Characteriza*on
of solar cell
systems
Las tendencias tecnológicas y energéticas del siglo XXI se pueden expresar en solo 6 palabras:
Mas energía, menos
dióxido de carbono
El Nuevo Orden Energético Mundial requiere una energía que sea abundante, económica, accesible a todos, de precio no volátil, amigable al ambiente y de carácter sustentable
Orden de la presentación
•
Problemática
•
Análisis de fallas en líneas de transmisión
•
Objetivos
•
Introducción
•
Conceptos Básicos
•
Ventajas/desventajas
Importancia de la Eficiencia Energética
Necesario satisfacer la demanda de
energía de todos los sectores
+ Competitividad y Productividad
derivados de:
Uso racional con sustentabilidad ambiental, con una visión global
Altos precios del petróleo mundial
Reducción en el uso de combustibles fósiles
menos emisiones de (CO2)
menos GEI’s
Combate mundial de los efectos adversos del calentamiento global mitigación Cambio
Ahorro y Uso Eficiente de Energía Eléctrica
Energías Alternas y Renovables
Eficiencia Energética con Sustentabilidad Ambiental
Menor Consumo de Energía sin afectar el
Desarrollo Mayor Sustentabilidad Económica Maximización de la Eficiencia Energética Fomento a la diversificación de Fuentes Pr o ye cto s y Pr o g ra m as EE Evolución Cambio Positivo Cultura del Uso
Eficiente de la Energía
Eléctrica
1
Diagnósticos Energéticos Sustitución de Equipos Obras Nuevas Financiamiento del 100% de la inversión
Reembolso hasta un plazo máximo de 3 años
Tiempo máximo de ejecución del Proyecto 6 meses
10
•
Caso de estudio
•
Líneas de transmisión subterráneas
Structure of an underground electric power
conductor.
Implementación para detección de
fallas
• Una de las fallas mas
comunes es las terminales (mal contacto)
Objetivos
•
Estudio y caracterización de células
fotovoltaicas mediante un modelo eléctrico
teórico que contrastaremos con los resultados
obtenidos experimentalmente.
•
Comparación entre diferentes mediciones de
voltaje dependiendo la altura a la que se
encuentra la lámpara led.
•
Medición del voltaje en la celda fotovoltaica
dependiendo el ángulo de inclinación respecto
a la lámpara led.
•
Obtener la curva caracterís*ca I-‐V de la celda
fotovoltaica.
•
Medida de la eficiencia cuán*ca de una célula
Introduction
•
Energías no renovables
•
Energías renovables
•
¿Cómo se puede ahorrar energía ?
Introduction: Energías
renovables:
Energía solar
Energía eólica
Energía hidráulica
Energía mareomotriz
Energía geotérmica
Energía de biomasa
Energía de residuos sólidos
urbanos
Introduction: Emisiones de dióxido
de carbono
Emisiones de dióxido de carbono por unidad de energía
producida por varios combustibles, expresadas en porcentajes de las emisiones producidas por el carbón.
•
El medio rural aparece como el mejor
escenario para implementar el uso de
fuentes de energía renovable. Las
energías renovables (solar térmica, solar
fotovoltaica, eólica, mini hidráulica,
biomasa) también llamadas energías
limpias, utilizan todas ellas, directa o
indirectamente, la energía del sol.
Energía solar
• La energía que procede del sol es fuente directa o indirecta
de casi toda la energía que usamos.
• Los combustibles fósiles existen gracias a la fotosíntesis
que convirtió la radiación solar en las plantas y animales de las que se formaron el carbón, gas y petróleo.
• El ciclo del agua que nos permite obtener energía
hidroeléctrica es movido por la energía solar que evapora el agua, forma nubes y las lleva tierra adentro donde caerá en forma de lluvia o nieve.
• El viento también se forma cuando unas zonas de la
atmósfera son calentadas por el sol en mayor medida que otras.
Conceptos Básicos: Tipos de
materiales
•
Conductores: electrones de valencia poco
ligados al núcleo.
•
Semiconductores: electrones de valencia
más ligados al núcleo.
•
Aislantes: configuración muy estable.
Los materiales usados en las celdas
solares son semiconductores.
Conceptos Básicos: Celdas
solares
Conceptos Básicos: Celdas
solares
•
Transforman directamente la energía solar
en energía eléctrica.
•
Energía resultante de reacciones
Conceptos Básicos: Celdas solares
•
Fotovoltaica es la conversión directa de
luz en electricidad a nivel atómico.
Algunos materiales presentan una
propiedad conocida como
efecto
fotoeléctrico
que hace que absorban
fotones de luz y emitan electrones.
Cuando estos electrones libres son
capturados, el resultado es una
corriente eléctrica que puede ser
utilizada como electricidad.
Conceptos Básicos: Celdas
solares
•
La celdas solares o fotovoltaicas funcionan
bajo el principio de que la electricidad circulará
entre dos semiconductores disímiles al
ponerlos en contacto uno con el otro y ser
expuestos a la luz. Un conjunto de dos o más
unidades de celdas fotovoltaicas de iguales
características constituyen un
módulo
Varios módulos pueden ser conectados unos con otros para formar un arreglo. Los
módulos y arreglos fotovoltaicos producen corriente directa. Estos
arreglos pueden ser
conectados tanto en serie como en paralelo para producir cualquier can*dad de voltaje o corriente que se
requiera.
Introduction: Principales
aplicaciones
Generalmente es utilizado en zonas aisladas de la red de distribución eléctrica convencional, pudiendo
trabajar en forma independiente o combinada con sistemas de generación eléctrica convencional. Sus principales aplicaciones son:
• Electrificación de inmuebles rurales: luz, TV,
telefonía, comunicaciones, bombas de agua • Electrificación de cercas
• Alumbrado exterior
• Balizado y Señalización
• Protección catódica
Ventajas de las celdas
fotovoltaicas
No consumen combus*bles. No *enen partes de
movimiento.
Son modulares, lo que permite
aumentar la potencia instalada, sin interrumpir el
funcionamiento
La vida ú*l es superior a 20
años.
Resisten condiciones externas
como vientos, granizos, temperatura y humedad.
Son totalmente silenciosos.
No contaminan el medio
ambiente.
Características de la Tecnología
Fotovoltaica
• No contienen fluidos o gases que puedan
derramarse o fugarse.
• Tienen una respuesta rápida, alcanzando plena
producción eléctrica instantáneamente.
• El 85% de las celdas FV se fabrican de silicio, el
segundo elemento más abundante en la corteza terrestre.
• Tienen una eficiencia de conversión de luz solar a
electricidad relativamente alta
• Tienen amplio rango de capacidad de generación, de microwats a Megawats.
Limitaciones de los Sistemas FV:
• No son aún económicamente competitivos para la
mayoría de las aplicaciones, especialmente en aplicaciones de escala intermedia y grande. • Para la manufactura de cierto tipo de celdas
requiere el manejo de sustancias que pueden ser
nocivas para el ambiente en caso de descargas
accidentales.
• Las tecnologías de producción están controladas por los países industrializados.
Conceptos Básicos: Estructura
semiconductores
• Materiales: Si, Ge, P, As.
• Estructura del Si:
– segundo elemento del planeta más abundante.
– 14 electrones y 14 protones, 4e-‐ de valencia.
– se presenta en la naturaleza de dos formas dis*ntas, una amorfa y
otra cristalizada
Conceptos Básicos: Semiconductor “*po
I”
• Celda elemental de Si:
– se unen 5 átomos del material, enlace covalente.
– no hay electrones libres, por lo cual se denomina
conductor intrínseco o “*po I”.
Conceptos Básicos: Semiconductor “*po
N”
• Si incorporamos una
impureza, P (5
electrones de valencia) habrá un electrón libre.
• El material tendrá
exceso de cargas nega*vas.
Conceptos Básicos: Semiconductor “*po
P”
• Si incorporamos B (3
electrones de valencia) aparecerá un hueco.
• No se produce enlace
covalente y hay exceso de cargas posi*vas.
Conceptos Básicos: Unión “NP”
• Unión de material “*po N” y “*po P”.
• Los electrones sobrantes del material
N pasan hacia el material P y los “huecos” del material P pasan al material N.
• Cuando la luz incide sobre el
semiconductor, se liberan electrones del átomo de Si, se rompe el equilibrio de la unión NP y se producen los
denominados par “electrón-‐hueco”.
• Se genera un campo eléctrico que al
conectar una carga externa entre ambas zonas, genera la corriente eléctrica.
• Para el Si, se pueden obtener
potenciales de aproximadamente 550mV.
Conceptos Básicos: Tipos de celdas de
Si
• Mono cristalinas:
– estructura atómica muy ordenada.
– rendimiento entre el 15% y el 18%.
– didcil construcción, alto precio.
• Poli cristalinas:
– estructura atómica no tan ordenada como en el
mono cristalino.
– rendimiento entre el 12% y el 15% .
• Amorfas:
– estructura atómica bastante desordenada.
– rendimiento es inferior al 10%.
Elementos de una celda solar de Si
– Un contacto superior en la zona del material “*po N”.
– Dos semiconductores “*po N” y “*po P”.
La luz del sol se puede convertir
directamente en electricidad
Usan el efecto fotoeléctrico.
Las células fotovoltaicas no *enen rendimientos muy altos.
La eficiencia media en la actualidad es de un 10 a un 15%, aunque
algunos proto*pos experimentales logran eficiencias de hasta el 30%. Por esto se necesitan grandes extensiones si se quiere producir
energía en grandes can*dades.
Fotones con
Caracterís*cas de las celdas solares
• Caracterís*cas I-‐V
– Voltaje de circuito abierto VOC
– Corriente de cortocircuito ISC
– Potencia Máxima (rectángulo)
• Factor de llenado (fill factor) : cociente
entre el rectángulo de máxima potencia y el rectángulo inscrito entre el voltaje de circuito abierto y la corriente de corto circuito. Esta medida nos da una idea de
Caracterís*cas de las celdas solares
• Caracterís*cas I-‐V
– Esto precisamente es lo que
haremos en el taller (mas adelante los detalles)
Caracterís*cas de las celdas solares:
Eficiencia
• Definición: Relación entre
la potencia eléctrica
generada por unidad de área (W/m2) y la
irradiación solar incidente (W/m2) para obtenerla
• Máximas eficiencias
teóricas para las celdas solares para diversos materiales (J.J. Loferski 1963)
Características de las celdas solares:
Tecnología de fabricación de celdas solares de
Silicio
• Silicio mono cristalino:estructura cristalina uniforme
• Silicio poli cristalino:estructuras ubicadas
arbitrariamente. Estos “granos” hacen que la estructura no sea uniforme y se obtenga una eficiencia menor
• Silicio amorfo:presenta todavía bajos niveles de
Caracterís*cas de las celdas solares:
Tecnología de fabricación de celdas
solares de Silicio
• El Silicio se ob*ene a par*r de elementos como
arena o cuarzo
• Se presentan en la naturaleza con altos grados de
impurezas, por este mo*vo es necesario procesarlos
• Obtenemos un Silicio con propiedades de
semiconductor y así lograr celdas de alta eficiencia
• el Silicio es el segundo elemento más abundante en
Características de las celdas
solares:Tecnología de fabricación de celdas
solares de Silicio
Producción de Silicio Poli cristalino
• Proceso
– Consiste en llevar los granos de cuarzita a temperaturas
sumamente elevadas, agregando carbón para eliminar el
oxigeno presente en la cuarzita y producir una sustancia gris metálica brillante de una pureza de aproximadamente 99%.
– Para llegar a purezas de 99,9999%, la sustancia obtenida es
depurada mediante un proceso similar al u*lizado en las refinerías de petróleo, llamado des*lación fraccionada
Tecnología de fabricación de celdas
solares de Silicio
Producción de Silicio Mono cristalino
• Proceso
– Método de crecimiento de
Czochralski (CZ)
• El Silicio Policristalino se funde en
un crisol a temperaturas cercanas a 1.410ºC,
• Se introduce una “semilla” de Silicio
Mono cristalino,
• Se re*ra lentamente (10cm/hora)
haciendo crecer un lingote cilíndrico de material Mono cristalino
Tecnología de fabricación de celdas
solares de Silicio
• Método Flotante (FZ)
– Se coloca una “semilla” Mono
cristalina sobre una barra de Silicio Poli cristalino
– Luego gracias a una bobina que
induce un campo eléctrico, la barra se calienta y se funde con la semilla – Al desplazarse completamente por la
bobina permite la obtención del lingote de Silicio Mono cristalino – Este lingote es más puro que el
Tecnología de fabricación de celdas
solares de Silicio
Producción de obleas
• Una vez obtenido el cilindro de Silicio
Mono cristalino, se procede a cortar las obleas o wafers con espesor aproximado de 300um
• Para realizar esta operación se u*liza una
sierra con mul*filamentos, la cual al cortar las obleas produce parnculas de Silicio
Tecnología de fabricación de
celdas solares de Silicio
Producción de obleas
• Las obleas son dopadas con átomos de Fósforo en
un horno a temperaturas entre 800ºC y 900ºC para obtener la capa N
• El substrato tipo P se logra, antes de obtener los
lingotes, dopando el Silicio con átomos de Boro, para luego cortar las obleas que serán utilizadas como material tipo P en las celdas
Tecnología de fabricación de
celdas solares de Silicio
Película anti reflectante
• Consiste en una tratamiento o texturizado que se le
da al Silicio para disminuir el índice de reflexión • Estructura piramidal, que aumenta la absorción de
Tecnología de fabricación de celdas
solares de Silicio
Contactos
• Superior : Debe construirse con
unidades lo bastante gruesas, para transportar la corriente eléctrica y lo bastante finas, para no obstaculizar el paso de la luz solar
• Inferior : material conductor simple
Tecnología de fabricación de
celdas solares de Silicio
• Celdas de Arseniuro de Galio (GaAs)
– Eficiencias mayores a las de Silicio.
• Algunos fabricantes, como Spectrolab, han
construido celdas con multijunturas, superponiendo junturas específicas para un determinado espectro de la luz solar y así aprovechar totalmente el
Fabricación de módulos.
Caracterización
N celdas en serie o en
paralelo, la potencia total de salida es
WP = N ·∙ (IP ·∙ VP)
IP = corriente peak de la
celda
VP = voltaje peak de la
celda Característica Silicio Ip [mA/cm ] 28 VP [V] 0,5 WP [mW/cm ] 14 VOC [V] 0,6
Aplicaciones de celdas Fotovoltaicas
Electrificación de viviendas
Electrificación
establecimientos rurales
Iluminación,
Televisores,
Telefonía,
Bombeo de agua
Comunicaciones.
Electrificación de alambradas
Balizas
Casas rodantes
Náu*ca
Prác*ca
• Equipo y material a u2lizar:
• Celda fotovoltaica de Si célula mono cristalina. 1 V,
400mA.
• Mulnmetro.
• Potenciómetro de 5 KΩ.
• Lámpara led.
• Cables de conexión.
• Clavija.
• Cable.
