Ciencias Básicas e Ingeniería Licenciatura en Ingeniería en Energía

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(1)UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA IZTAPALAPA Ciencias Básicas e Ingeniería Licenciatura en Ingeniería en Energía. “Celdas Fotovoltaicas para Energizar un Sistema de Bombeo de Agua” Tesis que presentan los alumnos: Cabrera Peña Ignacio. Fermín Montiel Rigoberto. Lugar de realización: Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa. Asesor Responsable:. México D. F.. Diciembre 2003.

(2) Índice. Introducción ............................................................................................................................. 1 Planteamiento ........................................................................................................................... 8 Justificación .............................................................................................................................. 9 Objetivo General .................................................................................................................... 10 Objetivos Particulares ........................................................................................................... 11 Resumen .................................................................................................................................. 12. UNIDAD 1. Enlaces Químicos y Propiedades de los Semiconductores 1.1 Enlaces químicos ............................................................................................................. 15 Enlace Iónico .............................................................................................................. 15 Enlace Covalente ........................................................................................................ 16 Enlace Metálico ......................................................................................................... 17 1.2 Efecto Fotoeléctrico ........................................................................................................ 18 1.3 Semiconductores ............................................................................................................. 19 1.3.1 1.3.2 1.3.3. Semiconductor tipo P y tipo N ......................................................................... 24 Diodo Semiconductor ....................................................................................... 25 Región de agotamiento ..................................................................................... 29. 1.4 Observaciones .................................................................................................................. 32 Referencias .............................................................................................................................. 33.

(3) UNIDAD 2. Energía Solar Fotovoltaica 2.1. Energía Solar ................................................................................................................. 35 2.2. Radiación Solar ............................................................................................................. 35 2.2.1 2.2.2. Radiación Solar en México .............................................................................. 39 Aparatos para medir la radiación solar ............................................................ 43. 2.3 Energía Solar Fotovoltaica............................................................................................ 45 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.3.7. Celdas Fotovoltaicas ........................................................................................ 45 Fabricación de las Celdas Fotovoltaicas .......................................................... 48 Clasificación de las celdas fotovoltaicos ......................................................... 48 Sistema Fotovoltaico ........................................................................................ 51 Partes Principales de un Sistema Fotovoltaico ................................................. 52 Aplicaciones de la Energía Fotovoltaica .......................................................... 63 Impacto ambiental que tiene la energía Solar Fotovoltaica ............................. 64. 2.4 Observaciones ................................................................................................................ 65 Referencias ............................................................................................................................. 66. UNIDAD 3. Análisis Energético de un Sistema de Bombeo Fotovoltaico 3.1 Bombeo solar de agua .................................................................................................... 69 3.2 Balance de Materia y Energía para un Fluido ............................................................. 71 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5. Balance de Materia ........................................................................................... 71 Balance de Energía ............................................................................................72 Fricción de un fluido ........................................................................................ 74 Evaluación de la Fricción del Fluido ................................................................ 75 Análisis Hidráulico en un Sistema de Bombeo de Agua ................................. 77. 3.3 Aplicaciones Típicas de Bombeo Solar de Agua .......................................................... 80 3.4 Ventajas de Bombeo Solar de Agua .............................................................................. 83 Referencias .............................................................................................................................. 84.

(4) UNIDAD 4. Desarrollo Experimental del Análisis Energético de un Sistema de Bombeo Solar de Agua 4.1 Análisis Energético de Bombeo Solar de Agua ........................................................... 86 4.2 Conclusiones ................................................................................................................. 100 Referencias ........................................................................................................................... 101 Conclusiones Finales ........................................................................................................... 102 APÉNDICE 1. Diseño de un sistema de Bombeo Solar................................................... 105 APÉNDICE 2. Glosario de términos de Energía Solar .................................................... 110 APÉNDICE 3. Pérdidas por Fricción ............................................................................... 116 APÉNDICE 4. Modelos Matemáticos .............................................................................. 118 APÉNDICE 5. Hoja de cálculo para el Análisis Energético de Bombeo Solar de agua ................................................................................................................................................ 120.

(5) Universidad Autónoma Metropolitana. Introducción. Introducción Como el resto de las energías renovables, la tecnología fotovoltaica que consiste en convertir directamente la radiación solar en electricidad es una fuente de energía descentralizada, limpia e inagotable. Actualmente la fotovoltaica ya es competitiva para electrificar emplazamientos relativamente alejados de las líneas eléctricas como, viviendas rurales, bombeo de agua, señalización, alumbrado público, equipos de emergencia, etcétera. Estas propiedades motivan al hombre a transformar la radiación proveniente del sol a otras formas de energía más útiles como la eléctrica o la mecánica. De esta manera se puede aprovechar la energía disponible del sol a través de dispositivos especiales para cada uso específico. A través de los años se han realizado estudios relacionados con la energía Solar fotovoltaica, teniendo un gran interés en la conservación de las fuentes de energía no renovables que empezó a tratarse como una necesidad, los desarrollos que se han producido en el aprovechamiento de las energías renovables han sido espectaculares. En concreto, el actual mercado fotovoltaico crece de forma contundente y lo más importante respaldado por un interés gubernamental en el ámbito mundial. Para un mayor conocimiento de la situación actual de la tecnología solar fotovoltaica se muestra una gráfica y una tabla que describe esta evolución significativa de las instalaciones fotovoltaicas en el ámbito mundial y nos permiten analizar su producción y su potencia de instalación [3].. ___________________________________________________________________________________________. Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto. Energía Fotovoltaica. 1.

(6) Universidad Autónoma Metropolitana. Introducción. Se observa en la gráfica 1, de como la producción mundial de módulos solares fotovoltaicos se ha multiplicado de una manera acelerada des de 1983 al 2002.. Gráfica 1. Producción mundial de módulos solares fotovoltaicos. Años 1983 a 2002. Unidades en MWp.. En la tabla 1 se describe según el tipo de aplicación: las instalaciones solares fotovoltaicas autónomas, y las instalaciones solares fotovoltaicas conectadas a la red eléctrica.. Tabla 1. Potencia fotovoltaica instalada a finales de 2002 (en MWp). ___________________________________________________________________________________________. Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto. Energía Fotovoltaica. 2.

(7) Universidad Autónoma Metropolitana. Introducción. Con respecto a nuestro país, México, hay zonas que no cuentan con los servicios de electricidad y para darnos una idea de cuantos habitantes no cuentan con dicho servicio, sé a realizado un censo para su cuantificación, los resultados obtenidos se muestran en la tabla 2 indicando que existen en el país más de 133,000 comunidades de menos de 50 habitantes, la mayoría de ella sin los servicios básicos, incluida la energía eléctrica.. Comunidades. Total. Sin Electricidad. %. Total del país. 95373479 24231590 5353805 4865685 2854376 1847661 6733835 4463754 19957098 12235182 12830493. 4551008 3561427 232500 146973 65307 32192 148839 58764 186589 60756 57661. 4.8 14.7 4.3 3.0 2.3 1.7 2.2 1.3 0.9 0.5 0.4. 1 – 2499 2500 – 4999 5000 – 9999 10000 – 14999 15000 – 19999 20000 – 49999 50000 – 99999 10000 – 499999 500000 – 999999 Mas de 1000000. habitantes habitantes habitantes habitantes habitantes habitantes habitantes habitantes habitantes habitantes. Tabla 2. Datos del censo del 2000.. Gracias al trabajo de Universidades, institutos y empresas, hoy se cuenta en México con la tecnología que aprovecha la energía solar para producir electricidad, ya que, afortunadamente, existen en nuestros días dispositivos como las celdas fotovoltaicas y termosolares para aprovechar más fácilmente dicha energía. La Comisión Federal de Electricidad ha acudido a este recurso para iluminar las comunidades que se encuentran alejadas de las redes de distribución. Actualmente, la paraestatal ha instalado más de 32 mil plantas solares en todo el territorio nacional, a fin de incorporar estas zonas a las líneas generales del progreso y bienestar social [1]. Por ejemplo algunos de los lugares de México que no contaba con energía eléctrica es la Reserva Natural de Banco Chinchorro, localizada en Estado de Quintana Roo, a mar abierto, a 30.8 km del poblado costero de Mahahual, que es el punto continental más cercano y está separada de la costa por un canal de 1,000 m de profundidad, donde se tuvo la fortuna de participar en la instalación de Módulos Solares Fotovoltaicos [4]. En el sitio de la instalación no contaba con electricidad ni agua potable, por lo que con ésta instalación permitió electrificar y establecer un sistema de bombeo solar de agua para el abastecimiento de los departamentos del lugar. También se establecerá una planta de tratamiento de aguas residuales y negras.. ___________________________________________________________________________________________. Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto. Energía Fotovoltaica. 3.

(8) Universidad Autónoma Metropolitana. Introducción. El sistema de energía renovable para la RBBCH esta formado por [2]: a. Dos sistemas para bombeo de agua para una Carga Dinámica Total de 15 metros y un gasto promedio diario anual de 3300 litros como mínimo. Cada sistema es independiente y operar a 24 VCD. b. Un sistema híbrido Fotovoltaico central de 3300 Watts de potencia nominal, con capacidad para recargar de baterías mediante una máquina de combustión. La descripción de las partes de los sistemas de la instalación en la reserva es la siguiente. 1. Módulos FV: El sistema esta formado por 20 módulos conectados en 10 subarreglos serie-paralelo. El arreglo FV opera a un voltaje nominal de 24 VCD. Los módulos fotovoltaicos a emplear son de policristalinos de potencia nominal entre 100 y 120 Watts, voltaje nominal 12 VCD, con marco de aluminio anodizado. 2. Gabinete colector de cable FV: El sistema cuenta con un gabinete colector de cables del arreglo FV donde se alojaran los fusibles, uno para cada subarreglo, los fusibles son de 15 amperes. Este gabinete es de un material anticorrosivo tipo NEMA 4X. 3. Control de carga del sistema FV: El control de carga para el arreglo FV opera a un voltaje de 24 VCD. Corriente máxima de operación de 60 amperes. El control de carga cuenta con las funciones de: Compensación de temperatura, protección contra descargas atmosféricas, punto de conexión a tierra, indicador de estado de carga de baterías, indicador de corriente de módulos y totalizados de Ah entregados al banco de baterías, como mínimo. Los puntos de ajuste del controlador deberán estar claramente marcados una etiqueta en un costado del controlador. 4. Banco de Baterías: Este banco esta formado por un arreglo serie paralelo de 40 baterías de 100 Ah de 12 VCD. Las baterías son del tipo selladas, libres de mantenimiento, plomo-ácido y diseñadas para soportar descargas profundas. La capacidad total nominal del banco de baterías es de 43.2 Kw-h para operar a un voltaje nominal de 24 VCD. Durante la instalación se le aplico una grasa anticorrosiva y conductora para los bordes de conexión de las baterías. 5. Centro de carga y sistemas de protección: El sistema cuenta con un centro de carga donde converjan todo los cables del sistema y se alojen los sistemas de desconexión y protección. Este gabinete es de sello hermético, a prueba de intemperismo a pesar de que esta alojado dentro del cuarto de baterías y control, es del tipo NEMA 4X. Cuenta con etiquetas identificadoras para cada uno de los interruptores y desconectores. En la puerta del gabinete hay una leyenda “Peligro alto voltaje en CD”.. ___________________________________________________________________________________________. Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto. Energía Fotovoltaica. 4.

(9) Universidad Autónoma Metropolitana. Introducción. 6. Sistemas de protección y desconexión: El sistema cuenta con un sistema de desconexión del arreglo solar con una capacidad de protección mínima de 50 Amp en CD por medio de fusibles y/o interruptores termo magnético. De igual forma un sistema de desconexión y protección entre el banco de baterías y los inversores con una capacidad de protección de 250 Amp. El sistema de protección a la salida de los inversores en c.a es de 75 Amp. El sistema en su conjunto cuenta con un sistema de protección contra descargas atmosféricas y esto esta alojado en uno en el gabinete colector del arreglo FV, y otro en el sistema de control de Inversor. 7. Sistema de tierras. Este sistema esta conectado a un solo punto final. Todos los módulos FV, los gabinetes, el banco de baterías y los inversores están puestos a tierra de acuerdo a la norma NEC y CFE así como siguiendo las recomendaciones de fabricante del inversor. 8. Cables conductores: Todo el cableado esta bien identificado por el código de colores de acuerdo con la norma NEC y CFE. El cableado esta calculado tomando las distancias reales de acuerdo a los planos que se proporcionen y las caídas de voltaje máximo no exceden el 4%. Todo los cables están contenidos en conduits para protegerlos del medio ambiente a excepción de los cables del banco de baterías a inversor. En los puntos de conexión ( módulos, control, etc.) están estañados para evitar la corrosión. 9. Sistemas de inversores: El sistema cuenta con un inversor de 44000 Watts nominales. Este inversor provee 127 VCA, 60 Hz, onda senoidal pura, voltaje de alimentación 24 VCD. Las características mínimas que cumplen este equipo son: Salida en CA Continua Salida CA máxima Eficiencia mínima a 4000 W Razón máxima de carga Rango de voltaje de alimentación Forma de onda de salida Distorsión armónica total Tipo de gabinete Rango de temperatura de operación Rango de sensibilidad de carga Compensación de temperatura. 46 Amp 78 Amp 90% 75 Amp 22 a 33 VCD Senoidal 34 a 52 paso por ciclo 3 a 55% Para interruptores con pintura en polvo - 10 °C a + 60 °C 16 a 240 Watts Incluir cable medición de temperatura de baterías. ___________________________________________________________________________________________. Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto. Energía Fotovoltaica. 5.

(10) Universidad Autónoma Metropolitana. Introducción. 10. Estructura para el arreglo FV: Esta estructura es de tipo fija, con ángulo de inclinación de 25° respecto a la horizontal del terreno. Orientación Sur verdadero. Los materiales de construcción son de aluminio anodizado. Toda los tornillos y herrajes son de acero inoxidables 316. El anclaje al techo de la estructura está con taquetes de expansión. Esta estructura esta diseñada para soportar vientos de hasta 220 Km /hr.. En esta tesis se presentará de una manera ordenada y sistemática diferentes temas relacionados con los sistemas fotovoltaicos para la aplicación de Bombeo Solar de Agua. Primero se ostentara una serie de objetivos que permitirá la elaboración y realización de esta tesis. En la primera unidad se estudiará los Enlaces Químicos y Los semiconductores, ya que los enlaces químicos son importantes para el estudio y comportamiento de los materiales llamados semiconductores. En esta unidad iniciaremos con el estudio de los diferentes tipos de enlaces químicos (iónico, covalente y metálico). En ésta misma unidad se va a tratar de los materiales llamados semiconductores, principalmente por que sus propiedades eléctricas son fundamentales en el funcionamiento de los transistores y de los dispositivos relacionados con ellos. Posteriormente se estudiará el funcionamiento del diodo semiconductor . En esta misma unidad se revisará la región de agotamiento en los semiconductores, y finalmente terminaremos con esta unidad con algunas observaciones para la aplicación de los semiconductores para una celda fotovoltaica. En la segunda unidad se tratará una pequeña introducción a la energía solar y a la energía fotovoltaica. Además en esta unidad se iniciará con la definición de energía solar y posterior mente con el estudio de la radiación solar, así como sus características e instrumentos utilizables para la medición de la misma. Con esta información se podrá utilizar con mayor rendimiento la aplicación y funcionamiento de una celda fotovoltaica. Posteriormente se estudiará el fenómeno el principio de la celda fotovoltaica, ya que ésta consiste en la conversión directa de luz solar en electricidad a nivel atómico. En esta misma unidad se analizará la clasificación de los sistemas, conversión y módulos fotovoltaicos. Después se terminará con esta unidad con una breve explicación de un panorama general de las ventajas y aplicaciones de la energía solar fotovoltaica. ___________________________________________________________________________________________. Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto. Energía Fotovoltaica. 6.

(11) Universidad Autónoma Metropolitana. Introducción. En la unidad tres se estudiará el Análisis Energético de un Sistema Fotovoltaico. En esta unidad iniciaremos con el principio del bombeo solar de agua, es decir, en que consiste y algunas de sus aplicaciones. En esta misma unidad se analizara el balance de energía y materia y el Análisis Hidráulico para un Sistema de Bombeo solar de Agua. Posteriormente, se estudiará los datos a suministrar para un cálculo correcto en un sistema de bombeo fotovoltaico, así como algunas de las principales ventajas de estos sistemas. En la unidad cuatro se presentará un desarrollo experimental del Análisis Energético de un Sistema de Bombeo Solar de Agua, y finalmente terminaremos con esta tesis los resultados y conclusiones obtenidos a partir del Análisis Energético del Sistema de Bombeo Fotovoltaico.. Referencias 1. Comisión Federal de Electricidad, Museo Tecnológico. Las Fuentes de la Energía, México D. F. 1999. 2. Ecoturismo y Nuevas Tecnologías. Consultoría Técnica para el Desarrollo y Nuevas Tecnologías para el tratamiento de agua y generación de energía con el viento, agua y sol. Ing. Arturo Romero Paredes Rubio. 3. Pasado, presente y futuro de las instalaciones fotovoltaicas. Publicado por la revista ROBOTIKE, No. 7, 2003. 4.. Programa de manejo de la Reserva de la Biosfera Banco Chinchorro. Instituto Nacional de Ecología, SEMARNAP, México, 2000.. ___________________________________________________________________________________________. Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto. Energía Fotovoltaica. 7.

(12) Universidad Autónoma Metropolitana. Introducción. Planteamiento Hasta hace poco tiempo la humanidad había dado la energía como un hecho, siempre estaba ahí, -¿por qué molestarse en saberse qué es o de donde viene?- Pero en la actualidad la gente esta preocupada. De pronto descubrimos que hemos estado agotando importantes fuentes de energía (petróleo, gas natural y carbón) con demasiada rapidez. Debemos pensar seriamente: ¿de dónde vendrá nuestra energía en el futuro?. Pues no hay nada en el mundo que no esté afectado por la energía o falta de ella. Este es un tema que esta probando la inteligencia y el ingenio de algunas de las personas más brillantes del mundo. A sí es como debe ser, ya que la disponibilidad de la energía en los años, siglos por venir conformará el futuro de la humanidad. Existen muchas oportunidades para proporcionar energía una vez que las reservas de petróleo, gas y carbón comiencen a agotarse. El Sol, la Biomasa, el Mar e incluso el agua de la lluvia, de los ríos y hasta la que se utiliza para riego pueden ayudar a satisfacer las necesidades mundiales de energía. Por estas razones en este trabajo se estudiará los principios fundamentales de la conversión fotovoltaica, como aplicación de la energía solar, ya que este tipo de energía representa una oportunidad para desarrollar un ideal: extraer energía de una fuente natural, inagotable y no contamina.. ___________________________________________________________________________________________. Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto. Energía Fotovoltaica. 8.

(13) Universidad Autónoma Metropolitana. Introducción. Justificación Hoy en día, para el aprovechamiento con racionalidad de los recursos naturales en nuestro país constituye un gran reto muy prometedor para salvaguardar nuestros tesoros naturales y aún nuestra propia existencia. Asimismo, la calidad de vida depende también de la medida en como cuidemos nuestra tierra, aguas, aire y en general nuestros recursos naturales. Por estas razones, el propósito principal de la realización de esta tesis es presentar y dar a conocer una de las alternativas para la solución ideal de estos problemas, que en este caso será la energía solar fotovoltaica, ya que ésta usa como fuentes de energía, el sol, que constituye una alternativa con todas esas propiedades deseables para su explotación en beneficio del hombre: no cuesta, no contamina el medio ambiente, es de fácil manejo y su potencia disponible es alta (1000 Watts/m2). Además, en esta tesis se estudiará y se analizará una de las aplicaciones de gran importancia de la energía solar fotovoltaica, que es el sistemas de bombeo solar de agua. Estos tipos de sistemas pueden dar solución a los problemas que se presentan en las zonas donde no se dispone de un suministro de energía convencional, o esta no es fiable. También estos sistemas presentan grandes cualidades en su utilización, por ejemplo, tiene una larga vida útil, un mantenimiento reducido, alto rendimiento, fiabilidad y costos de funcionamiento bajos. Por éstas razonemos nosotros como ingenieros en energía, debemos de conocer y estudiar con detalle estos problemas, para que en un futuro propongamos algunas alternativas para la solución y control de estos problemas.. ___________________________________________________________________________________________. Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto. Energía Fotovoltaica. 9.

(14) Universidad Autónoma Metropolitana. Objetivos. Objetivo General El principal objetivo de la realización de esta tesis, es conocer y estudiar el funcionamiento de los sistemas fotovoltaicos, con el fin de realizar una aplicación de la energía solar fotovoltaica, que en este caso será el Bombeo Solar de Agua, ya que uno de los problemas que se presenta para el desarrollo de las áreas rurales aisladas, está estrechamente vinculada a la disponibilidad de energía eléctrica, con el fin, de abastecer las necesidades del productor agrario, ganadero y otras. Además con esta aplicación se podrá realizar un Balance Energético en un Sistema de Bombeo Fotovoltaico, presentando los principios fundamentales tanto teóricos y prácticos para su realización. Con ésta información ayudará a determinar si el bombeo solar de agua representa la solución ideal para el aprovisionamiento de agua en todos los sitios donde la red eléctrica es ausente.. __________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 10.

(15) Universidad Autónoma Metropolitana. Objetivos. Objetivos Particulares 1. Proponer y establecer las bases fundamentales para el estudio, análisis e importancia de los semiconductores, ya que éstos materiales presentan una propiedad muy importante para la conducción eléctrica, es decir, que son capaces de conducir la corriente eléctrica cuando se les aplica una diferencia de potencial, conocido como el efecto fotovoltaico. 2. Dar a conocer el uso e importancia de los semiconductores para la fabricación y clasificación de las celdas fotovoltaicas. 3. Presentar las características, aplicaciones y recursos de la energía solar fotovoltaica, con el propósito de verificar, que la importancia de la energía solar fotovoltaica en las zonas donde no se dispone de la red eléctrica convencional, la convierte en una fuente alterna de energía ideal y significativa para el bienestar y desarrollo de las personas. En este sentido es importante presentar el impacto ambiental que tiene la energía solar fotovoltaica, considerando sus importantes ventajas como fuente de energía alterna y renovable. 4. Se pretende realizar un análisis energético para un sistema de Bombeo fotovoltaico, bajo el criterio de realizar un balance de materia y energía para el Análisis Hidráulico en un Sistema de Bombeo solar de Agua, con el fin de establecer las condiciones bajo las cuales se desempeña mejor el sistema de bombeo (Carga Dinámica Total y número de litros producido por día) y obtener modelos matemáticos para calcular el flujo de agua en función de la radiación, en los diferentes valores de la Carga Dinámica Total.. __________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 11.

(16) Universidad Autónoma Metropolitana. Resumen. Resumen Se realizó un análisis para la producción de la energía eléctrica a partir de los rayos del sol, que esta basada en el fenómeno físico denominado “Efecto Fotovoltaico”, que básicamente consiste en convertir la luz solar en energía eléctrica por medio de unos dispositivos semiconductores denominados celdas fotovoltaicas. Estas celdas están elaboradas a base de silicio puro con adición de impurezas de ciertos elementos químicos (boro y fósforo), y son capaces de generar cada una corriente de 2 a 4 amperios, a un voltaje de 0.46 a 0.48 Voltios, utilizando como fuente la radiación luminosa. Las celdas se montan en serie o paralelo sobre paneles o módulos solares para conseguir un voltaje adecuado. Parte de la radiación incidente se pierde por reflexión (rebota) y otra parte por transmisión (atraviesa la celda). El resto es capaz de hacer saltar electrones de una capa a la otra creando una corriente proporcional a la radiación incidente. Una capa antirreflejo aumenta la eficacia de la celda. También se analizó que el resto de las energías renovables, la tecnología fotovoltaica es una fuente de energía descentralizada, limpia, inagotable, y además ya es competitiva en la actualidad para electrificar emplazamientos relativamente alejados de las líneas eléctricas, como viviendas rurales, bombeo de agua, señalización, alumbrado público, equipos de emergencia, etcétera. Para una instalación fotovoltaica aislada está formada por los equipos destinados a producir, regular, acumular y transformar la energía eléctrica. Tales equipos son los siguientes: Celdas fotovoltaicas. Placas fotovoltaicas. Regulador de carga. Baterías. Un inversor (opcional). Se da a conocer que una de las aplicaciones de gran importancia de la energía solar fotovoltaica es el bombeo solar de agua, ya que estos están diseñados para el suministro de agua y riego en áreas retiradas donde no se dispone de un suministro de energía convencional, o esta no es fiable.. __________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 12.

(17) Universidad Autónoma Metropolitana. Resumen. Con estos sistemas el agua puede ser bombeada durante el día y almacenada en tanques, con lo que estará disponible durante la noche y en los días nublado. La capacidad de almacenar el agua elimina la necesidad de baterías en el sistema. Esta configuración del sistema le da una característica más fiable y económica. Además se realizó un análisis energético de un sistema de bombeo solar de agua con una potencia pico de 75 Watts, acoplado a una bomba monofásica, lo que permitió establecer las condiciones bajo las cueles el sistema se desempeña mejor (Carga Dinámica Total y litros producidos por día). Se llevaron acabo mediciones de las variables involucradas en el sistema de bombeo fotovoltaico, tales como: voltaje y corriente consumida por la bomba, irradiancia incidente y el flujo de agua producido por día. Bajo condiciones de control de la Carga Dinámica se encontró que la máxima eficiencia del sistema de bombeo es de 20.817 % para una energía hidráulica de 24.3 W-h con una carga dinámica de 6.37 m (un volumen de agua producido de 1399,15 litros/día). También se determinó que la eficiencia de la bomba esta por arriba del 20 % con un rango de Carga Dinámica entre 5.86 y 7.39 metros.. __________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 13.

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(19) Universidad Autónoma Metropolitana. Enlaces químicos y Semiconductores. 1.1. Enlaces químicos Los enlaces químicos son importantes para el estudio y comportamiento de los materiales llamados semiconductores. Las fuerzas de atracción que mantienen juntos a los átomos en los compuestos se llaman enlaces químicos. Hay tres tipos de enlaces químicos, tales como, el enlace iónico, enlace covalente y el enlace metálico [1, 6, 8].. Enlace Iónico El primer tipo de enlace químico es el enlace iónico o electrovalente. El enlace iónico es el que se forma por la unión de un metal y un no-metal. Es el resultado de la transferencia de uno o más electrones de un átomo o grupo de átomos a otro. El enlace iónico se produce con mayor facilidad cuando los elementos con energía de ionización baja (metales) reaccionan con elementos que tienen alta electronegatividad y mucha afinidad electrónica (no metales). Muchos metales pierden electrones con facilidad, mientras que los no metales tienden a ganar electrones. Un ejemplos de este tipo de enlace se muestra en la siguiente figura, representando la transferencia de electrones de un metal a un no metal de Cloruro de Sodio. (Figura 1-1):. a). b). Figura 1-1. a) El sodio (en la derecha) pierde su única valencia de electrones (al cloro a la derecha); b) Da un ión de sodio cargado positivamente.. ___________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 15.

(20) Universidad Autónoma Metropolitana. Enlaces químicos y Semiconductores. Los compuestos iónicos comparten muchas características en común: Los enlaces iónicos se forman entre metales y no metales. Al nombrar compuestos iónicos simples, el metal siempre viene primero, el no metal segundo (por ejemplo, el cloruro de sodio). Los compuestos iónicos se disuelven fácilmente en el agua y otros solventes polares. En una solución, los compuestos iónicos fácilmente conducen electricidad. Los compuestos iónicos tienden a formar sólidos cristalinos con temperaturas muy altas. Esta última característica es un resultado de las fuerzas intermoleculares (fuerzas entre las moléculas) en los sólidos iónicos.. Enlace Covalentes El enlace covalente se define como aquel que se establece dentro de dos átomos que comparten electrones. En esta unión cada átomo aporta un electrón por cada enlace formado. Esto significa que existen dos tipos de enlace covalente. Simple. Este enlace se lleva cabo cuando los átomos comparten un par de electrones. Múltiple. Se comparten un par electrónico. Este enlace también puede ser doble, cuando entre los átomos interactúan cuatro electrones enlazantes (dos pares) y triple, si son tres los pares electrónicos involucrados en la unión interatómica. Enlace covalente coordinado, como su nombre lo indica, es un enlace covalente en el que un solo átomo contribuye con los dos electrones de enlace.. ___________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 16.

(21) Universidad Autónoma Metropolitana. Enlaces químicos y Semiconductores. Enlace Metálico Los elementos metálicos sin combinar forman redes cristalinas con elevado índice de coordinación. Hay tres tipos de red cristalina metálica: cúbica centrada en las caras, con coordinación doce; cúbica centrada en el cuerpo, con coordinación ocho, y hexagonal compacta, con coordinación doce. Sin embargo, el número de electrones de valencia de cualquier átomo metálico es pequeño, en todo caso inferior al número de átomos que rodean a un dado, por lo cual no es posible suponer el establecimiento de tantos enlaces covalentes. En el enlace metálico, los átomos se transforman en iones y electrones, en lugar de pasar a un átomo adyacente, se desplazan alrededor de muchos átomos. Intuitivamente, la red cristalina metálica puede considerarse formada por una serie de átomos alrededor de los cuales los electrones sueltos forman una nube que mantiene unido al conjunto.. ___________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 17.

(22) Universidad Autónoma Metropolitana. Enlaces químicos y Semiconductores. 1.2. Efecto Fotoeléctrico El efecto fotoeléctrico es la pérdida de electrones que experimenta un metal al ser sometido a la acción de la luz [4, 9]. En éste efecto, el fotón cede toda su energía al electrón desprendiéndolo o arrancándolo de su órbita (Figura 1-2).. Figura 1-2. Efecto Fotoeléctrico.. Existen unas leyes experimentales que explican la producción del efecto fotoeléctrico: a) Para cada metal existe una frecuencia mínima de la radiación luminosa recibida. b) El número de electrones emitidos es proporcional a la intensidad luminosa recibida. c) Los electrones salen todos con la misma velocidad, no influyendo a la intensidad de la radiación luminosa, sino únicamente su frecuencia. d) El efecto fotoeléctrico es instantáneo; es decir, aparece o desaparece con la radiación. No obstante, si la intensidad de la radiación luminosa es muy pequeña, la emisión puede tardar un pequeño intervalo de tiempo en producirse. Estas leyes tienen su justificación. Un electrón no puede escapar por sí solo de un metal, pues al hacerlo, el metal se carga de energía positivamente, atrayendo hacia sí dicho electrón y obligándole a volver a él. Por lo tanto, si se quiere que el electrón salga del metal será preciso comunicarle energía para que se libere de la acción atractiva del metal, que está cargado positivamente. ___________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 18.

(23) Universidad Autónoma Metropolitana. Enlaces químicos y Semiconductores. 1.3. Semiconductores Los semiconductores son unos materiales muy especiales que conducen mejor la electricidad que un aislante pero peor que un conductor[2, 10, 11]. Sus propiedades eléctricas se encuentran entre las de los aisladores y la de los conductores, ya que la densidad de sus portadores de carga es intermedia entre dichos materiales, pues, puede contener entre 1010 y 1013 electrones de conducción por cm3, mientras que los aisladores contienen aproximadamente 1 electrón de conducción por cm3 y los conductores 1023 electrones de conducción por cm3. A demás los semiconductores son materiales cuya resistividad eléctrica está entre 10-4 y 1010 Ω-cm mientras que la resistividad de los metales varia entre 10-4 y 10-6 Ω-cm [2]. Estos materiales a bajas temperaturas se comportan como aislantes al aumentar su resistividad pero a altas temperaturas su resistividad baja espectacularmente hasta acercarse a la de los metales. Al aumentar la temperatura, los átomos tendrán mayor energía térmica, es decir, vibraran con mayor intensidad dentro del material, ocasionando que algunos electrones no soporten estas vibraciones y se separen de los átomos a los que normalmente están ligados. La cantidad de electrones (en la unidad de volumen) que se liberan por efecto térmico es pequeña, pero suficiente para que empiece a observar una corriente al aplicar algún voltaje en material [3]. Para estos materiales el carácter de la relación de temperatura de la resistividad ρ y de conductancia σ esta expresada de la siguiente manera. ρ = ρ0 eβ/T. (1.1). σ = σ0 e-β/T. (1.2). Donde ρ, σ y β son constantes positivas. T es la temperatura, en °K. En la teoría de bandas explica que en los materiales sólidos presentan una gran cantidad de átomos, formando una gran cantidad de nuevos niveles de energía, los cuales constituyen una región llamada banda de energía.. ___________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 19.

(24) Universidad Autónoma Metropolitana. Enlaces químicos y Semiconductores. A continuación se explica brevemente las características principales de la estructura que tienen los semiconductores [2, 4, 7]. Los semiconductores están compuestos por pequeñas bandas de energía prohibidas, las cuales se encuentra entre en una banda permitida o banda de valencia y una banda de conducción, como se muestra en la figura 1-3.. Figura 1-3. Diagrama de Bandas de Conducción y de Valencia.. La banda prohibida es aquella energía mínima necesaria para hacer pasar un electrón de una banda a la otra. La Banda de conducción es la mínima energía que puede tener un electrón libre y la Banda de valencia es la energía máxima de los electrones en un enlace completo. Además en un semiconductor se presentan electrones libres y huecos libres, conocido como modelo “par hueco-electrón”, es decir, cuando en un enlace covalente se rompe y un electrón se libera, queda un hueco en el lugar correspondiente, y este también podrá moverse en sentido contrario al movimiento del electrón (figura 1-4).. Figura 1-4. Representación del modelo par hueco – electrón. ___________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 20.

(25) Universidad Autónoma Metropolitana. Enlaces químicos y Semiconductores. Cuando se le proporciona energía del orden de Eg a un electrón de valencia, este pasa a la banda de conducción, dejando un hueco en la banda de valencia, es decir, supongamos que se aplica un voltaje produciendo la polarización, debido a la presencia de los huecos mencionados, los electrones de valencia que permanecen ligados y vecinos al hueco, al sentir la influencia de la polarización podrá moverse hacia el lugar correspondiente dejando a su ves un hueco en una nueva posición, en donde el hueco se moverá en sentido opuesto al movimiento del electrón por efecto del campo eléctrico [4]. Esto significa, que si no se proporciona a los electrones de valencia una energía mayor o igual que Eg, no podrán generarse pares de electrones y huecos libres. Idealmente, los electrones no pueden tener energías entre las bandas de valencia y las bandas de conducción. Por eso se dice que existe una banda de energía prohibida cuyo ancho es Eg. De acuerdo a lo anterior, es importante observar entonces que la conductividad del material aumenta por efecto de absorción de radiación de longitud de onda adecuada (efecto de conductividad). De esta manera se liberan por efecto de la luz los electrones con los cuales se puede generar una corriente. Existe por consiguiente una longitud de onda crítica por debajo de la cual la energía de los fotones no alcanza a producir excitación de electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. En los semiconductores a temperaturas de 0 K (Kelvin), todos los electrones se encuentran en la banda de valencia y por esta razón no hay conductividad. Para el Si con una Eg de 1.14 eV se tiene una longitud de onda crítica de 1.09 µm. Los Fotones con energías inferiores a 1.14 eV absorbidos por el material, se transforman en calor aumentando su temperatura. Esto quiere decir que tanto la luz visible como el infrarrojo cercano excitan en este material los electrones de la banda de valencia a la de conducción Las energías involucradas en este procesos deben de estar en electrón-volt (eV, siendo 1 eV la energía que gana un electrón al caer a través de una diferencia de potencial de 1 volt). Así pues 1 eV = 1.6 X 10-19 J. Por ejemplo empleando estas unidades, la energía de ionización de Ge es de 0.75 eV y Si 1.14 eV, mientras que para los átomos aislados es de unos 8 eV. En la tabla 1.1 se dan los valores de las energías de ionización de los semiconductores [7].. ___________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 21.

(26) Universidad Autónoma Metropolitana. Enlaces químicos y Semiconductores. Tabla 1.1-Energía de ionización de los semiconductores.. MATERIAL Si Ge GaA GaP Te CdS CdTe CdSe Cu2O TiO2 Cu2S. EG (eV) 1.14 0.75 1.4 2.25 0.33 2.42 1.45 1.72 2.1 3.0 1.2. La radiación proveniente del sol tiene una distribución espectral como se muestra en la Fig. 15. Puesto que la energía de los fotones que componen la luz y la longitud de onda de la luz, están relacionadas por la ecuación E = hc/λ (h: constante de Planck = 6.62X1034 J-s; c: velocidad de la luz = 3X108 m/s) [8]. Región ultravioleta (λ<0.38 µm) Región visible (0.38 µm<λ<0.78 µm) Región infrarrojo (λ>0.78 µm). Figura 1-5. Espectro luminoso de la radiación solar.. ___________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 22.

(27) Universidad Autónoma Metropolitana. Enlaces químicos y Semiconductores. Los fotones más energéticos corresponden a las menores longitudes de onda, gráfica 1-1 (UV: ultravioleta, en el visible, al color violeta) y los menos energéticos al infrarrojo y en el visible, al rojo. 6. 5. Energia (eV). 4. 3. 2. 1. 0 0. 0 ,0 0 0 0 0 0 5. 0 ,0 0 0 0 0 1. 0 ,0 0 0 0 0 1 5. 0 ,0 0 0 0 0 2. 0 ,0 0 0 0 0 2 5. 0 ,0 0 0 0 0 3. L o n g it u d d e o n d a ( m ). Gráfica 1-1. Representación de la energía de banda del electrón.. ___________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 23.

(28) Universidad Autónoma Metropolitana. 1.3.1.. Enlaces químicos y Semiconductores. Semiconductor tipo P y tipo N. Los semiconductores como el silicio actúan como aislante cuando están muy fríos, pero conducen la corriente cuando se calientan [2]. Esta característica se debe a que cada átomo de silicio tiene cuatro electrones de la capa exterior, que participan con otros electrones de los átomos vecinos en la formación de los enlaces que mantienen unidos al cristal (figura 1-6).. Figura 1-6. Cristal de silicio puro.. Sin embargo, es posible volverlos conductores agregándoles pequeñas cantidades de átomos de impurezas, entonces se convierten en semiconductores tipo P o N según sea la sustancia que se añade. Por ejemplo un átomo en el grupo químico del fósforo, arsénico y antimonio, pueden reemplazar uno de los átomos de silicio en una red, sin afectar demasiado. Sin embargo, cada uno de esos átomos de impureza tiene un electrón más en su capa de valencia que los que tiene uno de silicio. Este electrón adicional, para el cual no hay lugar en la capa de valencia, toma su lugar en la banda de conducción, y puede conducir la electricidad. Sin embargo, el silicio con impurezas de fósforo constituye un ejemplo de material del tipo N. La presencia de los átomos de fósforo aumenta el número de electrones (carga negativa), los cuales tienen libertad de movimiento a través del material (figura 1-7a). El silicio con impurezas de boro es un ejemplo de material tipo P. Los átomos de boro crean huecos positivos en la estructura de los electrones y éstos son capaces de moverse a través del material (figura 1-7b).. ___________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 24.

(29) Universidad Autónoma Metropolitana. Enlaces químicos y Semiconductores. a) b) Figura 1-7. a) Material tipo N: el electrón extra del fósforo se difunde a través del material; b) material tipo P: el hueco positivo móvil se difunde a través del material.. 1.3.2.. Diodo Semiconductor. Esquemáticamente el diodo se puede representar de la siguiente manera [3] :. Figura 1-8. Representación esquemática del Diodo.. Un diodo es la unión de dos zonas de material semiconductor, una de tipo N y la otra de tipo P, entre las dos se forma una zona llamada región de agotamiento (Z.A.) Figura 1-9, donde es mínima o nula la presencia de portadores de carga. Tanto en la zona P como en la zona N existen portadores de carga minoritarios del signo contrario. Esta región es de 0.3 voltios en el germanio y de 0.6 voltios para el silicio aproximadamente [3].. ___________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 25.

(30) Universidad Autónoma Metropolitana. Enlaces químicos y Semiconductores. Figura 1-9. Representación esquemática de las regiones de un Diodo.. Este proceso deja al material tipo N con una capa de carga positiva y al material tipo P con una capa de carga negativa, como indica en la figura 1-10. Las capas de carga positiva y negativa a ambos lados de la unión genera un campo eléctrico, el cual tiene a impedir cualquier otro movimiento de cargas a través de la unión, de ésta forma el flujo de carga cesa rápidamente [2].. Figura 1-10. a) En la unión de los huecos y los electrones se combinan; b) El campo eléctrico E que aparece en la unión evita la combinación de electrones y huecos.. El diodo puede funcionar de 2 maneras diferentes [3, 5]: Polarización directa: Es cuando la corriente que circula por el diodo sigue la ruta de la flecha (la del diodo), o sea del ánodo al cátodo. En este caso la corriente atraviesa con mucha facilidad donde el diodo se comporta prácticamente como un corto circuito. También, bajo la polarización directa respecto a los portadores mayoritarios, la barrera de energía en la unión se ve reducida, por eso algunos electrones y huecos pueden cruzar la unión y por consiguiente recombinarse. Durante la polarización directa de unión P-N, entran electrones en el material negativo del diodo desde la batería. Por cada electrón que cruza la unión y sé recombina con un hueco, otro ___________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 26.

(31) Universidad Autónoma Metropolitana. Enlaces químicos y Semiconductores. electrón entra desde la batería. Así mismo por cada hueco siempre que un electrón abandona el material tipo P y fluya hacia el terminal positivo de la batería.. Figura 1-11. Diodo en Polarización Directa.. Polarización inversa: Es cuando la corriente en el diodo desea circular en sentido opuesto a la flecha (la flecha del diodo), o sé de del cátodo al ánodo. En este caso la corriente no atraviesa el diodo, comportándose éste prácticamente como un circuito abierto. La unión P-N que está inversamente polarizado si el material tipo N de la unión está conectado al terminal positivo de la batería y el material tipo P está conectado al terminal negativo. Con este convenio, los electrones (portadores mayoritarios) del material tipo N son atraídos hacia el terminal positivo de la batería desde la unión y los huecos (portadores mayoritarios) del material tipo P son atraídos hacia el terminal negativo y huecos portadores mayoritarios alejándose de la unión incrementa la anchura de su barrera y como resultado, la corriente debida a portadores mayoritarios no fluirá. Sin embargo, portadores minoritarios generado térmicamente (huecos en material tipo N y electrones en material tipo P) se conducirán hacia la unión, por lo que pueden combinarse y crear un pequeño flujo de corriente bajo condiciones de polarización inversa.. Figura 1-12. Diodo en Polarización Inversa.. ___________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 27.

(32) Universidad Autónoma Metropolitana. Enlaces químicos y Semiconductores. Con respecto a la corriente que existe bajo las condiciones de polarización inversa se le llama corriente de saturación inversa (Is). Mediante el empleo de la física del estado sólido se ha llegado a encontrar que la corriente a través del diodo semiconductor es una función del voltaje aplicado entre sus terminales, de la siguiente manera. ID = IS [ e kV/T - 1]. (1.3). Donde: ID es la corriente en el diodo, medida en amperes. IS es el valor de la corriente de saturación inversa. K es una constante que depende también del material del dispositivo y tiene valores de 11,600/h; donde h = 1 para Ge y h = 2 para Si, cuando se trata de valores de corriente relativamente bajos (debajo del punto de quiebre de la curva). Para valores relativamente altos de corriente h = 1, tanto para Ge como para Si. TK es la temperatura ambiente expresada en oK, (oK = oC + 273º ). Con la fórmula anterior se puede obtener la siguiente gráfica. Esta gráfica muestra la variación de la corriente en función del voltaje aplicado al diodo indicando el comportamiento tanto en polarización directa como en inversa.. Gráfica 1-2. Característica Voltaje-Ampere. (Tomado de “Diodos y circuitos rectificadores. Publicado por la Universidad Nacional de Colombia en el 2002”). ___________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 28.

(33) Universidad Autónoma Metropolitana. 1.3.3.. Enlaces químicos y Semiconductores. Región de agotamiento. En el momento en que dos materiales son unidos (uno tipo N y el otro tipo P), los electrones y los huecos que están en, o cerca de la región de "unión", se combinan y esto da como resultado una carencia de portadores (tanto mayoritarios como minoritarios) en la región cercana a la unión. Esta región de iones negativos y positivos descubiertos recibe el nombre de Región de Agotamiento por la ausencia de portadores, Figura 1-13 [5].. Figura 1-13. Representación esquemática de la región de agotamiento.. Como se mencionó anteriormente existen tres posibilidades al aplicar un voltaje a través de las terminales del diodo [5]: - No hay polarización (VD = 0 V). - Polarización directa (VD > 0 V). - Polarización inversa (VD < 0 V). Cuando VD = 0 V. En condiciones sin polarización, los portadores minoritarios (huecos) en el material tipo N que se encuentran dentro de la región de agotamiento pasarán directamente al material tipo P y viceversa. En ausencia de un voltaje de polarización aplicado, el flujo neto de carga (corriente) en cualquier dirección es cero para un diodo semiconductor.. ___________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 29.

(34) Universidad Autónoma Metropolitana. Enlaces químicos y Semiconductores. Figura 1-14. Aplicación de un voltaje a través de las terminales del diodo.. La aplicación de un voltaje positivo (figura 1-14) "presionará" a los electrones en el material tipo N y a los huecos en el material tipo P para recombinar con los iones de la frontera y reducir la anchura de la región de agotamiento hasta desaparecerla cuando VD es 0.7 V para diodos de Silicio. ID = Imayoritarios – IS. (1.4). Condición de Polarización Inversa (VD < 0 V). Bajo esta condición el número de iones positivos descubiertos en la región de agotamiento del material tipo N aumentará debido al mayor número de electrones libres arrastrados hacia el potencial positivo del voltaje aplicado. El número de iones negativos descubiertos en el material tipo P también aumentará debido a los electrones inyectados por la terminal negativa, las cuales ocuparán los huecos. El fenómeno explicado anteriormente, en ambos tipos de material N y P, provocará que la región de agotamiento se ensanche o crezca hasta establecer una barrera tan grande que los portadores mayoritarios no podrán superar, esto significa que la corriente ID del diodo será cero. Sin embargo, el número de portadores minoritarios que estarán entrando a la región de agotamiento no cambiará, creando por lo tanto la corriente IS denominado corriente de saturación.. ___________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 30.

(35) Universidad Autónoma Metropolitana. Enlaces químicos y Semiconductores. El término "saturación" proviene del hecho que alcanza su máximo nivel (se satura) en forma rápida y no cambia significativamente con el incremento en el potencial de polarización inversa, hasta que al valor VZ o VPI, voltaje pico inverso (Figura 1-15).. Figura 1-15 Representación de inversa.. El máximo potencial de polarización inversa que puede aplicarse antes de entrar en la región Zener se denomina Voltaje Pico Inverso o VPI nominal. Los diodos de silicio tienen generalmente valores nominales de VPI y de corriente más altos e intervalos de temperatura más amplios que los diodos de germanio.. ___________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 31.

(36) Universidad Autónoma Metropolitana. Enlaces químicos y Semiconductores. 1.4. Observaciones Lo que se a estudiado en esta unidad servirá para comprender mejor el funcionamiento de una celda fotovoltaica, que se estudiará en la presente unidad, ya que su funcionamiento lleva el principio básico de un semiconductor y de un diodo para la producción de la electricidad. Por ejemplo el diodo es unos componentes electrónicos que permiten el flujo de corriente en una única dirección. En los sistemas fotovoltaicos generalmente se utilizan de dos formas: como diodos de bloqueo y como diodos de bypass. Los diodos de bloqueo impiden que la batería se descargue a través de los paneles fotovoltaicos en ausencia de luz solar. Evitan también que el flujo de corriente se invierta entre bloques de paneles conectados en paralelo, cuando en uno o más de ellos se produce una sombra. Los diodos de bypass protegen individualmente a cada panel de posibles daños ocasionados por sombras parciales. Deben ser utilizados en disposiciones en las que los módulos están conectados en serie. Generalmente no son necesarios en sistemas que funcionan a 24 V o menos. Mientras que los diodos de bloqueo evitan que un grupo de paneles en serie absorba flujo de corriente de otro grupo conectado a él en paralelo, los diodos de bypass impiden que cada módulo individualmente absorba corriente de otro de los módulos del grupo, si en uno o más módulos del mismo se produce una sombra.. ___________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 32.

(37) Universidad Autónoma Metropolitana. Enlaces químicos y Semiconductores. Referencias 1. Álvaro Rincón. Alonso Rocha León. El ABC de la Química. Ed. HERREROS, México 1979. 2. Carlos Gutiérrez Ranzeta. Electromagnetismo y Óptica. Ed. LIMUSA, México 1999. 3. Capitulo 3. Diodos y circuitos rectificadores. Publicado por la Universidad Nacional de Colombia en el 2002. 4. Fishbance Paúl M. Física para Ciencias e ingeniería, Volumen ll. Ed. PRENTICEHALL, HISPANOAMERICANA, 1994. 5. Diodo semiconductor. Publicado por Electrónica UNICROM en el 2001. 6. Florencia Bonnet Romero, Mariano Enrique Delgado Martínez. Química 1. Ed. ORFOR, México 1997. 7. J. Fowler Richard. Electricidad principios y aplicaciones. Editorial REVERTÉ, S.A., 1986. 8. Kennet W. Whitten. Química General. Ed. McGraw HILL. México 1997. 9. Noreña, Francisco. Física de Emergencia. Pngea Editores, México 1995. 10. Pople, Stephen. Física Razonada. Editorial Trillas, México 1997. 11. Tippens, Paul. Física. Conceptos y Aplicaciones. Mc Graw-Hill, 1995.. ___________________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto Energía Fotovoltaica. 33.

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(39) Universidad Autónoma Metropolitana. Energía Solar Fotovoltaica. 2.1. Energía Solar La energía solar es la energía radiante producida en el Sol como resultado de reacciones nucleares de fusión que llegan a la Tierra a través del espacio en cuantos de energía llamados fotones, que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestre. La intensidad de la radiación solar en el borde exterior de la atmósfera, si se considera que la Tierra está a su distancia promedio del Sol, se llama constante solar, y su valor medio es de unas 2 cal/min/cm2 [1, 4].. 2.2. Radiación Solar La radiación solar esta constituidas por ondas electromagnéticas provenientes del sol. Este se le puede considerar como un cuerpo negro, emitiendo a una temperatura de 5762 °K, sin embargo, la temperatura máxima lograda es alrededor de 388 °K, mediante uso de concentradores. Se ha considerado que durante su trayectoria en el espacio exterior fuera de la atmósfera terrestre, no sufre ninguna alteración. Se han hecho mediciones en el exterior de la atmósfera por medio de una placa plana, obteniendo un valor aceptable de 1.36 kW/m2 (4.9 X103 KJ/m2h) [12]. En la figura 2-1 se muestra la representación de la interacción de la radiación solar con la tierra. .. Figura 2-1. Interacción de la radiación solar con la tierra.. ___________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto. Energía Solar. 35.

(40) Universidad Autónoma Metropolitana. Energía Solar Fotovoltaica. Dentro de atmósfera la radiación solar es reflejada, dispersada y absorbida por los componentes usuales de aquélla, como son O2, CO2, O3, N2, H2O y partículas en polvo. La radiación que sufre los efectos es la que tiene una longitud de onda entre 0.29 y 2.5 µm, ya que casi toda la radiación de onda corta, como la ultravioleta, se absorbe principalmente por O3 mientras que la radiación de onda larga se convierte en radiación difusa por vapor de agua. La radiación reflejada y dispersada se convierte en radiación difusa y la que continúa su camino es la directa El efecto global de la dispersión de la radiación solar directa se puede calcular con la fórmula de Duffie y Beckman [5].. τd = [(τa)p/760(τp)d/800(τω)ω/20]. (2.1). τd = transmitancia atmosférica de la radiación solar directa. τa = transmitancia de las moléculas de aire. τp = transmitancia de las partículas de polvo suspendidas. τω = transmitancia del vapor de agua. p = Presión barométrica en mmHg. d = Concentración de partículas de polvo suspendidas a nivel del suelo por cm3 de aire. ω = Capa de agua precipitable, mm. m = longitud recorrida por la radiación en la atmósfera. Las expresiones para las tres transmitancias son:. τa = 10-0.00389λ^-4. (2.2). τp = 10-0.0353λ^0.75. (2.3). τa = 10-0.0075λ^-2. (2.4). ___________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto. Energía Solar. 36.

(41) Universidad Autónoma Metropolitana. Energía Solar Fotovoltaica. con λ = longitud de onda de la radiación solar directa. El valor de la longitud recorrida por la radiación depende del ángulo cenit, θz, que es el subtendido entre el cenit y la línea de vista al sol. Al nivel del mar, m = 1, cuando el Sol está en el cenit y en general. m = sec θz para θz < 70°. (2.5). La radiación solar con longitudes menores a 0.29 µm es absorbida por el O3 y longitudes de onda mayores a 0.35 µm es transmitida toda. En la tabla 2-1 se dan los valores se absorción por O3. Tabla 2-1 Transmitancia de la radiación solar directa de una capa de O3 de 2.5 mm de espesor [12].. λ, µm 0.29 0.30 0.31 0.33 0.35. τω 0 0.1 0.5 0.9 0.9. El vapor de agua absorbe la radiación de longitudes de onda mayor de 2.3 µm; los valores de absorción de varias longitudes de onda se dan a continuación (Tabla 2-2). Tabla 2-2 Transmitancia de la radiación solar directa del vapor de agua [12].. λ, µm. τω. 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 2.1 >2.14. 1.0 0.8 0.7 0.85 0.9 0.88 0.11 1.0 ∼0. ___________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto. Energía Solar. 37.

(42) Universidad Autónoma Metropolitana. Energía Solar Fotovoltaica. Además de las condiciones atmosféricas hay otro parámetro que afecta radicalmente a la incidencia de la radiación sobre un captador solar, este es el movimiento aparente del sol a lo largo del día y a lo largo del año ( Figura 2-2). Se dice "aparente" porque en realidad la Tierra es la que está girando y no el Sol. La Tierra tiene dos tipos de movimientos: uno alrededor de su propio eje (llamado movimiento rotacional) el cual da lugar al día y la noche y el otro; es alrededor del sol (llamado movimiento traslacional) siguiendo una trayectoria elíptica, el cual da lugar a las estaciones del año.. Figura 2-2 Movimiento aparente del sol en la bóveda celeste en función de la hora del día y la época del año.. ___________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto. Energía Solar. 38.

(43) Universidad Autónoma Metropolitana. 2.2.1.. Energía Solar Fotovoltaica. Radiación Solar en México. En México se han elaborado mapas climatológicas de radiación total [12]. Se emplean mediciones de la radiación en forma directa más difusa, medida en unidades de energía por unidad de tiempo, por unidad de área sobre un plano horizontal mediante un Piranómetro. Para poder medir la radiación solar en México se han empleado varios métodos, por ejemplo, se emplean relaciones empíricas para estimar la radiación global a partir de las horas de insolación, porcentajes de posible insolación o nubosidad. Otra alternativa sería la estimación para un lugar particular mediante datos existentes de otras localidades con latitud, Topografía y climas semejantes al deseado. Al emplear estos datos de insolación total, se estima su aproximación con un error dentro de un ± 10 por ciento. El Método para calcular la radiación solar en México es el siguiente [12]: Se ha demostrado que las sumas diarias de radiación son función de la duración de insolación para una localidad particular, siendo la relación entre ellas del tipo:  S  H = H 0{  A'+ B'  S0  . (2.6). Donde: H = Radiación global diaria promedio horizontal para el periodo en cuestión (por ejemplo, mensual). H0’ = Radiación global diaria promedio horizontal para un día claro del periodo en cuestión. A’, B’ = Constantes que relacionan la radiación y la insolación; dependen de la localidad y del clima. S, S0 = Horas diarias máximas de insolación que sería posible, estimando que no existe obstrucción en el horizonte para el periodo en consideración. Sin embargo, como H0’ no pude obtenerse sin mediciones de radiación local, y ante la dificultad de definir lo que es un día claro. Page modificó este método para no requerir de H0’, con base en la radiación extraterrestre sobre una superficie horizontal, a fin de obtener la radiación global diaria promedio:. ___________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto. Energía Solar. 39.

(44) Universidad Autónoma Metropolitana. Energía Solar Fotovoltaica.  S  H = H 0  A + B  S0  . (2.7). H0 = Radiación fuera de la atmósfera para la misma localidad, promediada para el periodo en cuestión; su valor puede calcularse o deducirse de gráficas. A, B, = Constantes que relacionan la radiación y la insolación; dependen de la localidad y del clima. S, S0 = Horas diarias máximas de insolación que sería posible, estimando que no existe obstrucción en el horizonte para el periodo en consideración. En México la aplicación de este método es difícil, ya que no se tienen datos de la radiación para las diferentes localidades, sin embargo el investigador Jeevananda al ver que México tiene lugares montañosos que causan variaciones sustanciales en la nubosidad entre localidades y distancias relativamente cercanas, además, existen zonas donde la topografía y clima cambian bruscamente, propuso el siguiente modelo matemático:.   1 y  k (1 + 0.8 p )(1 − 0.2t ) día    H= h. (2.8). Donde. K = (λN +Ψij cosΦ)102, en 1y/día. Φ = latitud del lugar, en grado. N = Longitud promedio del día durante el mes, la cual puede obtenerse con la ecuación 4. λ = 0.2/(1 + 0.1Φ) (factor de latitud).. ___________________________________________________________________________ Ignacio Cabrera Peña y Fermín Montiel Rigoberto. Energía Solar. 40.

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