencias gubernamentales. Otras Instituciones como el Laboratorio de Energía Solar y el Instituto de Física, ambas de la UNAM, han desarrollado cierta actividad, principalmente en la tecnología de películas delgadas, probando diferentes técnicas de deposición y analizando varios compuestos. A la fecha no han logrado obtener prototipos, motivo por el que se puede aseverar que el desarrollo fotovoltaico en México es realmente incipiente.

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2.2 TENDENCIAS DE USO Y EVOLUCIÓN DE ENERGÍA SOLAR

Tomando en cuenta que la energía solar se ha vuelto de suma importancia a nivel mundial, debido a que como establecen los expertos es la fuente de energía más abundante y quizás el único recurso que está garantizado por los próximos 6 mil millones de años (fuente inagotable), además de que la energía solar ofrece una de las soluciones a escala masiva debido al enorme incremento de la demanda de energía limpia y renovable y que haga frente al uso de los combustibles fósiles, que contribuya al abastecimiento energético nacional, que sea menos perjudicial para el medio ambiente y que no contamina ni emita gases contaminantes, se realiza este proyecto, haciendo un previo análisis de rentabilidad para la colocación de paneles solares en tiendas de conveniencia, buscando la opción más viable de acuerdo a costos de energía, costos de paneles solares, y financiamientos, obteniendo así beneficios que van desde ahorro de energía en los costos de utilización de energía eléctrica, deducción de impuestos (ISR), consumo de energía renovable y limpia, colocando así a la empresa como socialmente responsable y generando valores de responsabilidad social, demostrando de esta forma su preocupación por el cuidado del medio ambiente.

2.3 USOS DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS.

En la Figura 1 se muestran algunos de los usos más comunes de los sistemas fotovoltaicos, ya sean en sistemas aislados o en isla, o en sistemas interconectados a la red de suministro de energía eléctrica.

FIGURA 1. DIFERENTES USOS DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

SISTEMAS EN ISLA _{INTERCONECTADOS}SISTEMAS

PROTECCION CATODICA

CERCAS ELECTRICAS

BOMBAS DE AGUA ELECTRIFICACION

RURAL

TELECOMUNICACIONES Y MONITOREO REMOTO

ILUMINACION TRATAMIENTO DE AGUA

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2.3.1 Sistemas de protección Catódicos

La protección catódica es un método de proteger las estructuras de metal contra la corrosión. Es aplicable a puentes, tuberías, edificios, estanques, perforaciones y líneas ferroviarias. Para alcanzar la protección catódica se aplica una pequeña tensión negativa a la estructura de metal y éste evita que se oxide. El terminal positivo de la fuente es conectado a un ánodo galvánico o de sacrificio que es generalmente un pedazo del metal de desecho, que es corroído en vez de la estructura que se desea proteger. Los paneles solares fotovoltaicos a menudo se utilizan en lugares remotos para proporcionar esta tensión eléctrica.

FIGURA 2. SISTEMAS DE PROTECCIÓN CATÓDICOS

2.3.2 Cercas Eléctricas

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resolver mediante un sistema fotovoltaico compuesto de paneles solares, un acondicionador de energía y una batería.

FIGURA 3. CERCAS ELÉCTRICAS

2.3.3 Sistemas de Iluminación

A menudo se requiere iluminación en lugares remotos donde el costo de emplear energía de la red es demasiado alto. Tales aplicaciones incluyen la iluminación de seguridad, ayudas a la navegación (ej. boyas y faros), señales iluminadas en los caminos, señales en cruces ferroviarios y la iluminación de aldeas. Los paneles solares pueden satisfacer tales usos, aunque siempre se requerirá de una batería de almacenaje. Estos sistemas generalmente consisten de un panel solar fotovoltaico más una batería de almacenaje, un acondicionador de energía y una lámpara fluorescente de C.C. de baja tensión y alta eficiencia. Estos sistemas son muy populares en áreas remotas, especialmente en países subdesarrollados y es uno de los usos principales de paneles solares.

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2.3.4 Telecomunicaciones y sistemas de monitoreo remotos

Las buenas comunicaciones son esenciales para mejorar la calidad de vida en áreas alejadas. Sin embargo el costo de energía eléctrica de hacer funcionar estos sistemas y el alto costo de mantenimiento de los sistemas convencionales han limitado su uso. Los sistemas fotovoltaicos han proporcionado una solución rentable a este problema con el desarrollo de estaciones repetidoras de telecomunicaciones en área remotas. Estas estaciones típicamente consisten de un receptor, un transmisor y un sistema basado en una fuente de alimentación fotovoltaica. Existen miles de estos sistemas instalados alrededor del mundo y tienen una excelente reputación por su confiabilidad y costos relativamente bajos de operación y mantenimiento.

Principios similares se aplican a radios y televisiones accionadas por energía solar, los teléfonos de emergencia y los sistemas de monitoreo. Los sistemas de monitoreo remotos se pueden utilizar para recolectar datos del tiempo u otra información sobre el medio ambiente y transmitirla automáticamente vía radio a una central.

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2.3.5 Bombas de agua accionadas por energía solar

Existen más de 10.000 bombas de agua accionadas por energía solar en el mundo. Son utilizadas extensamente en granjas para proveer el agua al ganado. En países subdesarrollados se les utiliza extensivamente para bombear agua de pozos y de ríos a las aldeas para consumo doméstico y la irrigación de cultivos. Un típico sistema de bombeo accionado por energía fotovoltaica consiste en un conjunto de paneles solares fotovoltaicos que accionan un motor eléctrico, el que impulsa la bomba. El agua se bombea de la tierra o afluente a un tanque de almacenaje que proporciona una alimentación por gravedad. No es necesario un almacenaje de energía en estos sistemas. Los sistemas de bombeo accionados por energía solar se encuentran disponibles en proveedores de equipo agrícola y son una alternativa rentable a los molinos de viento agrícolas para el abastecimiento de agua en áreas alejadas.

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2.3.6 Electrificación Rural

Las baterías de almacenaje se utilizan en áreas aisladas para proporcionar corriente eléctrica de la baja tensión para iluminación y comunicaciones así como también para vehículos. Un sistema fotovoltaico de carga de baterías consiste en generalmente un pequeño conjunto de paneles solares más un regulador de carga. Estos sistemas se utilizan extensamente en proyectos rurales de electrificación en países subdesarrollados.

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2.3.7 Sistemas De Tratamiento De aguas

En áreas alejadas la energía eléctrica se utiliza a menudo para desinfectar o purificar agua para consumo humano. Los paneles solares se utilizan para alimentar una luz fuerte ultravioleta utilizada para matar bacterias en agua. Esto se puede combinar con un sistema de bombeo agua accionado con energía solar.

La desalinización del agua salobre se puede alcanzar mediante sistemas fotovoltaicos de ósmosis inversa.

FIGURA 8. SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS

2.3.8 Otros usos de paneles solares

Se pueden utilizar paneles solares fotovoltaicos en una gran variedad de aplicaciones incluyendo:

Productos de consumo tales como relojes, juguetes y calculadoras

Sistemas de energía de emergencia

Refrigeradores para almacenaje de vacunas y sangre en áreas remotas

Fuentes de alimentación para satélites y los vehículos espaciales

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CAPITULO 3.

TARIFAS ELÉCTRICAS.

La compañía suministradora clasifica las tarifas según tres parámetros:

a) La tensión de suministro al consumidor

b) kW de demanda del consumidor

c) La región geográfica donde se localiza el consumidor.

a) Tensión de suministro. Las tensiones eléctricas de suministro por parte de CFE se dividen en:

Baja tensión.- es el servicio que se suministra en niveles de tensión menores o iguales a 1000 Volts. De acuerdo a NMX-J-098- ANCE Sistemas eléctricos de potencia-Suministro-Tensiones Eléctricas Normalizadas (El sistema de suministro de energía eléctrica en México, considerando las configuraciones eléctricas para este fin, así como los valores de tensión eléctrica nominal de uso común en México), se suministra por parte de CFE a 115/230 V, 208 Y/120 V, 460 Y/265 V, 220/127 V y 460 V como valores referentes.

Media tensión.- es el servicio que se suministra en niveles de tensión mayores a 1000 Volts, pero menores o iguales a 35,000 Volts.

Alta tensión a nivel subtransmisión.- es el servicio que se suministra a niveles de tensión mayores a 35,000 Volts, pero menores a 220,000 Volts.

Alta tensión a nivel transmisión.- es el servicio que se suministra a niveles de tensión iguales o mayores a 220,000 Volts.

b) kW de demanda del consumidor. Las tarifas en función de la demanda del consumidor en kW se clasifican en:

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 Tarifa 03 tiene un suministro en baja tensión (no requiere subestación si la carga es en baja tensión) para demandas superiores a 25 kW.

 Tarifa OM (Ordinaria en Media Tensión), requiere subestación propia, siempre que la carga este en baja tensión y es una tarifa para usuarios con demanda menor a 100 kW.

Existen más tarifas, por ejemplo la HM, esta tarifa es llamada tarifa Horaria debido a que divide al día en diferentes horarios con diferentes costos dependiendo de los mismos, tiene un suministro en media tensión para demandas superiores a 100 kW.

c) La región geográfica donde se localiza el consumidor. La Secretaria de Energía (SENER)ha dividido al país de acuerdo a su situación geográfica, climática y necesidades de consumo, principalmente para diferenciar el uso de la energía eléctrica en baja, media y alta tensión. (ver figura 9).

A continuación se detallan los municipios y estados de la República Mexicana que corresponden a cada Región 1.

Región Baja California. Todos los municipios del estado de Baja California. Municipios del estado de Sonora: San Luis Río Colorado.

Región Baja California Sur. Todos los municipios del estado de Baja California Sur.

Región Noroeste. Todos los municipios del estado de Sonora, excepto San Luis Río Colorado. Todos los municipios del estado de Sinaloa.

Región Norte. Todos los municipios de los estados de Chihuahua y Durango. Municipios del estado de Zacatecas: Chalchihuites, Jiménez del Teúl, Sombrerete Saín Alto, Jerez, Juan Aldama, Río Grande, General Francisco Murguía, Mazapil, Melchor Ocampo. Municipios del estado de Coahuila: Torreón, San Pedro de las Colonias, Matamoros, Viesca, Parras de la Fuente y Francisco I. Madero.

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estado de San Luis Potosí: Vanegas, Cedral, Cerritos, Guadalcázar, Ciudad Fernández, Río Verde, San Ciro de Acosta, Lagunillas, Santa Catarina, Rayón Cárdenas, Alaquines, Cuidad del Maíz, Cuidad Valles, Tamazopo, Aquismon, Axtla de Terrazas, Tamazunchale, Huehuetlán, Tancahuitz, Tanlajas, San Antonio, Coscatlán, Tampamolón, San Vicente Tancuayalab, Ebano, Xilitla, Yampacan, San Vicente Tancuayalab, Ebano, Xilitla, Yampacan, Tanquian de Escobedo. Municipios del estado de Veracruz: Pánuco, Tempoal, Pueblo Viejo, Tampico Alto, Ozuluama de Mazcareñas, El Higo, Huayacocotla.

Región Central. Todas las delegaciones del Distrito Federal. Municipios del Estado de México: Tultepec, Tultitlán, Ixtapaluca, Chalco de Días Covarrubias, Huixquilucan de Degallado, San Mateo Atenco, Toluca, Santa Cruz Atizapán, Cuautitlán, Coacalco, Cuautitlán Izcalli, Atizapán de Zaragoza, Tlalnepantla, Naucalpan de Juárez, Ecatepec, Chimalhuacán, Chicoloapán, Texcoco, Ciudad Netzahualcóyolt, Los Reyes la Paz. Municipios del estado de Morelos: Cuernavaca.

Región Sur. Todos los municipios de los estados de: Nayarit, Jalisco, Colima, Michoacán, Aguascalientes, Guanajuato, Querétaro, Hidalgo, Guerrero, Tlaxcala, Puebla, Oaxaca, Chiapas, Tabasco. Todos los municipios de los estados de Zacatecas, San Luis Potosí y Veracruz no comprendidos en la Región Norte o en la Región Noreste. Todos los municipios de los estados de México y Morelos no comprendidos en la Región Central.

24

FIGURA 9. REGIONES DE LA REPUBLICA MEXICANA

En el costo de facturación inciden cuatro conceptos fundamentales para formular los recibos eléctricos: (ver tabla 2).

DEMANDA MÁXIMA MEDIDA. La demanda máxima medida se determina mensualmente por instrumentos de medición que indiquen la demanda promedio en kilowatts (kW) durante cualquier intervalo de 15 minutos, en el cual dicha demanda sea mayor que en cualquier otro período de 15 minutos a lo largo del período de facturación.

BAJA CALIFORNIA BAJA CALIFORNIA SUR

NORTE NORESTE NOROESTE CENTRAL SUR

25

ENERGÍA CONSUMIDA. Es la cantidad de kilowatts hora (kWh) registrados en el término de cierto período, normalmente un mes. La manera en la que se registra este parámetro es a través de un sistema de medición ya sea por medios analógicos o medios digitales, en donde se registrará consumo total de energía en el período de facturación.

MEDICIÓN EN BAJA TENSIÓN. Este cargo se realiza por las perdidas en los transformadores (lado secundario) y al ser absorbidas por la compañía suministradora, esta efectúa un cargo del 2% por perdidas en el transformador.

FACTOR DE POTENCIA. Es el cociente de la relación que existe entre la potencia activa o real (P) entre la potencia aparente (S).

Cos Φ= P/S ; FP= Cos Φ Donde:

Cos Φ es el ángulo que se forma entre la potencia aparente y la activa.

P= potencia activa o real

S= Potencia aparente

FP = Factor de Potencia

26

CONCEPTO TARIFA 2 TARIFA 3 TARIFA OM TARIFA HM DEMANDA

MAXIMA MEDIDA kWh

X X X

ENERGIA CONSUMIDA

kWh

X X X X

MEDICION EN BAJA TENSION

X FACTOR DE

POTENCIA X X X

TABLA 2. CONCEPTOS PARA EL COBRO DEL SERVICIO DE ENERGÍA ELÉCTRICA.

GRAFICA 4. CONCEPTOS BÁSICOS PARA EL COBRO DEL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA.

kW

de

ma

nd

a

27

3.1 COSTOS ENERGÍA ELÉCTRICA.

Durante el 2010 y el 2011 de acuerdo a datos de la Comisión Federal de Electricidad, los costos de la energía eléctrica tarifa 2 tuvieron un comportamiento como el mostrado en la tabla 3:

TABLA 3. COSTOS DE ENERGÍA ELÉCTRICA PARA TARIFA 2 DURANTE 2010 y 2011.

MES AÑO CARGO FIJO

por cada uno de los primeros 50 kilowatts-hora.

por cada uno de los siguientes 50 kilowatts-hora.

por cada kilowatt-hora adicional a los anteriores

ENE 2010 $45.94 $1.86 $2.25 $2.47

FEB 2010 $46.02 $1.95 $2.35 $2.59

MAR 2010 $46.39 $1.97 $2.38 $2.62

ABR 2010 $46.70 $1.96 $2.37 $2.60

MAY 2010 $46.93 $1.91 $2.30 $2.53

JUN 2010 $47.01 $1.91 $2.31 $2.54

JUL 2010 $47.26 $1.95 $2.35 $2.59

AGO 2010 $47.35 $1.95 $2.35 $2.59

SEP 2010 $47.44 $1.94 $2.35 $2.58

OCT 2010 $47.46 $1.89 $2.29 $2.52

NOV 2010 $47.65 $1.91 $2.31 $2.54

DIC 2010 $47.83 $1.89 $2.28 $2.50

ENE 2011 $47.82 $1.94 $2.35 $2.58

FEB 2011 $48.10 $1.97 $2.38 $2.61

MAR 2011 $48.60 $2.00 $2.42 $2.66

ABR 2011 $49.03 $2.00 $2.41 $2.65

MAY 2011 $49.33 $2.07 $2.50 $2.75

JUN 2011 $49.51 $2.09 $2.53 $2.78

JUL 2011 $49.35 $2.11 $2.55 $2.80

AGO 2011 $49.50 $2.09 $2.52 $2.77

SEP 2011 $49.61 $2.11 $2.56 $2.57

OCT 2011 $50.18 $2.12 $2.81 $2.82

NOV 2011 $50.99 $2.16 $2.61 $2.87

DIC 2011 $51.69 $2.22 $2.68 $2.95

28

GRAFICA 5. COSTOS DE ENERGÍA ELÉCTRICA PARA TARIFA 2 DURANTE 2010 Y 2011.

De acuerdo al comportamiento mostrado en la Grafica 5, la tendencia de los costos de la energía eléctrica es aumentar, para ejemplificar este caso se utiliza una línea de tendencia para cada bloque de cargos por el consumo de energía eléctrica, esta línea de tendencia arroja una ecuación lineal y se obtienen los siguientes valores de costo de energía eléctrica para los próximos 2 años..

$0.00 $0.50 $1.00 $1.50 $2.00 $2.50 $3.00 $3.50 C A R G O FI JO $ 4 5 .9 4 $ 4 6 .0 2 $ 4 6 .3 9 $ 4 6 .7 0 $ 4 6 .9 3 $ 4 7 .0 1 $ 4 7 .2 6 $ 4 7 .3 5 $ 4 7 .4 4 $ 4 7 .4 6 $ 4 7 .6 5 $ 4 7 .8 3 $ 4 7 .8 2 $ 4 8 .1 0 $ 4 8 .6 0 $ 4 9 .0 3 $ 4 9 .3 3 $ 4 9 .5 1 $ 4 9 .3 5 $ 4 9 .5 0 $ 4 9 .6 1 $ 5 0 .1 8 $ 5 0 .9 9

AÑO 2010 2010 2010 2010 2010 2010 2010 2010 2010 2010 2010 2010 2011 2011 2011 2011 2011 2011 2011 2011 2011 2011 2011 MES ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV DIC ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEP OCT NOV

29

TABLA 4. INCREMENTO MENSUAL PARA CADA BLOQUE DE CARGOS POR CONSUMO DE ENERGÍA ELÉCTRICA DURANTE

DOS AÑOS.

La tienda objeto de estudio y análisis, se encuentra en una tarifa 2, con una demanda de 18.5 kW, tensión de suministro en baja tensión (220/127 V), la región en la que se ubica es la central, en el Estado de México municipio de Naucalpan de Juárez, con una carga instalada de 23 kW.

CARGO FIJO

por cada uno de los primeros 50 kilowatts-hora.

por cada uno de los siguientes 50 kilowatts-hora.

por cada kilowatt-hora adicional a los anteriores

y=0.2121x+45.586 y=0.0165x+2.2197 y=0.0165x+2.2197 y=0.014x+2.47

$50.89 $2.63 $2.63 $2.82

$51.10 $2.65 $2.65 $2.83

$51.31 $2.67 $2.67 $2.85

$51.52 $2.68 $2.68 $2.86

$51.74 $2.70 $2.70 $2.88

$51.95 $2.71 $2.71 $2.89

$52.16 $2.73 $2.73 $2.90

$52.37 $2.75 $2.75 $2.92

$52.59 $2.76 $2.76 $2.93

$52.80 $2.78 $2.78 $2.95

$53.01 $2.80 $2.80 $2.96

$53.22 $2.81 $2.81 $2.97

$53.43 $2.83 $2.83 $2.99

$53.65 $2.85 $2.85 $3.00

$53.86 $2.86 $2.86 $3.02

$54.07 $2.88 $2.88 $3.03

$54.28 $2.90 $2.90 $3.04

$54.49 $2.91 $2.91 $3.06

$54.71 $2.93 $2.93 $3.07

$54.92 $2.95 $2.95 $3.09

$55.13 $2.96 $2.96 $3.10

$55.34 $2.98 $2.98 $3.11

$55.55 $3.00 $3.00 $3.13

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CAPITULO 4

SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO

4.1

DEFINICIÓN

.

Los módulos fotovoltaicos o paneles solares fotovoltaicos están formados por un conjunto de celdas (células fotovoltaicas) que producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos (radiación solar). El conjunto de estos paneles solares forman el arreglo del sistema solar fotovoltaico. (ver figura 11).

FIGURA 11. COMPOSICIÓN DE PANELES SOLARES

CELDA

PANEL O

MODULO

31

El comportamiento eléctrico de un modulo fotovoltaico, es decir su curva característica V-I, que es necesaria conocer para la utilización de dicho modulo y el diseño de generadores fotovoltaicos, viene determinado por una serie de parámetros, obtenidos a partir de la información característica suministrada por el fabricante, habitualmente bajo Condiciones Estándares de Medida, de uso universal, que son:

 - radiación de 1000 W/m²

 - temperatura de célula de 25 °C

En estas condiciones se miden al menos la potencia máxima que puede entregar el modulo, la corriente de corto circuito, la tensión a circuito abierto y el factor de forma.

FIGURA 12. PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS

Las características de un modulo se complementan con la Temperatura de Operación Nominal de la Célula (TONC), definida como la temperatura que alcanzan las células solares, cuando se somete al modulo a las condiciones de operación siguientes:

 Radiación de 800 W/m²

32

El conocimiento de los cuatro parámetros anteriores, Potencia máxima, Corriente de corto circuito, Tensión de circuito abierto y el TONC es suficiente para conocer el comportamiento del panel en cualquier condición de operación definida por un valor de la radiación y un valor de temperatura ambiente.

De acuerdo a estos parámetros, los valores de eficiencia obtenidos en módulos con distintas tecnologías de células solares se muestran en la tabla 5:

TABLA 5. EFICIENCIA EN CELDAS SOLARES

Dos factores afectan directamente el comportamiento de los paneles solares, que son la radiación solar (ver grafica 6) y la temperatura ambiente (ver grafica 7).

 La intensidad de corriente máxima (Imp) y la tensión máxima (Vmp) del panel solar se dará de acuerdo a la potencia máxima (Wp) que se genere en el panel.

 La potencia máxima (Wp) del panel dependerá no solo de la radiación solar, también es factor la carga a la que esté conectada.

 La corriente de corto circuito (Icc) y la tensión a circuito abierto (Vca) son valores que se miden en Condiciones Estándares de Medición.

TECNOLOGIA EFICIENCIA %

AREA cm²

Vca V

Icc A

Factor de forma %

Si

(monocristalino)

21.6 862 32.6 0.703 81.3 Si

(policristalino)

33

GRAFICA 6 COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO DEL PANEL SOLAR CON DIFERENTES NIVELES DE RADIACIÓN.

El efecto de la temperatura en el panel solar se manifiesta de la siguiente forma: a temperaturas por encima de 25° C el panel solar va perdiendo alrededor de 0.5 % V por cada grado centígrado.

Para un panel con una radiación de 1000 W/m², cuyos datos nominales son 20 V , y 3.5 A, y es sometido a 25ºC, 27ºC y 29ºC, se tendrían los valores tal como se muestra en la Grafica 7.

GRAFICA 7. COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO DEL PANEL SOLAR CON DIFERENTES TEMPERATURAS.

Icc (A)

Vmp (V)

Wp (W)

1000 W/m² 800 W/m² 500 W/m²

Vmp (V)

0 2 4 6 8 10 16 20 24

4 3.5

3.1 3

2

0

Imp (A)

Vmp (V)

25 °C

34

4.2 PRINCIPIOS BÁSICOS.

4.2.1 Comportamiento de un Semiconductor en paneles solares.

Un semiconductor es una sustancia que se comporta como conductor o como aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla 6.

TABLA 6. TIPOS DE SEMICONDUCTORES

El elemento semiconductor más usado es el silicio, el segundo el germanio, aunque de idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos 12 y 13 con los de los grupos 14 y 15 respectivamente (AsGa, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). Posteriormente se ha comenzado a emplear también el azufre. La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración electrónica s²p².

4.2.2 TIPOS DE SEMICONDUCTORES

Semiconductores intrínsecos

Es un cristal de silicio o Germanio que forma una estructura tetraédrica similar a la del carbono mediante enlaces covalentes entre sus átomos. Cuando el cristal se encuentra a temperatura ambiente algunos electrones pueden absorber la energía necesaria para saltar a la banda de conducción dejando el correspondiente hueco en la banda de

ELEMENTO GRUPO

ELECTRONES EN LA

ULTIMA CAPA

Cd 12 2 e¯

Al, Ga, B, In 13 3 e¯

Si, C, Ge 14 4 e¯

P, As, Sb 15 5 e¯

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valencia (1). Las energías requeridas, a temperatura ambiente, son de 0,7 eV y 0,3 eV para el silicio y el germanio respectivamente.

Obviamente el proceso inverso también se produce, de modo que los electrones pueden caer, desde el estado energético correspondiente a la banda de conducción, a un hueco en la banda de valencia liberando energía. A este fenómeno se le denomina recombinación. Sucede que, a una determinada temperatura, las velocidades de creación de pares electrones y huecos, y de recombinación se igualan, de modo que la concentración global de electrones y huecos permanece invariable. Siendo "n" la concentración de electrones (cargas negativas) y "p" la concentración de huecos (cargas positivas), se cumple que: ni = n = p

Siendo la concentración intrínseca del semiconductor, función exclusiva de la temperatura. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes eléctricas. Por un lado la debida al movimiento de los electrones libres de la banda de conducción, y por otro, la debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos (2), originando una corriente de huecos con 4 capas ideales y en la dirección contraria al campo eléctrico cuya velocidad y magnitud es muy inferior a la de la banda de conducción.

Semiconductores extrínsecos

36

Semiconductor tipo N

Un Semiconductor tipo N se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso negativos o electrones).

Cuando se añade el material dopante aporta sus electrones más débilmente vinculados a los átomos del semiconductor. Este tipo de agente dopante es también conocido como material donante ya que da algunos de sus electrones.

FIGURA 13. ESTRUCTURA DE UN SEMICONDUCTOR

37

inmóvil, y el material dopado tipo N generalmente tiene una carga eléctrica neta final de cero.

Semiconductor tipo P

Un Semiconductor tipo P se obtiene llevando a cabo un proceso de dopado, añadiendo un cierto tipo de átomos al semiconductor para poder aumentar el número de portadores de carga libres (en este caso positivos o huecos).

Cuando se añade el material dopante libera los electrones más débilmente vinculados de los átomos del semiconductor. Este agente dopante es también conocido como material aceptor y los átomos del semiconductor que han perdido un electrón son conocidos como huecos.

El propósito del dopaje tipo P es el de crear abundancia de huecos. En el caso del silicio, un átomo tetravalente (típicamente del grupo 14 de la tabla periódica) se le une un átomo con tres electrones de valencia, tales como los del grupo 13 de la tabla periódica (ej. Al, Ga, B, In), y se incorpora a la red cristalina en el lugar de un átomo de silicio, entonces ese átomo tendrá tres enlaces covalentes y un hueco producido que se encontrara en condición de aceptar un electrón libre.

38

4.3 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN PANEL SOLAR

Algunos de los fotones, que provienen de la radiación solar, impactan sobre la primera superficie del panel, penetrando en este y siendo absorbidos por materiales semiconductores, tales como el silicio o el arseniuro de galio.(ver figura 14).

Los electrones, subpartículas atómicas que forman parte del exterior de los átomos, y que se alojan en orbitales de energía cuantizada,( esto quiere decir que la energía de los electrones en el átomo esta restringida a ciertos valores), son golpeados por los fotones (interaccionan) liberándose de los átomos a los que estaban originalmente confinados.

Esto les permite, posteriormente, circular a través del material y producir electricidad. Las cargas positivas complementarias que se crean en los átomos que pierden los electrones, (parecidas a burbujas de carga positiva) se denominan huecos y fluyen en el sentido opuesto al de los electrones, en el panel solar.

Se ha de comentar que, así como el flujo de electrones corresponde a cargas reales, es decir, cargas que están asociadas a desplazamiento real de masa, los huecos, en realidad, son cargas que se pueden considerar virtuales puesto que no implican desplazamiento de masa real.

Un conjunto de paneles solares transforman la energía solar (energía en forma de radiación y que depende de la frecuencia de los fotones) en una determinada cantidad de corriente continua (CC), también denominada DC (acrónimo del inglés Direct Current y que corresponde a un tipo de corriente eléctrica que se describe como un movimiento de cargas en una dirección y un sólo sentido, a través de un circuito. Los electrones se mueven de los potenciales más bajos a los más altos).

39

La electricidad generada se distribuye, casi siempre, a la línea de los dispositivos de iluminación, ya que estos no consumen energía excesiva y son los adecuados para que funcionen correctamente con la electricidad generada por el panel.

La electricidad que no se usa se utiliza en los dispositivos de iluminación se puede dirigir a otro tipo de cargas, ya sea computadoras, televisores, etc.

FIGURA 14. FUNCIONAMIENTO DE UN PANEL SOLAR

Cuando un fotón llega a una pieza de silicio, pueden ocurrir tres acontecimientos:

1. El fotón puede pasar a través del material de silicio sin producir ningún efecto, esto ocurre, generalmente para fotones de baja energía.

2. Los fotones pueden ser reflejados al llegar a la superficie del panel, y son expulsados de este.

3. El fotón es absorbido por el silicio, en cuyo caso puede ocurrir: o Generar calor

o Producir pares de electrones-huecos, si la energía del fotón incidente es más alta que la mínima necesaria para que los electrones liberados lleguen a la banda conducción.

40

solares. Este fenómeno, de múltiplos enteros, es explicable mediante la mecánica cuántica y la energía cuántica.

Cuando se absorbe un fotón, la energía de este se comunica a un electrón de la red cristalina. Usualmente, este electrón está en la banda de valencia, y está fuertemente vinculado en enlaces covalentes que se forman entre los átomos colindantes. El conjunto total de los enlaces covalentes que forman la red cristalina da lugar a lo que se llama la banda de valencia. Los electrones pertenecientes a esa banda son incapaces de moverse más allá de los confines de la banda, a no ser que se les proporcione energía, y además energía determinada. La energía que el fotón le proporciona es capaz de excitarlo y promocionarlo a la banda de conducción, que está vacía y donde puede moverse con relativa libertad, usando esa banda, para desplazarse, a través del interior del semiconductor.

El enlace covalente del cual formaba parte el electrón, tiene ahora un electrón menos. Esto se conoce como hueco. La presencia de un enlace covalente perdido permite a los electrones vecinos moverse hacia el interior de ese hueco, que producirá un nuevo hueco al desplazarse el electrón de al lado, y de esta manera, y por un efecto de traslaciones sucesivas, un hueco puede desplazarse a través de la red cristalina. Así pues, se puede afirmar que los fotones absorbidos por el semiconductor crean pares móviles de electrones-huecos.

Un fotón solo necesita tener una energía más alta que la necesaria para llegar a los huecos vacíos de la banda de conducción del silicio, y así poder excitar un electrón de la banda de valencia original a dicha banda.

41

(dispersado mediante vibraciones de la red, denominadas fonones) en lugar de energía eléctrica utilizable.

FIGURA 15. REACCIÓN QUÍMICA DENTRO DE UNA CÉLULA FOTOVOLTAICA

Separación de los portadores de carga

Hay dos modos fundamentales para la separación de portadores de carga en una célula solar:

1. Movimiento de los portadores, impulsados por un campo electrostático establecido a través del dispositivo.

2. Difusión de los portadores de carga de zonas de alta concentración de portadores a zonas de baja concentración de portadores (siguiendo un gradiente de potencial eléctrico).

42

En este caso, el modo dominante de separación es mediante la vía de la difusión de los portadores de carga.

4.4 Barrera interna de potencial

FIGURA 16. FORMACIÓN DE LA ZONA DE LA BARRERA INTERNA DE POTENCIAL.

Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p.

Al establecerse estas corrientes aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, (ver figura 16), zona que recibe diferentes denominaciones como barrera interna de potencial, zona de carga espacial, de agotamiento o empobrecimiento, de deflexión, de vaciado, etc.

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una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.

Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (V0) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V si los cristales son de germanio.

La anchura de la zona de carga espacial una vez alcanzado el equilibrio, suele ser del orden de 0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor.

4.5 Polarización directa de la unión P - N

FIGURA 17. POLARIZACIÓN DIRECTA DEL DIODO p-n

44

Para que un diodo esté polarizado directamente, tenemos que conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que:

 El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.

 El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.

 Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n.

 Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería.

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4.6 Polarización inversa de la unión P - N

FIGURA 18. POLARIZACIÓN INVERSA DEL DIODO p-n

En este caso, (ver figura 18) el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación:

46

 El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos átomos sólo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos.

 Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.

47

4.7 Generación de corriente en una placa convencional. Esquema eléctrico.

Los paneles solares funcionan, como se ha dejado entrever en el anterior apartado, por el efecto fotoeléctrico. Cada célula fotovoltaica está compuesta de, al menos, dos delgadas láminas de silicio. Una dopada con elementos con menos electrones de valencia que el silicio, denominada P y otra con elementos con más electrones que los átomos de silicio, denominada N.

Aquellos fotones procedentes de la fuente luminosa, que presentan energía adecuada, inciden sobre la superficie de la capa P, y al interactuar con el material liberan electrones de los átomos de silicio los cuales, en movimiento, atraviesan la capa de semiconductor, pero no pueden volver. La capa N adquiere una diferencia de potencial respecto a la P. Si se conectan unos conductores eléctricos a ambas capas y estos, a su vez, se unen a un dispositivo o elemento eléctrico consumidor de energía que, usualmente y de forma genérica se denomina carga, se iniciará una corriente eléctrica continua.

Este tipo de paneles producen electricidad en corriente continua y aunque su efectividad depende tanto de su orientación hacia el sol como de su inclinación con respecto a la horizontal, se suelen montar instalaciones de paneles con orientación e inclinación fija, por ahorros en mantenimiento. Tanto la inclinación como la orientación, se fija dependiendo de la latitud y tratando de optimizarla al máximo usando las recomendaciones de la norma correspondiente.

FIGURA 19. ESQUEMA ELÉCTRICO BÁSICO DE UN PANEL SOLAR.

PANEL SOLAR

DIODO DE DERIVACION

REGULADOR DE CARGA TIPO DERIVADO DIODO DE

48

4.8 TIPOS DE PLACAS

Las placas fotovoltaicas se dividen en:

 Cristalinas

o Monocristalinas: se componen de secciones de un único cristal de silicio (reconocibles por su forma circular u octogonal, donde los 4 lados cortos, son curvos, debido a que es una célula circular recortada).

o Policristalinas: cuando están formadas por pequeñas partículas

cristalizadas.

 Amorfas: cuando el silicio no se ha cristalizado.

FIGURA 20. COMPOSICIÓN DE LAS PLACAS FOTOVOLTAICAS, DE IZQUIERDA A DERECHA: MATERIAL CRISTALINO, AMORFO Y POLICRISTALINO

MATERIAL CRISTALINO Y POLICRISTALINO

Las celdas FVs que se ofrecen en el mercado actual utilizan dos tipos de materiales semiconductores. Uno tiene una estructura cristalina uniforme, el otro una estructura policristalina.

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El tipo cristalino requiere un elaborado proceso de manufactura, que consume enormes cantidades de energía eléctrica, incrementando sustancialmente el costo del material semiconductor. La versión policristalina se obtiene fundiendo el material semiconductor, el que es vertido en moldes rectangulares. Su estructura cristalina no es uniforme, de ahí el nombre de poli (muchos) y cristalino (cristales).

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4.9 CONSTITUCIÓN DE LAS CELDAS

SUPERFICIE ACTIVA

Esta es la parte del área total de la celda que interviene en el proceso de conversión. En la actualidad, es común que la conexión a uno de los materiales semiconductores sea hecha usando diminutos trazos metálicos en la parte frontal (área expuesta al sol).

Este proceso resulta en una disminución del área activa de la celda. Algunas de estas celdas tienen conectadas las zonas N y P del semiconductor en la parte posterior de la celda. Este proceso de fabricación incrementa el área activa de la celda, sin aumentar la superficie de la misma.

FORMA GEOMETRICA

El método de fabricación determina, asimismo, la forma geométrica de la celda FV.

Las primeras versiones eran circulares. Versiones más recientes tienen forma cuadrada, ya sea con vértices redondeados o a 90°.

MATERIAL ANTI REFLEJANTE

De no ser tratada, la superficie del material semiconductor que está expuesta a la luz incidente tiende a reflejar una porción de la misma, disminuyendo la cantidad de energía luminosa que puede llegar al par semiconductor. Para evitar esta pérdida, el fabricante deposita una finísima capa de material anti reflejante

MATERIAL AMORFO

51

denomina amorfa (a = sin; morfos = forma). La ausencia de una estructura cristalina aumenta la posibilidad de que una carga libre sea atrapada, lo que se traduce en una menor eficiencia de conversión. Recientemente la compañía United Solar Systems ha introducido un panel de este tipo bajo el nombre Uni-Solar. Para compensar el bajo rendimiento de conversión, este panel apila tres capas de material amorfo. Cada una de ellas responde a un distinto rango de frecuencias dentro del espectro visible de la luz solar. El más profundo responde al rojo, el del medio al verde, y el de arriba al azul. Como la eficiencia total sigue siendo más baja que la de un panel con celdas cristalinas o policristalinas, la superficie activa requerida para obtener una determinada potencia de salida es siempre mayor. Estos paneles adquieren rigidez mecánica mediante el uso de una placa de acero en la parte posterior, un laminado plástico de protección en el frente y un marco metálico de aluminio.

FIGURA 22. COMPOSICIÓN DE UN PANEL SOLAR

12 V +

12 V

ALUMINIO

CELDA INTERCONEXION

52

53

4.10 TIPOS DE CONEXIONES.

Las conexiones más comunes para los paneles solares fotovoltaicos dependiendo de la tensión eléctrica a utilizar son las siguientes:

4.10.1 Conexión paralelo.

Las conexiones de cableado en paralelo se hacen de los terminales positivo (+) a positivo (+) y de los terminales negativo (-) al negativo (-) de entre los módulos o paneles solares fotovoltaicos. (ver figura 24).

Cuando las cargas o las fuentes se conectan en paralelo, las corrientes se suman y la tensión resultante es la misma en todas las partes del circuito.

Por lo tanto, si se desea aumentar la intensidad de corriente en un sistema de paneles solares, éstos se deben conectar en paralelo.

Remarcando: Si se conecta en paralelo aumenta la corriente producida y no la tensión

FIGURA 24. PANELES EN CONEXIÓN PARALELO

Parámetros nominales de cada uno de los paneles: V= 12 V

I = 2.5 A

P= 40 W

Entonces conectando en paralelo los 3 paneles:

V = 12 V

I = 3 X 2.5 = 7.5 A

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4.10.2 Conexión serie.

Son circuitos donde el cableado se hace desde un extremo positivo (+) del panel a otro extremo negativo (-) del mismo panel. Por su puesto puede hacerse la conexión también desde un panel a otro panel cuidando las salidas positivo (+) a negativo (-) o viceversa. (ver figura 25).

Cuando las cargas o las fuentes de energía están conectadas en serie, aumenta la tensión eléctrica.

En serie no aumenta la intensidad de corriente producida. La figura 25 muestra dos módulos conectados en serie que resulta en 36V y 2.5A.

FIGURA 25. PANELES EN CONEXIÓN SERIE

Parámetros nominales de cada uno de los paneles:

V= 12 V

I = 2.5 A

P= 40 W

Entonces conectando los paneles en serie:

V = 3 X12 = 36 V

I = 2.5 A