Ciencias Básicas e Ingeniería Licenciatura en Ingeniería en Energía

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:

Índice

Introducción ... 1

Planteamiento ... 8

Justificación ... 9

Objetivo General ... 10

Objetivos Particulares ... 11

Resumen ... 12

UNIDAD 1. Enlaces Químicos y Propiedades de los Semiconductores

Enlace Iónico ... 15

Enlace Covalente ... 16

Enlace Metálico ... 17

1.2 Efecto Fotoeléctrico ... 18

1.3 Semiconductores ... 19

1.3.1 Semiconductor tipo P y tipo N ... 24

1.3.2 Diodo Semiconductor ... 25

1.3.3 Región de agotamiento ... 29

1.4 Observaciones ... 32

UNIDAD 2. Energía Solar Fotovoltaica

2.1. Energía Solar ... 35

2.2. Radiación Solar ... 35

2.2.1 Radiación Solar en México ... 39

2.2.2 Aparatos para medir la radiación solar ... 43

2.3 Energía Solar Fotovoltaica... 45

2.3.1 Celdas Fotovoltaicas ... 45

2.3.2 Fabricación de las Celdas Fotovoltaicas ... 48

2.3.3 Clasificación de las celdas fotovoltaicos ... 48

2.3.4 Sistema Fotovoltaico ... 51

2.3.5 Partes Principales de un Sistema Fotovoltaico ... 52

2.3.6 Aplicaciones de la Energía Fotovoltaica ... 63

2.3.7 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

3.2 Balance de Materia y Energía para un Fluido ... 71

3.2.1 Balance de Materia ... 71

3.2.2 Balance de Energía ...72

3.2.3 Fricción de un fluido ... 74

3.2.4 Evaluación de la Fricción del Fluido ... 75

3.2.5 Análisis Hidráulico en un Sistema de Bombeo de Agua ... 77

3.3 Aplicaciones Típicas de Bombeo Solar de Agua ... 80

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 BombeoSolar... 105

APÉNDICE 2. Glosario de términos de Energía Solar ... 110

APÉNDICE 3. Pérdidas por Fricción ... 116

APÉNDICE 4. Modelos Matemáticos ... 118

Introducción

Como el resto de las energías renovables, la tecnología fotovoltaica que consiste en convertir directamente la radiación solar en electricidades 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.

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.

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

1 – 2499 habitantes 24231590 3561427 14.7 2500 – 4999 habitantes 5353805 232500 4.3 5000 – 9999 habitantes 4865685 146973 3.0 10000 – 14999 habitantes 2854376 65307 2.3 15000 – 19999 habitantes 1847661 32192 1.7 20000 – 49999 habitantes 6733835 148839 2.2 50000 – 99999 habitantes 4463754 58764 1.3 10000 – 499999 habitantes 19957098 186589 0.9 500000 – 999999 habitantes 12235182 60756 0.5 Mas de 1000000 habitantes 12830493 57661 0.4

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].

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.

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 46 Amp

Salida CA máxima 78 Amp

Eficiencia mínima a 4000 W 90% Razón máxima de carga 75 Amp Rango de voltaje de alimentación 22 a 33 VCD

Forma de onda de salida Senoidal 34 a 52 paso por ciclo Distorsión armónica total 3 a 55%

Tipo de gabinete Para interruptores con pintura en polvo Rango de temperatura de operación - 10 °C a + 60 °C

Rango de sensibilidad de carga 16 a 240 Watts

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 transformarla energía eléctrica. Tales equipos son los siguientes:

Celdas fotovoltaicas.

Placas fotovoltaicas.

Regulador de carga.

Baterías.

Un inversor (opcional).

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.

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)

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 cabocuando 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 Metálico

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.

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.

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).

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

Tabla 1.1-Energía de ionización de los semiconductores.

MATERIAL EG (eV)

Si 1.14 Ge 0.75 GaA 1.4 GaP 2.25 Te 0.33 CdS 2.42 CdTe 1.45 CdSe 1.72

Cu2O 2.1

TiO2 3.0

Cu2S 1.2

La radiación proveniente del sol tiene una distribución espectral como se muestra en la Fig. 1-5. 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)

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.

Gráfica 1-1. Representación de la energía de banda del electrón.

0 1 2 3 4 5 6

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 )

1.3.1. 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).

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.

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]:

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.

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.

1.3.3. 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).

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.

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 picoinverso (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.

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.

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. PRENTICE-HALL, 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.

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.

.

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].

τ

= [(

τ

)

(

τ

)

(

τ

)

]

τ

τ

τ

τ

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:

τ

τ

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

,

µ

m

τ

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].

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.

2.2.1. 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:

_      + = 0 {

0 ' ' S

S B A H

H (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.

_      + = 0 0 S S B A H

H (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:

(

)(

)

K = (λN +Ψij cosΦ)102, en 1y/día.

Φ = latitud del lugar, en grado.

Ψij = Factor de estación que depende del mes y localidad; j=1 para tierra dentro y j=2 para

costa; i = 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12 que corresponde a los meses de Enero a Diciembre con los siguiente valores [12].

I= 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Ψ

1

Ψ

1

N n P=

N = horas promedio de insolación por día durante el mes.

M r t =

r = número de días lluviosos durante el mes.

M = número de días en el mes.

h = humedad relativa media por día en el mes.

La longitud del día se obtiene de la siguiente ecuación

N = (2/15) cos-1 (-tan φ tan δ) (2.9)

Donde δ es la declinación (posición angular del Sol al mediodía solar con respecto al plano del ecuador) deducida por Cooper.

Con los métodos presentados se realizaron mapas mensuales de la República mexicana, con el fin de conocer la radiación solar global media diaria, en 1y/día, mediante datos de insolación (figura 2-3).

2.2.2. Aparatos para medir la radiación solar

De la energía de los rayos solares que el Sol emite por segundo, los planetas y satélites reciben tan sólo la ciento veinte millonésima parte. La mayor parte de la radiación solar total se manifiesta en el campo de las ondas en forma de luz visible. La luz tiene su punto de partida en la fotosfera, la gruesa capa de unos 500 km en el fondo de la atmósfera solar y que impide al observador completar el astro propiamente dicho. La radiación efectiva del Sol puede medirse con exactitud con ayuda del Bolómetro, instrumento que fue desarrollado en 1880 por S. P. Langley. Según Langley, la unidad de radiación solar es [11]:

1 lan (o Ly) = 1 cal / cm2

El Bolómetro se basa en el siguiente principio:

Dos tiras o películas finísimas de platino, ennegrecidas, forman un puente de Wheatstone. Una de las tiras está protegida de la radiación solar y la otra, expuesta a los rayos solares. En esta última tira aumenta la temperatura y, en consecuencia, se produce un aumento de la resistencia. Para medir la energía de radiación solar recibida por el bolómetro a través de la tira no iluminada, que hace las veces de cinta de medición, se hace pasar una corriente eléctrica hasta lograr el mismo desvío o indicación que en la tira no iluminada. La intensidad de esta corriente auxiliar se mide con un galvanómetro sensible. La indicación del bolómetro es el bolograma, que señala la intensidad de la radiación solar en función del tiempo (días), es decir, los datos de la medición que corresponden a las diferentes posiciones del Sol, registrándose siempre la información correspondiente a la misma zona de la superficie. Las ordenadas correspondientes a las curvas de las mediciones individuales determinan el valor de la energía solar absorbida por la atmósfera terrestre. En los aparatos de medida más modernos, en lugar de las tiras de platino se emplean finas capas semiconductoras, compuestas por lo general de mezclas o combinaciones de óxido de niobio, manganeso, cobalto o bien de superconductores como por ejemplo, él nitruro de niobio.

La fórmula para poder calcular la intensidad de la radiación solar, propuesta por Bouguer es la siguiente:

en la que:

Qd = radiación solar directa buscada (a determinar); Ao = radiación solar directa en la atmósfera;

p = transparencia de la atmósfera. Este valor depende, a su vez, de la humedad y grado de enturbamiento de la atmósfera;

m = masa atmosférica o espesor de la atmósfera atravesada por la radiación.

Para la medición calorimétrica (medición térmica) de la energía de radiación solar se emplea los Pirheliómetros, Piranómetros y los Solarímetros.

• Pirheliómetros. Este aparato es destinado para medir la radiación solar directa proveniente del sol. Una mejora la constituyó el Pirheliómetro de compensación del físico sueco Ángstrom (1814-1974), conocido principalmente por sus notables investigaciones en el campo de la espectroscopia. Su Pirheliómetro consta de dos plaquitas de manganeso ennegrecidas. Al igual que en el Bolómetro, una de las plaquitas queda expuesta a los rayos solares, mientras que la otra permanece en la sombra. Esta última plaquita es calentada por una corriente eléctrica hasta que alcanza la temperatura de la plaquita expuesta a la radiación solar. De este modo se obtiene un “equilibrio”, es decir, una igualdad de energía. En este caso es suficiente medir el calor de la corriente eléctrica necesaria para que ambas plaquitas alcancen la misma temperatura. Si el valor hallado se divide por la superficie (en cm2_{), se obtendrá la intensidad}

de la radiación solar.

• Piranómetros y Pirómetros. Este instrumento sirve para medir la radiación solar de onda corta que incide sobre una superficie horizontal. El Piranómetro o Actinómetro se destinan a medir en un plano determinado la radiación global recibida en un periodo de tiempo, estos van conectados a un registro que nos muestra la distribución de la radiación solar a lo largo de los periodos de tiempo deseados y acoplado además a un integrador que nos da la energía total captada en los periodos.

2.3. Energía Solar Fotovoltaica

La Energía Solar Fotovoltaica es una captación directa de la energía solar para obtener energía eléctrica. Este proceso se basa en la aplicación del efecto fotovoltaico (efecto fotoeléctrico, ver unidad 1) [14]. Este se produce al incidir la luz sobre los materiales semiconductores. De ésta manera se genera un flujo de electrones en el interior del material que puede ser aprovechado para obtener energía eléctrica.

2.3.1. Celdas

Fotovoltaicas

Las celdas Fotovoltaicas son aquellas que transforman directamente parte de la energía solar que reciben en energía eléctrica, y la producción de la misma está basada en el fenómeno físico denominado “Efecto Fotovoltaico”, (Figura 2-4).

Figura 2-4. Efecto fotovoltaico en una celdas solar.

Un arreglo de varias celdas fotovoltaicas conectadas eléctricamente unas con otras y montadas en una estructura de apoyo o un marco, se llama módulo fotovoltaico (Figura 2-5). Los módulos están diseñados para proveer un cierto nivel de voltaje, considerado como Voltaje a circuito abierto Vca (Voc), definiéndolo como aquel voltaje máximo que genera una módulo solar. Su unidad de medición es el volt. Este voltaje se mide cuando no existe un circuito externo conectado a la celda [13].

Además la corriente producida depende directamente de cuánta luz llega hasta el módulo. Esta es considerada como, Corriente a corto circuito Icc (Isc). Es la máxima corriente generada por el módulo solar y se mide cuando se conecta un circuito exterior a la celda con resistencia nula. La unidad de medición es el Amper. Su valor depende del área superficial y de la radiación luminosa.

Figura 2-5. Módulo fotovoltaico.

También en un arreglo FV se pueden conecta eléctricamente en serie o paralelo. Las características eléctricas del arreglo son análogas a la de módulos individuales, con la potencia, corriente y voltaje modificados de acuerdo al número de módulos conectados en serie y en paralelo.

Incrementando el voltaje:Los módulos solares se conectan en serie para obtener voltajes de salida más grandes [13]. El voltaje de salida, Vs, de módulos conectados en serie esta dado por la suma de los voltajes generados por cada módulo.

V = V1 + V2 +V3 +…. (2.11)

IT = I1 + I2 + I3 +… (2.12)

En la Figura 2-6 se muestra un ejemplo de módulos conectados en serie y en paralelo [13]. En ella se muestra la posición de los diodos de paso y el diodo de bloqueo. Este último debe ser calculado tomando en consideración la máxima corriente que generará el arreglo fotovoltaico en condiciones de corto circuito. La norma internacional dice que el valor de la corriente que soporta el diodo debe ser por lo menos 1.56 veces el valor de la corriente del circuito del arreglo de corto.

2.3.2. Fabricación de las Celdas Fotovoltaicas

Tecnológicamente, la fabricación de celdas solares es muy compleja. La materia prima es la arena común (Si O2), la cual debe ser trasladada a una factoría donde se le extrae el oxígeno

que contiene y donde el silicio resultante sufre un complejo proceso de purificación. El producto resultante pasa a otra fábrica donde se transforma en plaquitas de silicio fotovoltaico. De ella pasa a una tercera donde se efectúan las operaciones físico-químicas de formación de campo eléctrico interno y de formación de electrodos metálicos. Por último, de esta fábrica pasa a otra donde esta celda se solda, encapsula y se forman los módulos o paneles. En la siguiente figura se muestra esquemáticamente el proceso de fabricación de la celda [8].

Figura 2-7. Proceso de fabricación de las celdas solares.

2.3.3. Clasificación de las celdas fotovoltaicos

Existen diferentes materiales semiconductores con los cuales se pueden elaborar celdas solares, pero el que se utiliza comúnmente es el silicio en sus diferentes formas de fabricación. Las celdas fotovoltaicas se clasifican en cristalinos, policristalinos y amorfos [8].

cristal. De esta forma se obtiene un monocristal dopado, que luego se corta en obleas de aproximadamente 3 décimas de milímetro de grosor. Estas obleas se introducen después en hornos especiales, dentro de los cuales se difunden átomos de fósforo que se depositan sobre una cara y alcanzan una cierta profundidad en su superficie. Posteriormente, y antes de realizar la serigrafía para las interconexiones superficiales, se recubren con un tratamiento antireflexivo de bióxido de titanio o zirconio.

Las ventajas de las celdas monocristalinos son que recientemente se han alcanzado eficiencias en la celda en torno al 22% bajo incidencia normal de la luz solar y 28% de eficiencia bajo concentración. En módulos, la eficiencia está entre 12-15%. Esto significa doblar la eficiencia conseguida 12 años atrás. La fiabilidad de módulos de silicio monocristalino ha realizado también un progreso impresionante. La máxima degradación durante el período de vida es inferior al 10%. Hace doce años, estos módulos duraban cinco años. Sin embargo hoy a estos módulos se les prevé una duración cercana a los treinta años.

Sin embargo, los dispositivos de silicio monocristalino tienen sus desventajas: requieren una gran cantidad de material, una gran cantidad de energía para producir este material y las técnicas de producción en serie no son fáciles de adaptar. Son bastante caras y difíciles de conseguir.

b) Celdas Fotovoltaicas Policristalinas. Se obtiene a temperaturas más bajas que el anterior con lo que se disminuyen las fases de cristalización. Se constituyen básicamente con silicio, mezclado con arsenio y galio, son agregados de materiales, casi es como un biscocho: en lugar de partir de un monocristal, se deja solidificar lentamente sobre un molde la pasta de silicio, con lo cual se obtiene un sólido formado por muchos pequeños cristales de silicio, que pueden cortarse luego en finas obleas policristalinas. Cuando el silicio se contamina o dopa con otros materiales de ciertas características, obtiene propiedades eléctricas únicas en presencia de luz solar. Los electrones son excitados por la luz y se mueven a través del silicio; este es conocido como el efecto fotovoltaico y produce una corriente eléctrica directa.

Las ventajas de estas celdas son en que las celdas fotovoltaicas policristalinas no tienen partes móviles, son virtualmente libres de mantenimiento y tienen una vida útil de entre 20 y 30 años. Son más fáciles de conseguir y se obtiene uno rendimiento nada despreciables del 14%.

Las desventajas de estas celdas son que no duran tanto tiempo, y se rompen si se encuentran en lugares desérticos y en las altas montañas.

Desde su descubrimiento hace una década como material fotovoltaico, la eficiencia de los dispositivos de silicio amorfo ha crecido drásticamente. Los rendimientos en dispositivos de pequeñas áreas han alcanzado hasta el 13%, mientras que los módulos han alcanzado un 10% ambos en laboratorio.

A pesar de las ventajas, su baja eficiencia es una de las mayores limitaciones, ya que a pesar de haberse alcanzado eficiencias de un 10%, la mayoría de los módulos comerciales andan actualmente en el entorno del 5 al 6%. Además, los dispositivos de silicio amorfo se degradan cuando se exponen a la luz solar y por otra parte, no ha sido demostrado su comportamiento a largo plazo.

Las más baratas, menos duraderas y con rendimientos muy bajos de alrededor de un 6% que tienden a cero con el envejecimiento. Son las utilizadas en calculadoras y aparatos por el estilo ya que la energía que proporcionan es muy baja. Se construyen a base de evaporar encima de un cristal en una cámara de efluvios el material semiconductor o foto-reactivo y colocar un par de electrodos en cada una de las unidades correspondientes.

En la siguiente tabla 2-4 se muestra la tecnología de las celdas solares.

2.3.4. Sistema

Fotovoltaico

Un sistema FV consiste en la integración de varios componentes, cada uno de ellos cumpliendo con una o más funciones específicas, a fin de que éste pueda suplir la demanda de energía eléctrica impuesta por el tipo de carga, usando como fuente la energía solar [10].

2.3.5. Partes Principales de un Sistema Fotovoltaico

Las instalaciones fotovoltaicas requieren para su funcionamiento el acoplamiento de cinco subsistemas principales [2, 3, 15]:

1. Subsistema de captación

El subsistema de captación está constituido por los paneles solares (figura 2-9), los cuales transforman la radiación solar en electricidad, para ello han de instalarse sobre unas estructuras adecuadas con la debida orientación e inclinación para maximizar la producción. Un panel solar está constituido por varias celdas iguales, conectadas electrónicamente entre sí, en serie y paralelo de forma que la tensión y la corriente suministrada por el panel se incrementen hasta ajustarse al valor deseado. El panel contiene otros elementos que hacen posible la adecuada protección del conjunto frente a los agentes exteriores, aseguran una rigidez suficiente posibilitando la sujeción a las estructuras que los soportan y permiten la conexión eléctrica.

Figura 2-9. Panel solar fotovoltaico.

El coeficiente de expansión térmica de los materiales protectores, tanto el superior como el inferior, debe ser similar y compatible además con el de las celdas.

Los módulos solares fotovoltaicos se construyen para una vida útil al menos de 20 años. Las causas principales de las fallas de los módulos son la rotura de las celdas, la de laminación del encapsulante, que permite la entrada de la humedad y la rotura de las interconexiones de las celdas.

La corriente y el voltaje entregados por un módulo varían con la temperatura ambiente y con la intensidad de la luz incidente. Las curvas típicas de corriente y voltaje de un módulo solar se muestran en la Fig. 2-10. Estas variaciones son de suma importancia para el diseño óptimo de un SFV. Además causan problemas para la comparación entre módulos, por lo que se ha definido el Watt- pico como aquel Watt de potencia entregado por un módulo FV cuando este recibe una insolación de 1000 W/m2 a una temperatura ambiente de 25ºC. Por lo anterior no es posible comparar directamente la potencia instalada de un SFV con un generador convencional. Es necesario la energía entregada en un determinado período de tiempo.

Fig. 2-10. Efecto de la temperatura de trabajo en la relación IV (corriente-voltaje).

Figura 2-11. Dependencia de la corriente producida en función del voltaje para diferentes intensidades de radiación (temperatura constante de 25 °C).

Como se observa en la figura anterior se presenta un aumento proporcional de la corriente producida con el aumento de la intensidad. También se debe observar que el voltaje a circuito abierto Vca no cambio, lo cual demuestra su estabilidad frente a los cambios de iluminación. En la Figura 2-12 se muestra el efecto que produce la temperatura sobre la producción de corriente en el módulo. Esta vez, el efecto se manifiesta en el voltaje del módulo. La potencia nominal se reduce aproximadamente 0.5% por cada grado centígrado por encima de 25 °C.

2. Subsistema de almacenamiento

El subsistema de almacenamiento está constituido por un conjunto de baterías solares. Las baterías almacenan la energía eléctrica generada por los módulos durante los periodos de sol. Normalmente, las baterías se utilizan durante las noches o periodos nublados, el intervalo que incluye un periodo de carga y uno de descarga, recibe el nombre de ciclo. Idealmente las baterías se recargan al 100% de su capacidad durante el periodo de carga de cada ciclo. Si existe un controlador, las baterías no se descargarán totalmente durante el ciclo, de igual manera no corren el peligro de sobrecargarse durante periodos de poco uso.

Figura 2-13. Estructura interna de una batería solar.

El funcionamiento de las baterías se puede describir mediante dos formas: la capacidad en amperios-hora (AH) y la profundidad de descarga.

especificada, la capacidad en AH puede variar. Generalmente, si la batería es descargada a una razón menor, entonces la capacidad será ligeramente mayor.

Otro factor que influye en la capacidad de la batería es la temperatura. A menor temperatura se reduce la capacidad, a mayor temperatura se incrementa la capacidad, no obstante, a mayor temperatura se incrementan las pérdidas evaporativas de la batería reduciéndose así el número de ciclos.

La segunda descripción es la profundidad de descarga. Este parámetro describe la fracción de la capacidad total de la batería que puede ser usada sin necesidad de recarga y sin dañar a la batería. Como regla general, mientras menor sea la cantidad de energía que se extrae de la batería durante cada ciclo, mayor será la vida útil de la misma. Esta descripción da origen a la clasificación de las baterías en dos grandes grupos: Ciclo ligero y ciclo profundo. En el ciclo ligero, como se mencionó anteriormente, las baterías se diseñan para altas descargas iniciales, como puede ser el arranque de un motor, pero continuamente se están cargando y descargando de manera alternativa.

Estas baterías, también llamadas de arranque se diseñan para profundidades de descarga no mayores del 20%. De manera opuesta, las baterías de ciclo profundo se diseñan en función de largos periodos de utilización sin necesidad de recibir recarga, por lo mismo éstas son más robustas y generalmente tienen mayor densidad energética. Su profundidad de descarga puede ser hasta del 80%.

En el mercado podemos encontrar varios tipos de baterías como: plomo–ácido, níquel– cadmio, níquel–hierro, etc. En la figura 2-14 se muestra esquemáticamente las partes principales de una batería solar.

3. Subsistema de regulación

El subsistema de regulación está constituido por un regulador, que instalado entre los paneles solares y la batería, tiene como misión fundamental impedir que la batería continúe recibiendo energía del colector solar una vez que ha alcanzado su carga máxima. Si, una vez que se ha alcanzado la carga máxima, se intenta seguir introduciendo energía en la batería, se inician procesos de gasificación o de calentamiento, éstos son peligrosos y acortarían sensiblemente la duración de la misma.

Otra función del regulador es la prevención de la sobredescarga o descarga profunda de la batería porque puede quedar dañada seriamente y perder gran parte de su capacidad de carga.

Figura 2-15. Regulador de carga.

La forma de evitar la sobrecarga es desconectar las baterías de los paneles. Esta desconexión se puede realizar de dos formas, las cuales dan lugar a los reguladores tipo serie y tipo paralelo.

a) Regulador tipo serie

Los reguladores serie realizan la función de desconectar el panel de las baterías cuando se logre el estado de plena carga. Es equivalente a un conmutador conectado en serie que proporciona una vía de baja resistencia desde el grupo de paneles al sistema de baterías durante la carga y un circuito abierto entre ambos cuando las baterías se encuentran plenamente cargadas.

Este elemento es gobernado por un circuito de control que, comparando constantemente la tensión de las baterías con una tensión de referencia, entrega al regulador una señal para permitir o impedir el paso de corriente.

En los reguladores en serie, la energía sobrante, disipada intencionadamente en forma de calor, aumenta en proporción directa con la carga a que es sometida la fuente.

Fig. 2-16 . Regulador en serie.

b) Regulador tipo paralelo

Los reguladores de tipo paralelo detectan la tensión en bornes de la batería y cuando el potencial alcanza un valor establecido de antemano crean una vía de baja resistencia para el grupo solar, derivando con ello la corriente y apartándola de las baterías. Un diodo en serie, interpuesto entre el regulador y la batería, impide que la corriente de la batería retorne a través del regulador o del panel solar. Los reguladores de tipo paralelo han de disipar toda la corriente de salida del panel cuando el sistema de baterías alcanza el estado de plena carga. Otra característica de los reguladores en paralelo es que impide que las variaciones de la corriente de carga aparezcan en la fuente primaria lo que proporciona una facultad de aislamiento.