Informe de la celda Fotovoltaica

Para la realización de la celda fotovoltaica se necesitan los siguientes materiales:

1. Tapa de cartón 
2. Aluminio 
3. Alambre de cobre
4. Esmalte sintético (Color rojo)
5. Virutas de acero fino
6. Pegante 
7. Cinta aislante 
8. Cartón 
9. Dos trozos de cable fino
10. Crema dental 
11. Sulfato de cobre 
12. Solución salina 
13. Jugo de limón
14. Palillos de dientes 

Procedimiento: 

1. En primer lugar se debe forrar la tapa de cartón con el aluminio, dejando en un extremo  y en el centro de la tapa de cartón un cuadrado de aluminio, con el fin de que se forme la terminal colocando dos palillos de dientes y cinta aislante en cada cuadrado.
2. Dividir la tapa de cartón en 3 bloques iguales, y en el bloque central distribuir el esmalte sintético de color rojo, al secarse el esmalte se debe demarcar el cuadrado por medio de trozos delgados de cartón paja. 
3. Con el alambre de cobre se forma una fuente que produce voltaje, teniendo en cuenta que el senoidal abarca todo el cuadro rojo. 
4. Se pega la resistencia en forma senoidal en el cuadro rojo, aplicando pegante, al terminar de de pegar la resistencia se baña en una solución compuesta de jugo de limón y crema dental.Como la resistencia genera voltaje, se debe tener cuidado en como se pega la resistencia al cuadro rojo.
5. Diluir la solución compuesta de sulfato de cobre, solución salina y virutas de acero, en la parte del aluminio, es decir, en los dos cuadros que quedaron al dividir al principio la caja de cartón con aluminio.

RESUMEN

Nuestro proyecto consiste en la construcción de un panel solar, el cual busca generar energía eléctrica a través de las celdas fotovoltaicas. Para ello la energía solar es la fuente principal de este.  Para poder generar energía útil se deben conectar cierto número de celdas teniendo en cuenta la cantidad de voltaje que se necesita para que el bombillo encienda. La cantidad de energía generada por una celda solar es determinada por la porción de luz que cae directamente sobre ella, lo cual a su vez está limitado por la hora y el clima del dia.

INTRODUCCIÓN

Es notable que actualmente las instalaciones de celdas fotovoltaicas ha ido creciendo especialmente en la  comunidad Asiática. Partiendo con una breve reseña de conceptualización analizaremos las nuevas tendencias y tecnologías sobre las celdas solares.

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. 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. Las llamadas energías alternativas son aquellas cuyo uso no genera contaminación y entre ellas podemos citar la energía solar.

La generación de este tipo de energía eléctrica no produce contaminantes y es por eso que últimamente ha tomado mucha importancia debido al crecimiento del calentamiento global.

Hoy en día la energía solar se utiliza como fuente de energía renovable, la cual se capta a través de paneles fotovoltaicos y se almacena en baterías como energía eléctrica para suministrar electricidad a las luces y diversos equipos.

os equipos.

HISTORIA

Aunque ya en el siglo XIX se descubrió el efecto fotovoltaico por Becquerel en el año 1839 y se hicieron dispositivos funcionando con selenio, el primer dispositivo funcional, una célula de silicio que se realizó hasta el año 1954.

En 1885 el profesor W. Grylls Adams experimento con el selenio (elemento semiconductor) como reaccionaba con la luz y descubrió que se generaba un flujo de electricidad conocida como "fotoeléctrica".

Charles Fritts en 1893, fue quien inventó la primera célula solar, conformada de láminas de revestimiento de selenio con una fina capa de oro, estas células se utilizaron para sensores de luz en la exposición de cámaras fotográficas.

Albert Einstein investigó más a fondo sobre el efecto fotoeléctrico y descubrió que al iluminar con luz violeta los fotones pueden arrancar los electrones de un metal y producir corriente eléctrica.

Una célula solar de silicio que convertía el 6% de la luz solar que incidia sobre ella en electricidad fue desarrollada por Chapin, Pearson y Fuller en 1954, y esta es la clase de célula que fue utilizada en usos especializados.

CONCEPTOS

Es importante saber que la materia prima está compuesta por átomos, las cuales están formados por un núcleo cargado positivamente y a su alrededor se encuentran orbitando electrones con una carga eléctrica negativa; los electrones más externos se conocen como electrones de valencia.

Los semiconductores son utilizados en la fabricación de las celdas solares porque la energía que entran a los electrones de valencia es muy similar a la energía que se poseen los fotones de los rayos del sol, por lo tanto cuando la luz solar entra al semiconductor los fotones suministran energía necesaria para romper los enlaces y queden libres para esparcirse en el material. Por cada electrón que se libere queda un hueco donde están cargados positivamente.

En este proceso hay una acumulacion de cargas en las superficies del dispositivo que dan como resultado un voltaje eléctrico medido en Volt, este voltaje es generado por el efecto fotovoltaico. Cuando los electrones fluyen y regresan a su posición inicial se llama corriente fotovoltaica.

Corriente eléctrica: número de electrones que fluyen en un material en un segundo (I Amperes).

Voltaje eléctrico: es el esfuerzo que realiza una fuerza externa sobre los electrones dentro de un material para producir la corriente (Volts).

Potencia eléctrica: voltaje que obliga a los electrones a producir corriente continua (P=V x I y la unidad es Watt)

Energía eléctrica: es la potencia generada en un periodo de tiempo ( E= V x I y la unidad es Watt-hora)

PRINCIPIO FÍSICO

Las celdas solares generan energía eléctrica a través de un principio físico que se conoce como efecto fotoeléctrico. Cuando un haz de luz impacta sobre un átomo que contiene electrones separa el electrón del núcleo y produce dos cargas, el núcleo queda con una carga positiva y el electrón se lleva la carga negativa. Esto produce la aparición de un par electrón-hueco. El dispositivo se diseña de manera que exista la unión de dos materiales entre los cuales se establece una diferencia de campo eléctrico. Cuando las cargas están en ese campo eléctrico son sometidas a fuerzas y se desplazan libremente. Si se mantiene el flujo de electrones, se mantiene la generación de cargas circulando por el circuito y se dispone de una corriente eléctrica.

Los fotones tienen una energía característica determinada por la frecuencia de onda de la luz. Si un átomo absorbe energía de un fotón y tiene más energía que la necesaria para expulsar un electrón del material y además posee una trayectoria dirigida hacia la superficie, entonces el electrón puede ser expulsado del material. Si la energía del fotón es demasiado pequeña, el electrón es incapaz de escapar de la superficie del material.

LEYES DE LA EMISIÓN FOTOELÉCTRICA

1. Para un metal y una frecuencia de radiación incidente dados, la cantidad de fotoelectrones emitidos directamente proporcional a la intensidad de luz incidente.
2. Para cada metal dado, existe una cierta frecuencia mínima de radiación incidente debajo de la cual ningún fotoelectrón puede ser emitido. Esta frecuencia se llama frecuencia de corte
3. Por encima de la frecuencia de corte, la energía cinética máxima del fotoelectrón emitido es independiente de la intensidad de la luz incidente, pero depende de la frecuencia de la luz incidente.
4. La emisión del fotoelectrón se realiza instantáneamente, independientemente de la intensidad de la luz incidente

FORMULACIÓN MATEMÁTICA

Energía de un fotón absorbido = Energía necesaria para liberar 1 electrón + energía cinética del electrón emitido.

hf = hf0 +1/2mv2

donde h es la constante de Planck, f0 es la frecuencia de corte o frecuencia mínima de los fotones para que tenga lugar el efecto fotoeléctrico

La constante de Planck es  6.62606896(33) x 10-34  en unidades de J x Seg

EFECTO FOTOELÉCTRICO EN LA ACTUALIDAD

El efecto fotoeléctrico es la base de la producción de energía eléctrica por radiación solar y del aprovechamiento energético de la energía solar. El efecto fotoeléctrico se utiliza también para la fabricación de células utilizadas en los detectores de llama de las calderas de las grandes centrales termoeléctricas. Este efecto es también el principio de funcionamiento de los sensores utilizados en las cámaras digitales. También se utiliza en diodos fotosensibles tales como los que se utilizan en las células fotovoltaicas y en electroscopios o electrómetros. En la actualidad los materiales fotosensibles más utilizados son, aparte de los deriva cobre, el silicio, que produce corrientes eléctricas mayores.

EFICIENCIA DE UN PANEL SOLAR

El rendimiento de las celdas fotovoltaicas depende de la radiación solar y la temperatura la cual por cada grado Celsius de aumento ocasionada en la potencia de salida de los módulos una reducción del 0,5%, con esto se hace necesario refrigerar el sistema de paneles solares para obtener una mejor eficiencia.

n=Pm/E * Ac

Donde Pm es Potencia en W, Ac es la superficie de la celda en m2 y E quiere decir la irradiancia en W/m2

La irradiancia quiere decir que es la potencia incidente por unidad de superficie de todo tipo de radiación electromagnética que se describe con una magnitud.

En la superficie terrestre el mayor valor de irradiancia posible es alrededor de 1000 w/m2, este valor es la potencia recibida en un 1m2 que se encuentra perpendicular a la radiación solar. Tenemos que tener en cuenta que hay si la radiación solar no es perpendicular a la superficie el valor de irradiancia ya no va a ser el mismo ya que va a tener un ángulo por el cual se debe multiplicar. Existen dos clases de radiación que son:

Radiación perpendicular

Radiación Oblicua

MATERIALES Y DESCRIPCION DEL SISTEMA

Un sistema fotovoltaico consta de 2 elementos, el panel o los campos de paneles y la batería o acumulador. Los paneles son los encargados de generar energía eléctrica a partir de la radiación solar donde el conjunto de módulos fotovoltaicos están conectados en serie y/o paralelo por medio de un cable plano de material que deben proporcionar la energía necesaria para el consumo. La corriente que da un campo de paneles varía proporcionalmente a la irradiación solar donde la irradiación varía en el tiempo debido a las condiciones climatológicas y para ello se debe utilizar un acumulador de energía  que se encarga de almacenar la energía producida por los paneles que no se consume inmediatamente para disponer en periodos donde la radiación solar sea nula.

Panel solar fotovoltaico

Batería de plomo-ácido

Figura 3. Efecto Fotovoltaico

MATERIAL DE FABRICACIÓN DE CELDAS SOLARES

Se ha encontrado una alta eficiencia de conversión de energía solar a eléctrica a partir de materiales sólidos semiconductores con las cuales se puede elaborar celdas solares, pero el material que más se utiliza es el silicio en sus diferentes formas de fabricación.

Silicio Monocristalino: eficiencia en los módulos del 17% y las celdas están hechas en un solo cristal de silicio generando muy alta pureza. Durabilidad 25 años.

Silicio Policristalino: eficiencia en los módulos del 15% y las celdas están hechas en varios cristales de silicio. Durabilidad 20 años.

Silicio Amorfo: Eficiencia del 5 o 10% y los módulos no tienen un patrón ordenado.

FABRICACION DE CELDAS SOLARES

Las celdas solares se fabrican  con lingotes de silicio de alta pureza donde se presentan dos capas:

1. Tipo-n: el lingote es desglosado en placas delgadas con un espesor de 0.3 mm y es impregnado con átomos de fósforo solamente el 0.5 nm de espesor

2. Tipo-p:  Placa impregnada con átomos de boro.

Las dos capas y la superficie que recibe la luz del sol forman un campo eléctrico llamado voltaje, dicho voltaje es el encargado de separar las cargas foto generadas (la superficie de huecos positivamente y la de electrones negativamente) que se generan cuando entran los rayos del sol a las celdas.

Lla celda cuenta con dos terminales que se conectan a un circuito externo para poder extraer la corriente eléctrica producida, la cara de la oblea expuesta al sol tiene un enrejado metálico de material ya sea de plata o aluminio el cual se encarga de recoger los electrones foto generados (Parte negativa) y la otra cara cuenta con una capa metálica de aluminio que está cargada positivamente; para finalizar la celda está cubierta de una película delgada para disminuir las pérdidas de reflexión.

Figura: Generación eléctrica de una celda fotovoltaica

APLICACIONES

Esta tecnología ha sido implementada desde la década de los 90 para suministrar energía eléctrica para sistema de telefonía celular, educación vía satélite, seguridad y control de plataformas no tripuladas entre otras. Otras aplicaciones en la que se tiene en cuenta son:

Comunicación: donde por ejemplo los científicos utilizan este medio para transmitir los datos recolectados mientras están en el campo de trabajo

Navegación: se usa comúnmente para la señalización del tráfico marino como lo son los faros y las boyas

Transporte terrestre: se utiliza normalmente en los postes SOS que son los teléfonos de emergencia en carretera

Agricultura y Ganadería: se utilizan en granjas que tiene que estar lejos de la ciudad por cuestiones de higiene

Sistemas de tratamiento de aguas: en áreas alejadas la energía eléctrica se utiliza a menudo para desinfectar o purificar agua para consumo humano matando las bacterias

Recarga de vehículos eléctricos, señalización ferroviaria, sistemas de protección catódica entre otras

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

VENTAJAS

• Son partes confiables y silenciosas, no tienen partes móviles y duran aproximadamente 30 años o más si se las recubre con vidrio o plástico

• Pueden ser instaladas rapida y facilmente, necesitan poco mantenimiento

• No producen dióxido de carbono durante su uso y la contaminación de agua y aire durante su operación y manufactura es baja

• Evita contaminación acústica

• Contribuye al desarrollo sostenible

DESVENTAJAS

• La transformación de energía solar en eléctrica todavía es muy cara

• Las instalaciones de energía solar ocupan grandes superficies de terreno

• La energía de radiación recibida es reducida, dependiendo de la regiones

• Los precios de los paneles fotovoltaicos suelen ser caros por la presencia del silicio ya que existe un gran desabastecimiento en la oferta de este elemento

COSTOS DE IMPLEMENTACIÓN

La tecnología relacionada con la generación de electricidad por procesos fotovoltaicos ha tenido grande avances. su costo unitario de potencia se ha reducido más de 20 veces desde 1973, al pasar de 200 a 10 dólares por watt. Quiere decir que es más o menos de 3500 a 7500 US/KW instalado y de 0,25 a 0,5 dólares por KWh generado. Esto ha permitido que el uso de esta tecnología se haya generalizado y que se tengan expectativas de mayores reducciones en su precio, lo que la coloca en el umbral de aplicaciones masivas.

En 1999, la producción de celdas fotovoltaicas a escal mundial prácticamente alcanzó la marca de los 200 MW por año, lo que representó un crecimiento de 29% con respecto al año 1998. También en 1999, la capacidad instalada acumulada en la Comunidad Europea excedió los 123 MW. Actualmente, e impulsado por un mercado nacional dinámico, Japón supera a los Estados Unidos como líder productor de celdas fotovoltaicas con 80 MW por año.

ESTADISTICAS DEL USO DE ENERGIA SOLAR EN COLOMBIA Y EL MUNDO

Teniendo en cuenta que Colombia es un país que ha estado a la vanguardia en el desarrollo de tecnologías encaminadas a la conservación del medio ambiente, ingreso a la Irena (en su sigla en inglés Agencia Internacional de Energías renovables). El ingreso de Colombia a esta agencia es muy importante ya que su objetivo es promover las energías renovables en todo el mundo y proporcionar asesoria y logistica a los países asociados a ella. Las energías renovables como la eólica, solar y la geotérmica entre otras, consideradas como la energía del futuro, permitirán la reducción en forma considerable de la energía producida por los derivados del petróleo, hasta en un 50% en un periodo corto de aproximadamente dos años, de acuerdo  al concepto de la Unep (United Environment Programme).

La mayoria de paises en el mundo consideran como una necesidad primaria la conservación de la capa de ozono, para que de esta manera se proteja el medio ambiente y así exista una mayor conservación de recursos fósiles, por lo que Colombia está incrementando su potencial renovable con proyectos en diferentes regiones del país, para posicionarse como líder en la materia en Sudamérica.

Por su posición geográfica en la zona Ecuatorial,Colombia posee un gran potencial en energías primarias, lo que le ha permitido la explotacion de energias alternativas como la solar, por dicha posición cuenta con radiación solar constante en la mayoría de las regiones, por la duración del efecto solar que puede ser hasta de 12 horas , Colombia registra uno de los índices más altos a nivel mundial. La radiación media es de 4.5 kWh/m2, y el área con mejor recurso solar es la Península de la Guajira, con 6 kWh/m2 de radiación. De los 6 MW de energía solar instalados en Colombia (equivalente a aproximadamente 78,000 paneles solares), 57% está distribuido para aplicaciones rurales y 43 % para torres de comunicación y señalizaciones de tránsito. Los paneles solares, íconos de la energía solar, se han convertido en una herramienta vital para el acceso a la energía.

Los sistemas solares pueden ser muy apropiados para aplicaciones en zonas rurales, donde la demanda de energía se encuentran en zonas alejadas por lo cual es muy caro conectarlo a la red nacional (UPME 2005). En Colombia se podría generar en mayor escala en las zonas del Magdalena, La Guajira, San Andrés y Providencia.

Región del país	Radiación Solar (kWh/m2/año)
Guajira	2100
Costa Atlántica	1730-2000
Orinoquía-Amazonía	1550-1900
Región Andina	1550-1750
Costa Pacífico	1450-1550

En la tabla No 1 se muestra el potencial de energía solar en Colombia. Si tenemos en cuenta que el máximo mundial es de 2500 kW/m2/año, el potencial en Colombia en relación con este máximo varía entre 58% en la Costa del Pacífico y 84% en la Guajira. Pero más importante aún que los valores es que la variación mensual de la radiación global frente a la media anual es pequeña comparada con las variaciones de otras regiones del mundo, lo que permite que los sistemas de acumulacion de energia sean de capacidad reducida.

Estadísticas del Uso de Energía solar en el mundo

La Energía solar fotovoltaica ha experimentado un crecimiento exponencial en los últimos años, impulsada por la necesidad de asumir los retos que en materia de generación de energía se presentan.

Este crecimiento se ha producido gracias a los mecanismos de fomento de algunos países, que, como España, han propiciado un gran incremento de la capacidad global de fabricación, distribución e instalación de esta tecnología.

A finales de 2010, la potencia acumulada en el mundo era de aproximadamente 40.000 MWp según datos de la European Photovoltaic Industry Association (EPIA), de los cuales cerca de 29.000 MWp, un 72%, se localiza en la Unión Europea. Para los próximos años se espera que el continuo crecimiento de la última década a nivel mundial se mantenga.

Las tres áreas de mayor interés en el mundo, según la potencia acumulada, son Europa (destacando Alemania y España, con más de un 52% del total mundial), Japón y EE.UU. Japón con cerca de 3.622 MW acumulados y EE.UU. con aproximadamente 2.727 MW representan el 9% y el 6,80% respectivamente de la potencia total. En el gráfico siguiente se representa el histórico de la potencia acumulada a nivel mundial en los últimos años, apreciándose claramente el crecimiento exponencial.

A corto plazo es previsible que esta distribución del mercado se mantenga, si bien hay países que empiezan a despuntar, lo cual hace suponer también que en el futuro el peso relativo de los países con más potencia no será tan preponderante como en la actualidad. Así países como Italia, que se convierte en el año 2009 en el segundo mercado mundial, con 711 MW instalados, y en el año 2010 se estiman unos 2.321 MW más. En Europa la República Checa que instaló en 2009 411 MW y en 2010 aproximadamente unos 1.490 MW, y Bélgica 210 MW en 2010. Japón y Estados Unidos siguen manteniéndose en sus posiciones con 990 MW y 980 MW instalados  respectivamente.

Los datos más relevantes de la industria solar fotovoltaica en el mundo son:

• Los países principales por potencia instalada en 2010, por orden, fueron:Alemania (7.408 MW), Italia (2.321 MW), República Checa (1.490 MW) Japón (990 MW) y EE.UU. (980 MW).
• La potencia mundial instalada en el año 2010 fue de 16.600 MW, lo que supuso un incremento del 72% de la potencia mundial acumulada con respecto al año 2009.
• El 79% de la potencia mundial instalada en 2010 fue en la Unión Europea, con más de 13.240 MW. Dentro de la Unión Europea el mercado alemán fue claramente el preponderante representando el 59% de todo el mercado europeo.
• Japón ha instalado 990 MW en 2010 llegando a una potencia total instalada de 3,6 GW.
• EE.UU. instaló en 2010 980 MW en 2010, alcanzando aproximadamente los 2,7 GW.
• Italia con una potencia total acumulada de 3,4 GW se convierte en el segundo mercado mundial en el año 2009 y 2010, habiendo instalado 711 MW y 2.321 MW respectivamente.

Aparecen nuevos actores como China con 520 MW acumulados y la India con 30 MW.

En 2010 se alcanzó una producción mundial de células fotovoltaicas de 27.213 MW.

Los primeros fabricantes de células fotovoltaicas en el mundo han sido Suntech Power (5,8% del mercado mundial), JA Solar (5,4%), First Solar (5,2%), Trina Solar (3,9%), Q-Cells (3,7%), Yingli (3,6%), Motech (3,5%), Sharp (3,3%), Gintech (3,0%) y Kyocera (2,4%).

En el año 2010, aproximadamente el 87 % de las células se fabricaron con silicio, de las cuales con silicio monocristalino el 33,2 %, con policristalino el 52,9 %, y con amorfo el 5%; el 5,3 % con telururo de cadmio, el 1,2 % con cobre, selenio e indio (CIS), y el 2,4 % restante con otras tecnologías, según datos de la revista especializada Photon International.

Situación actual en la U.E.

En Europa, según datos de Eurobserv‘er, la potencia instalada ascendía a finales de 2010 a 29.327 MWp, repartidos entre 29.173 MWp de instalaciones conectadas a red y 154 MWp de instalaciones aisladas de la red eléctrica. En la siguiente figura se muestra las potencias acumulada en 2010 en los principales países de la Unión Europea.

Alemania es el país de la Unión Europea con mayor potencia fotovoltaica acumulada, con 17.370 MW instalados en 2010. Domina claramente el mercado europeo, representando el 59 % de éste. España, con 3.787 MW acumulados, es el segundo país por potencia acumulada en 2010.

En el año 2008 España fue el primer país por potencia instalada, con 2.705 MW, frente a los 1.809 MW de Alemania, que fue el segundo país del mundo. La potencia instalada en España en 2009 no obtuvo un incremento tan fuerte como en el año anterior debido al cambio de regulación del sector. El cierre de 2010 muestra un incremento con respecto a 2009.

Entre el resto de países destacan Italia, República Checa, Bélgica y Francia, que estudian políticas de desarrollo a semejanza de Alemania y España. Es de destacar en este sentido al gobierno italiano, que mediante la aprobación del Nuevo Conto fija una prima fija adicional al precio de mercado de la energía. Esta prima varía según el nivel de integración de la instalación y es válida durante los 20 primeros años de explotación. El crecimiento del sector fotovoltaico en Italia, por tanto, se asienta bajo las premisas de incentivos y la simplificación de los trámites administrativos.

Italia, con estas políticas, ha alcanzado unos 711 MW instalados en el año 2009 y un total acumulado en el año 2010 de 3.478 MW.

La energía solar en Europa ha experimentado un fuerte crecimiento, desde los 16,6 GW instalados durante el 2010 a los 27,7 GW en el 2011, lo marca un incremento del 70%, de acuerdo a un nuevo informe publicado por la Asociación Europea de la industria Fotovoltaica (EPIA).De la capacidad mundial instalada, unos 21 gw corresponden a Europa, lo que significa un 76% del total. Este continente se caracteriza por ser el unico con 3 mercados que superan el GW instalado (Alemania, Italia y Francia).