Solar Híbrido 486w36

CONALEP LOS REYES LA PAZ PLANTEL 197

CELDAS SOLARES Y SU TECNOLOGÍA

NOMBRE DEL DOCENTE:

NOMBRE DEL ALUMNO: TORRES MONTOYA ELISEO GERMÁN TURNO: GRUPO:

PROFESIONAL TÉCNICO BACHILLER EN AUTOTRÓNICA

FECHA DE ENTREGA: 4 DE ABRIL DE 2014

LOS REYES LA PAZ, ESTADO DE MÉXICO A 4 DE ABRIL DE 2014

CALIFICACIÓN:

Introducción La energía eléctrica no está presente en la naturaleza como fuente de energía primaria y, en consecuencia, sólo podemos disponer de ella mediante la transformación de alguna otra forma de energía. Es por eso que han surgido todo tipo de plantas generadoras de energía a partir de combustibles fósiles, sin embargo, se ha notado que esta forma de generación produce mucha contaminación y devastación de los recursos naturales con los que cuenta nuestro planeta. Las llamadas "energías alternativas" son aquellas cuyo uso no genera contaminación y entre ellas podemos citar la energía eólica o la energía solar. La generación de este tipo de energía eléctrica no produce contaminantes, en especial la energía solar, y es por eso que últimamente ha tomado mucha importancia debido al mal estado en el que se encuentra nuestro ecosistema. El hombre ha aprendido recientemente a transformar la energía solar en eléctrica mediante diferentes procedimientos. Algunos de ellos, los llamados heliotérmicos o fototérmicos, operan sobre principios semejantes a los de las centrales térmicas y nucleares convencionales y por otro lado se encuentran los llamados fotovoltaicos, los cuales significan una importante simplificación respecto a los procesos energéticos convencionales. Las células o celdas fotovoltaicas son dispositivos capaces de transformar la radiación solar en electricidad; son dispositivos estáticos, es decir, carecen de partes móviles. La conversión directa de la energía solar en electricidad, depende del efecto fotoeléctrico que ya había sido descubierto en diversas formas en el siglo XIX. El efecto fotoeléctrico, es la emisión de electrones de una superficie sólida (o líquida) cuando se irradia con emanaciones electromagnéticas. Debemos señalar que hay dos tipos de efectos fotoeléctricos en las celdas solares. El primero es el interno, donde ciertos portadores de carga se ven liberados dentro del seno de un material mediante la absorción de fotones energéticos. En el caso del efecto fotoeléctrico externo, se emiten electrones libres mediante la absorción de fotones energéticos. Partiendo de una oblea de Si (disco muy delgado) se produce una celda solar una vez que se ha creado el campo eléctrico interno y después de preparar los os eléctricos adecuados. El campo eléctrico debe ser superficial para que la radiación solar llegue fácilmente hasta él. Los os eléctricos que se hacen en ambas caras de la oblea son de geometría y características especiales. La cara que no recibe la radiación se recubre totalmente, mientras que la cara expuesta a los rayos solares sólo se cubre parcialmente mediante un electrodo metálico en forma de red. Esto permite que el electrodo recoja en forma eficiente los portadores de carga eléctrica generados en el interior de la oblea. En años recientes ha habido un creciente interés por la celda solar como una fuente alternativa energía, Cuando consideramos que la densidad de potencia recibida del sol al nivel del mar es de aproximadamente 100 mW/cm2 (1 kW/m2). En verdad es ésta una fuente de energía que requiere más investigación y desarrollo para maximizar la eficiencia de la conversión de energía solar a eléctrica.

Objetivo Particular Como objetivo general del siguiente trabajo es demostrar los diversos usos de la energía solar dando a conocer los beneficios de la energía solar, así como explicar los aspectos favorables de la energía solar en la reducción de la contaminación ambiental.

Objetivo General El objetivo de todas las fuentes renovables, y la fotovoltaica es la de transformar directamente la energía solar en energía eléctrica, llamada comúnmente energía fotovoltaica. Generar energía eléctrica a bajos costos que permitan competir con la producción de energía eléctrica que se obtiene de combustibles fósiles y nucleares. Fabricar celdas solares con alta eficiencia de conversión es uno de los propósitos fundamentales en aras de disminuir el precio del kWh de energía eléctrica.

Solar Híbrido El “ Solar Híbrido” es un que integra la energía solar fotovoltaica y la térmica en un único dispositivo. Las dos variantes del están adaptadas al medio en el que se utilizan: En el solar híbrido utilizado en edificaciones, el calor existente en las células fotovoltaicas es transferido a un absorbedor de temperatura integrado en su parte posterior. El serpentín es recorrido por un fluido calor-portante, dicho fluido llega al intercambiador de calor del acumulador de agua caliente, donde cede el calor. El sistema, además de permitir la cogeneración de energía eléctrica y calor, permite aumentar la producción eléctrica al refrigerar los es solares. En el empleado en huertas solares se sustituye el acumulador de agua por un sistema de refrigeración basado en radiadores que enfrían el fluido calor-portante por convección de aire. De esta forma el Solar Híbrido se usa como un solar fotovoltaico refrigerado, concentrando su función en la producción de electricidad. La vida útil de la instalación es más prolongada debido a que la temperatura de trabajo de los es es más baja.

Un sistema solar híbrido fotovoltaico / térmico tiene dos aplicaciones; una fundamental que es de incrementar la eficiencia eléctrica del FV y la otra es aprovechar la energía térmica para usos domésticos a través de un sistema de refrigeración. Un Sistema Solar Híbrido Fotovoltaico / Térmico consiste de una celda solar “s”, un

absorbedor (sistema de refrigeración) “A”; este sistema de refrigeración es básicamente constituido por una placa absorvedora con tubos impregnados por donde circulara agua, un fluido “f”. Este sistema también consta de un tanque de almacenamiento de agua y una bomba para distribuir el agua. La energía solar es recibida por el área del fotovoltaico en donde una parte de esta energía solar es aprovechada en energía eléctrica y otra atraviesa el FV para ser absorbido por el sistema de refrigeración, se han utilizado material aislante en la parte inferior y los lados, similar a un sistema para calentamiento de agua de radiación solar directa, esto para disminuir las pérdidas de calor en el sistema hacia el ambiente. Muchos parámetros han sido utilizados en el diseño del sistema FV/T: el tipo de FV, tipo de materiales utilizados en el sistema de refrigeración, el medio de trabajo (aire, agua, etc), la inclinación del colector con respecto a la horizontal, etc.

Celdas Solares Las células o celdas solares son dispositivos que convierten energía solar en electricidad, ya sea directamente vía el efecto fotovoltaico, o indirectamente mediante la previa conversión de energía solar a calor o a energía química. La forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia del fotovoltaje o del potencial entre las capas. Este voltaje es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de producir trabajo útil.

¿Cómo se hacen las celdas solares? Las celdas solares de silicio se elaboran utilizando planchas (wafers) monocristalinas, planchas policristalinas o láminas delgadas Las planchas monocristalinas (de aproximadamente 1/3 a 1/2 de milímetro espesor) se cortan de un gran lingote monocristalino que se ha desarrollado a aproximadamente 1400°C, este es un proceso muy costoso. El silicio debe ser de una pureza muy elevada y tener una estructura cristalina casi perfecta.

Las planchas policristalinas son realizadas por un proceso de moldeo en el cual el silicio fundido es vertido en un molde y se lo deja asentar. Entonces se rebana en planchas. Como las planchas policristalinas son hechas por moldeo son apreciablemente más baratas de producir, pero no tan eficiente como las celdas monocristalinas. El rendimiento más bajo es debido a las imperfecciones en la estructura cristalina resultando del proceso de moldeo. En los dos procesos anteriormente mencionados, casi la mitad del silicio se pierde como polvo durante el cortado. El silicio amorfo, una de las tecnologías de lámina delgada, es creado depositando silicio sobre un substrato de vidrio de un gas reactivo tal como silano (SiH4). El silicio amorfo es una de grupo de tecnologías de lámina delgada. Este tipo de célula solar se puede aplicar como película a substratos del bajo costo tales como cristal o plástico. Otras tecnologías de lámina delgada incluyen lámina delgada de silicio multicristalino, las celdas de seleniuro de cobre e indio/sulfuro de cio, las celdas de teluro de cio/sulfuro del cio y las celdas del arseniuro de galio. Las celdas de lámina delgada tienen muchas ventajas incluyendo una deposición y un ensamblado más fácil, la capacidad de ser depositadas en substratos o materiales de construcción baratos, la facilidad de la producción en masa, y la gran conveniencia para aplicaciones grandes. En la producción de celdas solares al silicio se le introducen átomos de impurezas (dopado) para crear una región tipo p y una región tipo n de modo de producir una unión p-n. El dopado se puede hacer por difusión a alta temperatura, donde las planchas se colocan en un horno con el dopante introducido en forma de vapor. Hay muchos otros métodos de dopar el silicio. En la fabricación de algunos dispositivos de lámina delgada la introducción de dopantes puede ocurrir durante la deposición de las láminas o de las capas. Un átomo del silicio tiene 4 electrones de valencia (aquellos más débilmente unidos), que enlazan a los átomos adyacentes. Substituyendo un átomo del silicio por un átomo que tenga 3 o 5 electrones de la valencia producirá un espacio sin un electrón (un agujero) o un electrón extra que pueda moverse más libremente que los otros, ésta es la base del doping. En el doping tipo p, la creación de agujeros, es alcanzada mediante la incorporación en el silicio de átomos con 3 electrones de valencia, generalmente se utiliza boro. En el dopaje de tipo n, la creación de electrones adicionales es alcanzada incorporando un átomo con 5 electrones de valencia, generalmente fósforo.

Uso de la energía Deben su aparición a la industria aeroespacial, y se han convertido en el medio más fiable de suministrar energía eléctrica a un satélite o a una sonda en las órbitas interiores del Sistema Solar, gracias a la mayor irradiación solar sin el impedimento de la atmósfera y a su alta relación potencia a peso. En el ámbito terrestre, este tipo de energía se usa para alimentar innumerables aparatos autónomos, para abastecer refugios o casas aisladas de la red eléctrica y para producir electricidad a gran escala a través de redes de distribución. Debido a la creciente demanda de energías renovables, la fabricación de células solares e instalaciones fotovoltaicas ha avanzado considerablemente en los últimos años. Entre los años 2001 y 2012 se ha producido un crecimiento exponencial de la producción de energía fotovoltaica, doblándose aproximadamente cada dos años. Si esta tendencia continúa, la energía fotovoltaica cubriría el 10% del consumo energético mundial en 2018, alcanzando una producción aproximada de 2.200 TWh,6 y podría llegar a proporcionar el 100% de las necesidades energéticas actuales en torno al año 2027. Los es fotovoltaicos de este yate pueden cargar las pilas de 12 V hasta a 9 amperios bajo sol directo y lleno. Experimentalmente también han sido usados para dar energía a vehículos solares, por ejemplo en el World Solar Challenge a través de Australia o la Carrera Solar Atacama en América. Muchos barcos y vehículos terrestres los usan para cargar sus baterías de forma autónoma, lejos de la red eléctrica. Programas de incentivos económicos, primero, y posteriormente sistemas de autoconsumo fotovoltaico y balance neto sin subsidios, han apoyado la instalación de la fotovoltaica en un gran número de países, contribuyendo a evitar la emisión de una mayor cantidad de gases de efecto invernadero.

¿Cómo funcionan las celdas solares? Para entender la operación de una célula fotovoltaica, necesitamos considerar la naturaleza del material y la naturaleza de la luz del sol. Las celdas solares están formadas por dos tipos de material, generalmente silicio tipo p y silicio tipo n. La luz de ciertas longitudes de onda puede ionizar los átomos en el silicio y el campo interno producido por la unión que separa algunas de las cargas positivas ("agujeros") de las cargas negativas (electrones) dentro del dispositivo fotovoltaico. Los agujeros se mueven hacia la capa positiva o capa de tipo p y los electrones hacia la negativa o capa tipo n. Aunque estas cargas opuestas se atraen mutuamente, la mayoría de ellas solamente se pueden recombinar pasando a través de un circuito externo fuera del material debido a la barrera de energía potencial interno. Por lo tanto si se hace un circuito se puede producir una corriente a partir de las celdas iluminadas, puesto que los electrones libres tienen que pasar a través del circuito para recombinarse con los agujeros positivos.

Efecto Fotoeléctrico

Efecto fotovoltaico en una célula solar La cantidad de energía que entrega un dispositivo fotovoltaico está determinado por: El tipo y el área del material La intensidad de la luz del sol La longitud de onda de la luz del sol Por ejemplo, las celdas solares de silicio monocristalino actualmente no pueden convertir más el de 25% de la energía solar en electricidad, porque la radiación en la región infrarroja del espectro electromagnético no tiene suficiente energía como para separar las cargas positivas y negativas en el material. Las celdas solares de silicio policristalino en la actualidad tienen una eficiencia de menos del 20% y las celdas amorfas de silicio tienen actualmente una eficiencia cerca del 10%, debido a pérdidas de energía internas más altas que las del silicio monocristalino. Una típica célula fotovoltaica de silicio monocristalino de 100 cm2 producirá cerca de 1.5 vatios de energía a 0.5 voltios de Corriente Continua y 3 amperios bajo la luz del sol en pleno verano (el 1000Wm-2). La energía de salida de la célula es casi directamente proporcional a la intensidad de la luz del sol. (Por ejemplo, si la intensidad de la luz del sol se divide por la mitad la energía de salida también será disminuida a la mitad).

Una característica importante de las celdas fotovoltaicas es que el voltaje de la célula no depende de su tamaño, y sigue siendo bastante constante con el cambio de la intensidad de luz. La corriente en un dispositivo, sin embargo, es casi directamente proporcional a la intensidad de la luz y al tamaño. Para comparar diversas celdas se las clasifica por densidad de corriente, o amperios por centímetro cuadrado del área de la célula. La potencia entregada por una célula solar se puede aumentar con bastante eficacia empleando un mecanismo de seguimiento para mantener el dispositivo fotovoltaico directamente frente al sol, o concentrando la luz del sol usando lentes o espejos. Sin embargo, hay límites a este proceso, debido a la complejidad de los mecanismos, y de la necesidad de refrescar las celdas. La corriente es relativamente estable a altas temperaturas, pero el voltaje se reduce, conduciendo a una caída de potencia a causa del aumento de la temperatura de la célula. Otros tipos de materiales fotovoltaicos que tienen potencial comercial incluyen el diselenide de cobre e indio (CuInSe2) y teluo de cio (CdTe) y silicio amorfo como materia prima.

Construcción de un prototipo Se ha utilizado una placa absorbedora de calor que está unido a una tubería de cobre tipo parilla, esta tubería de cobre tiene una entrada y salida por donde circulara el fluido, se utilizó una pasta térmica para unir la placa con la tubería; esto para tener un buen o térmico entre los dos materiales. En la parte posterior del fotovoltaico también se ha impregnado pasta térmica luego se procedió a unir con el sistema de refrigeración, como vemos en la figura 1.1

Figura 1.1 Disposición de las tuberías de cobre y la placa de aluminio, incorporada en el FV.

Figura 1.2 Aislamiento en la parte posterior del todo el sistema de refrigeración.

El aislante térmico utilizado es una caja térmica similar al que utilizan para calentamiento de agua de radiación directa. En la entrada y salida para el fluido se han instalado sensores de temperatura, luego se procedió a unir las tuberías de tal forma que se tenga un circuito cerrado, antes de la entrada del fluido se ha intercalado un pequeña bomba de circulación para el agua, tomada de un tanque de agua. Dicho tanque está colocada a una altura determinada con lo cual recibe el flujo de salida del absorbedor (figura 1.3). El tanque de almacenamiento y los tubos de entrada y salida del absorbedor han sido aislados del medio ambiente y de la radiación solar esto para evitar variaciones de temperatura, y que puedan falsear los resultados obtenidos en el ensayo.

Figura 1.3 Disposición del SSH FV/T, tanque de almacenamiento, la bomba de circulación de agua y los sensores de entrada y salida del flujo.

Materiales empleados en la construcción del prototipo

• Plancha de aluminio para la placa absorbedora • Tubería de cobre para la construcción del absorbedor tipo parrilla • Soldadura de plata para soldar los tubos de cobre • Tecnopor y esponja para el aislamiento • Tubos hidro 3 para las conexiones de entrada y salida de agua • Plancha de madera tipo melamine para la construcción de la caja aisladora • Otros Nota: se han utilizado los es fotovoltaicos existentes en el área de energía solar, el tanque de almacenamiento ha sido confeccionado con los materiales existentes en el área.

Las principales características de las celdas solares son: * Son de fácil uso. * Generan bajos voltajes pero se pueden interconectar para dar altos voltajes. * No requieren mantenimiento (ocasionalmente limpiarlas). * Contienen bancos de baterías que requieren del agregado de agua ocasionalmente. * No almacenan la energía. * Son costosas. * No producen contaminación * Funcionan en el frío (Generan más energía a bajas temperaturas). * Funcionan en días nublados pero disminuye la energía generada hasta un 10%. * La eficiencia es alrededor del 13%, teóricamente se pueden lograr eficiencias de hasta un y 50% en laboratorio se han logrado fabricar celdas con eficiencias superiores al 30%. * Están diseñadas para durar al menos 30 años e incluso cuentan con garantías de 20 años. * Soportan todos los rigores del medio ambiente, la cubierta superior es de vidrio templado bajo contenido de hierro y lámina con una capa plástica. Esta construcción es de gran duración y alta resistencia al impacto.

Conclusión Hemos de concluir, en primer lugar, que es necesario plantearse un cambio en el sistema energético actual para eliminar la gran dependencia que éste tiene de los combustibles fósiles y los problemas que ello trae consigo, existen alternativas tecnológicas disponibles para el aprovechamiento de la energía solar que pueden permitir la diversificación de las fuentes de energía. El principal inconveniente que se opone a la utilización a gran escala de estas energías renovables es de tipo económico, los es solares no ayudan para recolectar energía solar para así aprovechar de su radiación también para producir agua caliente y por lógica crear nuevas fuentes de energías para los beneficios humanos. No hay que olvidar, sin embargo, otras tecnologías como la fotovoltaica que pueden suponer un cambio más importante en el escenario energético, y que de momento con acciones puntuales pueden ayudar a su desarrollo tanto tecnológico como de mercado. Sin embargo las energías renovables presentan unas ventajas que resuelven problemas del sistema energético actual:   

No contaminan. Son recursos inagotables. Proporcionan sistemas de desarrollo no centralizados.

Concretamente la ciudad de Jaén y para el sector de edificios se ha estudiado su potencial solar, y se han obtenido una serie de recomendaciones para la introducción de las energías renovables. Entre estas recomendaciones ocupa un primer lugar, por sumar la competitividad económica a todas las demás ventajas de las energías renovables, la instalación de es solares para obtención de agua caliente domestica.

Bibliografía Frank, Krath, Mark S. Boh, “Principios de transferencia de calor “, Thomson Leaning, 6 Edición, México, 2001. John A. Duffie and W. A. Beckman, “Solar engineering of thermal processes”, second edition, wiley, New York 1991. Satinder Pal Singh and S. Ashok, The Development of a portable hybrid system simulation model, Department of Mechanical Engineering Yod Sukamongkol A simulation model for predicting the transient performance of a hybrid pv/t forcedcirculation solar water-heating system, Sirindhorn International Institute of Technonlgy, Thammasat University, P.O.Box 22, 12121, Thailand, Phone:+662 9869006 ext 2505 Solar Híbrido Fotovoltaico/ Térmico Con Incremento De Eficiencia En Sistema Fotovoltaico, [email protected]

file:///C:/Documents%20and%20Settings//Mis%20documentos/ s/DISENO_CONSTRUCCION_Y_EVALUACION_DE_UN_SISTEMA_SOLAR_HIBRID O_FOTOVOLTAICO_TERMICO-libre.pdf http://www.ison21.es/2008/04/16/el--solar-hibrido/ https://www.google.com.mx/search?q=formacion+y+ensamble+celda+solar+sistema+h ibrido&hl=es&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=peE8U7r2N5LNsQTT4oDgCg&ved=0 CAYQ_AUoAQ&biw=1024&bih=675 http://www.textoscientificos.com/energia/celulas http://es.wikipedia.org/wiki/_solar

Anexos: El material ocupado para realizar el siguiente trabajo fue:

  

Computadora Libros Internet