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Universidad Católica del Norte
“CELDAS SOLARES: ENERGÍA SOLAR DESDE UN ENFOQUE FÍSICO”
Integrantes: Javiera Correa G.
Paulina Goic V.
Víctor Narváez B.
Patricio Said P.
Eduardo Sepúlveda V.
Carrera: Ingeniería Civil industrial.
Profesora: Sara Aguilera.
Fecha entrega: 3/11/2012.
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Contenido
RESUMEN .............................................................................................................. 5
INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 7
Los objetivos de nuestro trabajo son: ................................................................... 8
¿QUÉ ES LA ENERGÍA SOLAR? ........................................................................... 9
LA RADIACIÓN SOLAR EN LA TIERRA............................................................... 12
Radiación extraterrestre sobre un plano horizontal ............................................ 12
Dispersión de los rayos solares ......................................................................... 13
El espectro del Sol reflejado en la celda ............................................................ 14
Rango típico de absorción y dispersión de los rayos solares ............................. 15
PANELES SOLARES ............................................................................................ 17
Estructura: .......................................................................................................... 17
Funcionamiento:................................................................................................. 18
Tipos de Celdas Solares: ................................................................................... 20
Material de la celda y ancho espectral ............................................................... 20
Celdas de silicio cristalino: .............................................................................. 21
Películas policristalinas delgadas ................................................................... 22
Semiconductores tipo III-IV ............................................................................. 22
Celdas de simple o múltiple juntura ................................................................ 23
Materiales amorfos ......................................................................................... 23
Celdas solares plásticas ................................................................................. 24
CAPA ANTI REFLECTANTE ................................................................................. 25
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS CELDAS SOLARES .............................. 28
APLICACIONES DE LAS CELDAS SOLARES ..................................................... 31
COSTOS DE LAS CELDAS SOLARES ................................................................ 34
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CONCLUSIÓN ...................................................................................................... 35
AGRADECIMIENTOS ........................................................................................... 37
REFERENCIAS ..................................................................................................... 38
APÉNDICE ............................................................................................................ 39
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RESUMEN
La energía proveniente del sol, puede ser transformada para adaptarla a
nuestras necesidades de consumo eléctrico o de consumo de calor. Para ello,
hay que utilizar dispositivos que transformen la energía del sol en energía
aprovechable para el hombre, mediante el efecto fotoeléctrico. Este fenómeno
cuántico se crea cuando los rayos de una fuente lumínica ya sea luz visible o
rayos x son absorbidos por un material generando un movimiento de electrones.
Lo primero que aborda el trabajo es el concepto de energía solar y la
radiación solar en la Tierra ya que un rayo puede reflejarse al incidir con la
atmosfera y también variar su intensidad al viajar hasta la superficie terrestre.
Como cada material que componen las celdas genera una mayor o menor
cantidad de electrones esto tiene relación directa con el espectro del sol y el rango
de absorción.
El trabajo continua con el funcionamiento de las celdas de cómo estas son
capaces de capturar la energía del sol y convertirla en electricidad mediante
fenómenos físicos explicados por formulas las cuales se mostraran más adelante
en el informe, seguidos de una descripción de las estructuras de las celdas
solares, y su funcionamiento.
También describimos los tipos de celdas, en que se destacan las celdas
monocristalinas, policristalinas y amorfas.
Para optimizar una celda presentamos una práctica muy común, recubrir la
celda con monóxido de silicio y así disminuir la reflexión.
Mencionaremos las ventajas de la energía solar tanto para el
medioambiente como para las personas como se pueden beneficiar de ella, al
igual de las desventajas y consecuencias que esta podría traer a mediano y largo
plazo en nuestro planeta.
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Por último finalizamos con los costos que tiene la implementación de esta
energía en nuestro país y los costos que conlleva mantenerla también
realizaremos un análisis que tratara de que si es factible implementar paneles
solares en que sectores y bajo que condiciones para que se pueda ahorrar
realmente y tener un consumo limpio de contaminantes.
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INTRODUCCIÓN
El avance tecnológico y el desarrollo industrial de las últimas décadas han
crecido exponencialmente, donde el consumo energético se ha centrado
abusivamente en la quema de combustibles fósiles, petróleo y carbón. Por esta
razón, en los últimos años se ha acentuado la búsqueda de otras energías
alternativas a las fuentes tradicionales. Un factor de esta tendencia se ha debido al
problema de la contaminación y el cambio climático, del cual ya se hablaba en la
esfera científica mundial desde finales de los años 80, y que correspondía al
aumento de la temperatura del planeta debido al incremento de las
concentraciones de los gases invernaderos en la atmósfera, como consecuencia
tanto de la combustión masiva de combustibles fósiles, como de nuevas prácticas
agrícolas, principalmente relacionadas con la crianza de ganado y el cultivo de
arroz.
La fuente más abundante de energía no contaminante disponible en la
Tierra corresponde a la energía solar. Las consecuencias del CO2 sumado con la
conciencia ambiental, está tomando cada día más fuerza en la idea del uso de
energía solar y dentro de las diferentes variantes de utilización de energía solar, la
fotovoltaica es la única que convierte los rayos directamente en electricidad sin
utilizar agua, es versátil, silenciosa y se instala fácilmente generando energía
renovable inmediatamente.
Una desventaja que debe solucionar las celdas fotovoltaicas es su costo de
fabricación, ya que a corto plazo no es económicamente factible.
La conversión de la energía que transporta la radiación electromagnética en
energía eléctrica es un fenómeno físico conocido como efecto fotovoltaico. Las
celdas solares son sin duda el más importante tipo de dispositivo para producir tal
conversión y las que han tenido mayores progresos en su eficiencia. En palabras
simples las celdas fotovoltaicas o solares, convierten la luz del sol directamente en
electricidad por interacción de fotones y electrones dentro de un material
semiconductor. El funcionamiento se basa en el paso de los electrones de los
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materiales semiconductores a un estado situado en la banda de conducción, por la
energía obtenida en la absorción de fotones de la luz del sol.
Los objetivos de nuestro trabajo son:
Estudiar el funcionamiento de las celdas fotovoltaicas.
Estudiar los fenómenos físicos de la radiación solar en la tierra para
determinar su energía.
Desarrollar los tipos de celdas, dependiendo de la energía recibida.
Optimización de la reflexión en una celda con el uso de una lamina delgada.
Conocer los costos de implementación de las celdas.
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¿QUÉ ES LA ENERGÍA SOLAR?
Durante aproximadamente 5.000 millones de años el sol ha brillado en el
cielo proveyéndonos de luz y calor, permitiendo entre otras cosas diferenciar el día
de la noche, la luz de la oscuridad, el frío del calor, permitiendo realizar procesos
de fotosíntesis e incluso ser alabado como un dios.
El buen aprovechamiento de estos recursos son claves para el desarrollo
sostenible de la sociedad en el tiempo, ya que sin esta energía la vida en al Tierra
seria inimaginable.
La energía solar es, por lo tanto, la energía que produce y emite el sol, y
que se obtiene a través de la captación de la radiación proveniente del mismo. Su
importancia se basa en que su eficiencia es tanta, que podría satisfacer todas las
necesidades actuales mundiales e incluso dejar grandes reservas que sobrepasen
lo necesario, a pesar de que gran parte de la energía que proviene del sol se
pierde. Por un lado, el radio de difusión radial es enorme y por otro lado, parte de
la energía es absorbida por la atmosfera o las nubes.
Es considerada como al energía ideal para el futuro al contrastar
positivamente con las energías convencionales como el petróleo, el carbón y el
gas natural. Algunas de sus características principales son: es energía segura, no
es contaminante, amigable con el medio ambiente, prácticamente es inagotable,
es gratuita (técnicamente ya que el único costo es el de instalación de un equipo
que recepte la energía solar) y accesible universalmente.
El “ciclo” de llegada de la energía solar a la tierra es como sigue: La
radiación desde el sol (Aproximadamente 174 petavatios: 1015 W) proviene desde
al capa más lejana de la atmósfera (la exosfera) donde un 30% de la radiación es
devuelta al espacio por reflexión y el resto de la energía que llega
(aproximadamente un 50% en forma de luz y un 45% en forma de radiación
infrarroja), se absorbe por las nubes, las masas terrestres y los océanos, lo que
hace que sus temperaturas respectivas aumenten. Al absorber determinadas
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cantidades de energía solar, permiten desarrollar la vida y el ecosistema, las
plantas utilizan la energía para la fotosíntesis transformándola en energía química,
los océanos y las masas terrestres mantiene la superficie de la tierra a 14°C y el
aire calentado permite la circulación atmosférica o convección.
Los principales usos de la energía almacenada son dos: transformarla en
energía eléctrica o transformarla en calor (siendo esta última la más fácil de
lograr).
Para lograr transformar la energía solar en energía térmica existen dos tipos
de colectores, ellos son los planos y los de concentración. Ambos tipos deben ser
grandes para lograr absorber la energía suficientemente útil. Los colectores
planos, que tienen un rendimiento más bajo, están destinados a funciones como
producir agua caliente sanitaria, calefacción de la casa o calefacción con suelo
radiante y funcionan calentando fluidos a través de su paso por el interior del
panel. Los colectores de concentración, por su parte sirven para, utilizar el calor al
estudiar las propiedades de materiales a altas temperaturas (el horno solar se ha
convertido en una herramienta importante en la investigación de alta temperatura),
u operar una caldera, que generará a su vez vapor para una central. Estos
colectores funcionan calentando los fluidos a través de espejos parabólicos de
diversas maneras
Por otro lado, para transformar la energía solar en energía eléctrica se
utilizan unos aparatos llamados paneles fotovoltaicos compuestos de un conjunto
de células fotovoltaicas, que a su vez son dispositivos capaces de transformar la
energía solar en forma de luz y a energía eléctrica mediante la emisión de
electrones por parte del metal que compone la célula solar, debido a la incidencia
en él de una onda electromagnética (radiación solar). La energía producida por
una célula fotovoltaica es aproximadamente 2 watt. A través de la unión de varias
células es posible llegar a generar inclusos miles de watts, por ejemplo en una
planta de energía solar.
La eficiencia actual de las células fotovoltaicas varía entre el 15 y 20%.
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Cuantificando las cantidades de energía solar que llega a la Tierra y en
comparación con otras energías sustentables se obtiene lo siguiente:
ENERGÍA
Solar 3.850.000 EJ
Eólica 2.250 EJ
Biomasa 3.000 EJ
Capturando incluso el 0,02% de la energía solar que llega al planeta es
suficiente para satisfacer toda la demanda mundial de electricidad.
Desafortunadamente algunas barreras para el desarrollo del uso de esta energía
son los costos de producción de los paneles solares, incluido el alto precio del
silicio.
Bajo buenas condiciones de radiación (que puede variar según la hora del
día o el lugar geográfico), se puede concluir que el valor de la misma es de
aproximadamente 1000 W/metro cuadrado.
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LA RADIACIÓN SOLAR EN LA TIERRA
La radiación solar que llega a la Tierra se ve afectada por un conjunto de
factores agrupados en dos tipos: geométricos (astronómicos y geográficos), y
atmosféricos. Los primeros inciden sólo en la radiación que se tiene en el tope de
la atmósfera, mientras que los segundos afectan a los rayos incidentes
provenientes del Sol que la traspasan y llegan a la superficie terrestre.
Radiación extraterrestre sobre un plano horizontal
Considérese una superficie plana justo por encima de la atmósfera y
paralela a la superficie de la tierra debajo de ella, de acuerdo a la figura.
Superficie horizontal sobre el tope de la atmósfera
La radiación extraterrestre sobre dicho plano horizontal viene dada por:
IEH=IE·cos(θz)
IEH : radiación extraterrestre sobre el plano horizontal.
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IE : radiación extraterrestre.
θZ : ángulo cenital .
Dispersión de los rayos solares
Otro importante proceso causado por la atmósfera es la dispersión de los
rayos solares debido tanto a la difusión molecular como la difusión por aerosoles.
La radiación solar viaja en línea recta, pero los gases y partículas en la
atmósfera pueden desviarla. Este proceso es conocido como dispersión. La
dispersión ocurre cuando un fotón se encuentra con un obstáculo en su camino, el
cual sólo hace que el fotón cambie la dirección de su recorrido, sin ser absorbido.
La dispersión depende de la longitud de onda, en el sentido de que mientras más
corta sea ésta, mayor será la dispersión. Moléculas de gas con tamaños
relativamente pequeños comparados con la longitud de onda causan que la
radiación incidente se disperse en todas las direcciones.
El proceso de la dispersión explica por qué un área con sombra o un lugar
sin luz solar está iluminada: ella recibe la radiación difusa, la cual parece venir
desde toda la bóveda celeste.
Los gases de la atmósfera dispersan más efectivamente las longitudes de onda
más cortas (violeta y azul) que las longitudes de onda más largas (naranja y rojo),
lo que se aprecia en la figura:
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Cuando el Sol está cerca del horizonte, el rayo de luz debe recorrer un
volumen de aire mucho mayor al que recorre cuando el Sol se encuentra lejos del
horizonte, haciendo que casi toda la luz azul sea dispersada antes de llegar al
observador. Es por eso que la luz reflejada por las nubes o la difundida por las
capas brumosas hacia el observador aparece rojiza durante atardeceres y
amaneceres.
En la siguiente figura se aprecia el comportamiento típico de la absorción
provocada por la atmósfera.
El espectro del Sol reflejado en la celda
La radiación electromagnética presenta un gran ancho espectral, por lo
tanto los fotones incidentes sobre la celda tienen relacionadas diferentes energías
dependiendo del material . Es posible que se presenten una de las siguientes
situaciones cuando un fotón incide sobre una celda solar:
1. El fotón es reflejado de la celda y no se produce potencia eléctrica.
2. El fotón no tiene suficiente energía para liberar un electrón. Dicho fotón puede
ser reflejado o bien su energía se convierte en calor y no se genera potencia
eléctrica.
3. El fotón tiene exactamente la energía necesaria para liberar un electrón desde
su órbita. Esencialmente toda su energía se convierte en electricidad.
4. El fotón tiene más energía de la necesaria para liberar un electrón de su órbita.
El exceso de energía se convertirá en calor y el resto en electricidad (como en el
punto anterior).
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Fotones incidentes sobre una celda solar con distintas longitudes de onda
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Rango típico de absorción y dispersión de los rayos solares
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PANELES SOLARES
Los rayos solares son utilizados por el ser humano mediante la captación y
conversión de dicho rayo. A través de paneles solares que están formados por
celdas fotovoltaicas, estas celdas están hechas de materiales semiconductores. A
rasgos generales esto se explica así, la luz se aloja en las células luego, las
desaloja y libera electrones dentro del material, los cuales producen una corriente
eléctrica directa
Estructura:
Tiene contactos metálicos en la parte superior e inferior, su función, es de
recolectar la corriente generada por el rayo de luz incidente.
Luego tiene presente los conductores de contactos en la parte superior, su
función es de permitir el paso de los rayos de luz sobre la ceda,
Posterior a esto, posee un material anti- refractante y una capa de vidrio, su
función es de mejorar su desempeño y para proteger la celda.
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Funcionamiento:
Mediante el efecto fotoeléctrico la energía lumínica es convertida energía
eléctrica, este fenómeno cuántico se crea cuando los rayos de una fuente
lumínica ya sea luz visible o rayos x son absorbidos por un material generando
electrones.
Diagrama Efecto Fotoeléctrico
Un electrón absorbe la energía de un fotón, el fotón aumenta su energía en
comparación a su trabajo, por lo cual el electrón se aleja del materia. En caso
contrario, si disminuye su energía o es más baja, solo cambia el número de
fotones, esto quiere decir que la intensidad de la luz no depende de la energía de
los fotones emitidos, sino de la energía de los fotones individuales. La energía de
estos fotones esta determina por su frecuencia, los electrones absorben energía
de los fotones cuando son irradiados y así con lleva a que la energía del fotón sea
utilizada para liberar un electrón del enlace atómico.
Matemáticamente se tiene que:
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Cada vez que sea liberado un electrón
se creará un par electrón hueco.
El electrón liberado estará libremente en el material, y el electrón hueco se
mantendrá dentro del material, cuando un electrón se encuentra con un electrón
huevo, estos se recombinaran liberando calor a la posición de equilibrio. Y así
continuará hasta alcanzar un equilibrio de pares libres de electrones-huevos. Esto
con lleva a la generación de potencia eléctrica.
Si se colocan dos contactos en el material
se generará una pequeña cantidad de
potencia eléctrica.
Las celdas solares generan una potencia eléctrica mayor cuando son
probadas bajo una con radiación AM0, pero la mayoría de las celdas presenta una
mayor eficiencia al ser probadas bajo radiación AM1.5. 35.
Si el sol emitiera radiación con la misma cantidad de energía sería posible elegir
un material para construir celdas solares que generaría un par electrón-huevo con
una energía levemente menor a la del fotón incidente, pero como no es el caso
esto provoca a menudo, de que algunos fotones no tendrán la suficiente energía
para liberar electrones del material y exceso provocara calor. Para elegir un buen
material se debe tener presente lo siguiente, para un buen comportamiento ante
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el espectro solar, su eficiencia de conversión de estar más cercano a su límite
teórico.
Tipos de Celdas Solares:
La evolución de la tecnología de las celdas solares ha ido paralela a
desarrollos y avances tecnológicos producidos en materiales y procesos. Los
dispositivos fotovoltaicos deben construirse con materiales semiconductores
sensibles a la radiación solar de forma que el efecto fotovoltaico se produzca de
forma eficiente.
La estructura física, o arreglo atómico, de los semiconductores se puede
dividir en tres grupos: cristal simple, policristalino y amorfo. La estructura de cristal
simple se caracteriza por un ordenamiento periódico de átomos obteniendo una
forma geométrica tridimensional de un paralelepípedo. Un material policristalino
está compuesto de varias subsecciones cada una de ellas con forma cristalina,
estas subsecciones tienen una orientación independiente y regularmente, en sus
interfaces se producen discontinuidades. Un material amorfo no tiene una
regularidad en su arreglo atómico.
Para que se produzca un movimiento de electrones dentro del
semiconductor, deben absorber energía para poder acceder a una banda de
energía capaz de provocar este flujo. Pero para que se libere un electrón, la
energía del fotón debe ser por lo menos tan grande como la energía de la banda
prohibida.
Material de la celda y ancho espectral
Como vimos en la sección de “Tipos de celdas y el espectro del Sol”, si el
Sol emitiera fotones con la misma cantidad de energía, sería posible elegir un
material para construir celdas solares que generaran un par electrón-hueco con
una energía levemente menor que la del fotón incidente.
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Eficiencia teórica calculada, celda solar de simple juntura
En la figura se aprecian las eficiencias teóricas de ciertos materiales. Las
celdas de Silicio (las más usadas) tienen una eficiencia apreciable, y a su vez que
las de Galio-Arsénico presentan una de las mayores eficiencias.
Celdas de silicio cristalino:
El silicio es un material muy abundante y las celdas construidas con este
material han demostrado su fiabilidad tanto en aplicaciones espaciales como
terrestres.
Las celdas fotovoltaicas en la actualidad utilizan dos estructuras. Uno tiene
una estructura cristalina uniforme, y el otro presenta una estructura policristalina.
El tipo cristalino requiere de un elaborado proceso de manufactura, que consume
enormes cantidades de energía eléctrica, lo que incrementa el costo del material
semiconductor. La versión policristalina se obtiene fundiendo el material
semiconductor, el que es vertido en moldes rectangulares. Su estructura cristalina
no es uniforme. Los dos tipos son reconocibles fácilmente a simple vista ya que
mientras la estructura monocristalina pose un brillo uniforme, la policristalina
muestra zonas de brillo diferentes de acuerdo a lo mostrado en las siguientes
figuras.
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Películas policristalinas delgadas
Las láminas de silicio también han sido enriquecidas mediante dos
métodos: un proceso en el cual el silicio aparece mediante una acción capilar
entre dos placas de grafito, y otro proceso de redes dendríticas, donde se arrastra
una delgada película de silicio entre dos espaciadores desde una superficie
derretida que crece.
Una ventaja de las películas policristalinas delgadas es que no hay
degradación del rendimiento inducido por la luz.
Las láminas delgadas (1[μm] a 10[μm] de grosor, que absorben 90% de luz) son
hechas de arseniuro de galio (GaAs) o de teluro de cadmio (CdTe). Éstas son más
eficientes que las de silicio de junturas múltiples debido a que poseen bandas
prohibidas más grandes.
Semiconductores tipo III-IV
Semiconductores tales como el GaAs, GaAlAs, GaInAsP, InSb e InP tienen
características excepcionales que ofrecen convertir un tercio (o más) de la energía
solar en electricidad. Este tipo de materiales tienen un alto interés tecnológico
pues permiten hacer celdas fotovoltaicas de alto rendimiento con poco material.
Estructura monocristalina
Estructura policristalina
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Celdas de simple o múltiple juntura
La mayoría de los materiales fotovoltaicos son hechos de una sola capa de
material fonoabsorbente. Sin embargo, dadas las diferencias entre las celdas
solares en términos de la energía que absorben, puede ser ventajoso “apilarlas”
en capas. Las celdas de distintas bandas prohibidas apiladas una sobre otra se
conocen como celdas de múltiple juntura.
Esquema de una celda solar de múltiple juntura
Dado que la luz azul tiene una mayor energía que la luz roja, la primera
capa remueve la energía de la luz azul mayoritariamente, y correspondientemente
la luz menos azulada (o más enrojecida) es removida mientras ella desciende a
través de la secuencia de capas formando la celda solar de múltiple juntura. Una
celda de doble juntura de GaInP sobre GaAs puede llegar a tener una eficiencia
sobre el 30%.
Materiales amorfos
Algunos paneles fotovoltaicos no tienen celdas independientes conectadas
entre sí, sino una estructura semiconductora que ha sido depositada de forma
continua sobre una base metálica laminar. Dicho proceso permite la construcción
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de un panel fotovoltaico flexible, el que puede adaptarse a superficies que no son
completamente planas. La superficie activa de estos paneles no tiene una
estructura cristalina, y por ello se le denomina amorfa.
Celdas solares plásticas
El trabajo usando baños de tinte sensibles ha sido un avance en la
dirección hacia celdas solares más baratas. Si la celda pudiera ser hecha
completamente de plástico, hay esperanza que se volverían mucho más baratas.
Un paso en esa dirección fue hecho por un grupo en la Universidad de Berkeley, el
que desarrolló materiales receptivos solares de nanotubos plásticos. Podría
incluso ser posible pintar la superficie de un techo con varas plásticas o
adjuntarlas a láminas de plástico que podrían estar unidas a la superficie del techo
y hacer que éste se volviera una celda gigantesca.
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CAPA ANTI REFLECTANTE
El silicio es un material gris brillante que puede actuar como un espejo,
reflejando más del 30% de la luz que incide sobre él. Para mejorar la eficiencia de
la conversión de una celda solar, hay que reducir al mínimo la cantidad de luz
reflejada de modo que el material del semiconductor pueda capturar tanta luz
como sea posible y utilizar los electrones que se liberan. Dos técnicas se utilizan
comúnmente para reducir la reflexión. La primera técnica es cubrir la superficie
superior con una capa delgada del monóxido del silicio (SiO). Una sola capa
reduce la reflexión superficial a cerca del 10%, y una segunda capa puede bajar la
reflexión a menos del 4%.
Una segunda técnica es texturar la superficie superior. Se crea un patrón de
conos y de pirámides, que capturan los rayos del sol que, de otra manera,
pudieron ser desviados lejos de la celda. La luz reflejada es redirigida abajo en la
celda, donde tiene otra oportunidad de ser absorbida.
De no ser tratada, la superficie del material semiconductor que está
expuesta a la luz incidente tiende a reflejar una porción de la misma,
disminuyendo la cantidad de energía luminosa.
Recubrimiento no reflejantes:
El monóxido de silicio tiene un índice de refracción de n=1,45. Con el fin de
minimizar las perdidas reflexivas en la superficie se recubre una celda de silicio de
n=3,5 (como en la figura). Determinaremos el espesor mínimo de SiO que produce
la menor reflexión a una longitud de onda de 550 nm., cercano al centro del
espectro visible.
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La luz reflejada es un mínimo cuando los rayos 1 y 2 en la figura cumplen la
condición de interferencia destructiva (experimenta un cambio de fase de 180° en
la reflexión, el rayo 1 desde la superficie superior y el rayo 2 desde la superficie
inferior de SiO). Por tanto, el cambio neto en la fase debido a la reflexión es cero,
y la condición para la reflexión mínima requiere una diferencia de trayectoria de
de la ecuación:
(
) ;
Por tanto 2t= /2n, (el rayo 2 viaja una distancia adicional 2t)
Y el espesor requerido es:
( )
Por lo común una celda solar sin recubrir tiene pérdidas reflexivas tan altas
como 30%; con recubrimiento de SiO se reduce este valor a casi 10%. Esta
importante disminución en las pérdidas reflexivas aumenta la eficiencia de las
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celdas por que menos reflexión significa que entra más luz solar al silicio para
crear portadores de cargas de celdas. En realidad, el recubrimiento nunca es
perfectamente anti reflejante porque el espesor requerido depende de la longitud
de onda.
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VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS CELDAS SOLARES
Ventajas Desventajas
1) Se pueden cubrir todas las
necesidades básicas que un hogar
posee (por ejemplo: cocinar, luz,
calefacción, etc.)
Los paneles solares no son para nada
estéticos ni agradable a los ojos, pero
esto es algo que se está tratando de
cambiar para un futuro no tan lejano.
2) Gracias a que se puede cocinar con
este método, permite que se ahorre
mucha energía, lo que hace que las
facturas que abonemos a fin de
mes sean mucho más bajas.
La cantidad de energía producida se
puede influenciar pesadamente por las
nubes y la contaminación.
3) La producción de paneles solares
ha aumentado y así ha permitido la
posibilidad de que cualquier
consumidor pueda convertirse tanto
en usuario como en inversor.
No todos podemos instalar un panel
solar en nuestra casa, y es por eso que
necesitamos asesoramiento profesional
para estudiar las condiciones de luz y
los costos entre otras cosas.
3) El costo de la inversión para instalar
un panel solar se amortiza con el
transcurso de los años y su
mantenimiento es casi nulo.
Los paneles fotovoltaicos necesitan de
una gran obra de instalación, y para su
inversión se necesitan más de € 2.000
4) El tiempo asegura que se irán
fabricando paneles solares mucho
mejores y con mayores
aplicaciones, esto se quiere lograr
mediante un menor uso de materia
prima incorporando nuevas
tecnologías y mayores
rendimientos.
No se produce ninguna energía en la
noche. Esto significa que el equipo
adicional, tal como baterías, necesidad
de ser instalado para llevar a cabo la
energía produjo durante el día.
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5) Éstos son sistemas muy limpios, no
contaminan y son fáciles de utilizar.
Los sistemas de energía solar son
útiles solamente en áreas con las
porciones de luz del sol.
6) No necesitan transportar la energía
ya que la generan en el mismo
lugar en dónde se requiere.
La ausencia de un control eficaz de la
contaminación podría permitir la
producción de niveles moderados de la
contaminación del agua por desechos
químicos introducidos en el proceso de
manufactura.
7) Funcionan en cualquier parte del
mundo ya que con la sola presencia
del sol su funcionamiento es
óptimo.
Los propietarios necesitan de
reglamentaciones que impidan que
otros construyan estructuras.
8) La energía solar proporciona una
fuente interminable del combustible.
Usando este tipo de energía puede
suministrar energía incluso durante
un fallo eléctrico, que es una
ventaja enorme sobre electricidad
tradicional.
Podría haber límites potenciales en su
uso debido a una cantidad insuficiente
de galio y cadmio.
9) La energía solar ayuda a reducir en
los gases de efecto invernadero y
no contribuye a la niebla con humo
o al calentamiento del planeta.
10) Este tipo de energía reduce
dependencia de las fuentes de
energía extranjeras, haciendo el
país mucho más independiente.
11) Los sistemas de energía solar son
virtualmente sin necesidad de
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mantenimiento y tienen la ventaja
agregada de ningunos costes
recurrentes.
12) Un sistema de energía solar es una
fuente de energía muy silenciosa.
Usted no tendrá que preocuparse
del ruido que interrumpe su sueño.
13) A pesar de que el día esté nublado
no dejaras de producir energía ya
que las células generan electricidad
a partir de la radiación solar no la
del calor.
14) El mantenimiento de los paneles
solares se da muy ocasionalmente
y realmente es muy sencillo, esto
significa que sólo tendrás que
limpiar los paneles con agua y
jabón de vez en cuando.
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APLICACIONES DE LAS CELDAS SOLARES
Como pudimos apreciar en la tabla hay muchas más ventajas que
desventajas en el uso de las celdas solares.
Paneles
Solares
Electrificación
rural y de
viviendas
aisladas
Comunicaciones
Ayudas a la
navegación
Transporte
Terrestre
Agricultura y
ganadería
Industria
Existen muchas zonas rurales y viviendas
aisladas donde llevar energía eléctrica por
medio de la red general sería demasiado
costoso y por lo tanto no cuentan con este
servicio. En este caso, la instalación de un
generador fotovoltaico es ampliamente
rentable.
Los generadores fotovoltaicos son una excelente
solución cuando hay necesidad de transmitir
cualquier tipo de señal o información desde un
lugar aislado, por ejemplo, reemisores de señales
de TV, plataformas de telemetría, radioenlaces,
estaciones meteorológicas.
La aplicación puede ser relativa a la
navegación misma o a sus señalizaciones,
como alimentar eléctricamente faros, boyas,
balizas, plataformas y embarcaciones.
Iluminación de cruces de carretera peligrosos y
túneles largos. Alimentación de radioteléfonos de
emergencia o puestos de socorro lejos de líneas
eléctricas. Señalizaciones de pasos a desnivel o
cambio de vías en los ferrocarriles.
Mediante generadores fotovoltaicos podemos
obtener la energía eléctrica necesaria para granjas.
Sin embargo, la aplicación más importante y de
futuro es el bombeo de agua para riego y
alimentación de ganado que normalmente se
encuentra en zonas no pobladas. Otras
aplicaciones pueden ser la vigilancia forestal para
prevención de incendios.
Una de las principales aplicaciones en este
campo es la obtención de metales como
cobre, aluminio y plata, por electrólisis y la
fabricación de acumuladores electroquímicos.
Aplicaciones
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Electrificación rural y de viviendas aisladas
Comunicaciones
Ayudas a la navegación
Transporte terrestre
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Agricultura y ganadería
Industria
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COSTOS DE LAS CELDAS SOLARES
Debido a que nuestro país no cuenta con un mercado grande ni dinámico
de celdas solares, y además que sólo existen tres proveedores, los precios a los
cuales se comercializan los sistemas fotovoltaicos son distintos a los de otros
países. Cabe señalar que entre los costos de un sistema fotovoltaico el 65 %
corresponde sólo al módulo fotovoltaico y el resto a los otros subsistemas: de
almacenamiento, regulación, conversión etc. El precio por watt de un módulo
fotovoltaico es de US$ 7, y el de un watt de un sistema fotovoltaico instalado es de
US$ 10, es decir, instalar 1 kW costaría US$ 10.000 (diez mil dólares), cifra
sideral si la comparamos con lo que cuesta en una ciudad como santiago estar
conectado a la red eléctrica, en donde pagamos mensualmente de cargo fijo $
1.000 (mil pesos) y en donde el kWh nos cuesta alrededor de los $ 55 (cincuenta
pesos). Por tanto no existe ninguna forma de comparar ambas alternativas. Para
lugares lejanos, en donde no llega tendido eléctrico el panorama es más alentador
ya que la solución fotovoltaica es mejor alternativa que otro tipo de tecnología
como es la de generadores diesel, básicamente porque no tienen costos de
mantención, ni de combustible. En el análisis económico de este tipo de
instalaciones se debe considerar que realizar un tendido eléctrico a una zona
alejada cuesta alrededor de US$ 5.000 a US$ 6.000 por cada kilómetro (sin
considerar servidumbre), por lo que hablar de instalar un sistema en donde el kW
instalado cueste US$ 10.000 nos es tan descabellado. Por ser una tecnología
modular casi no existen economías de escala, más bien existe una posible
negociación por compras de alto precio en donde se consiguen mejores precios, o
bien varias ventas a un mismo lugar geográfico.
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CONCLUSIÓN
A lo largo de este informe se logró explicar que es la energía solar, su
importancia histórica y la relevancia que tiene esta, la energía solar es una de las
energías renovables más importantes de esta época, debido a sus bajo costo (a
largo plazo) y a su poco daño ambiental, se puede aprovechar de distintas
formas, siendo la más relevante a través de los paneles solares, o también
llamados paneles fotovoltaicos.
Con el informe conseguimos dar respuesta, a diversas inquietudes,
respondiendo a cada uno de nuestros objetivos, estudiamos el funcionamiento de
las celdas fotovoltaicas y comprendimos sus fenómenos físicos de la radiación en
la tierra.
Se logró explicar la importancia de elegir una celda adecuada, para
nuestras necesidades energéticas, logramos comprender la importancia de la
eficiencia y como mejorarla. Se explico los diversos tipos de celdas solares
existentes, y la optimización de estas.
Finalmente, abarcamos con mayor énfasis en la fabricación e
implementación de estas celdas solares en Chile, conocimos sus costos en la
fabricación y cuáles son los tipos principales que se exportan e importan en
nuestro país, un punto importante es señalar la calidad de estos paneles solares,
ya que muchas veces la imitación no cumple 100% de la calidad que se pide, y es
de suma importancia denunciar estos casos.
En Chile se espera que a futuro surja con mayor importancia su uso en el
área automotriz, para así delegar en un segundo lugar a los automóviles que
utilizan combustible fósil y que daña al medio ambiente, también en la área de
minería, se pretende proyectar su uso, por ejemplo en la región de Antofagasta, se
encuentran las principales empresas mineras, esta región se encuentra ubicada
en la zona árida de nuestro país, rica en días soleados, y el uso de esta energía
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es primordial, para así finalmente evitar la contaminación de nuestros ríos y/o
océano.
La energía solar es la alternativa correcta en estos tiempos y en los que vienen, a
los combustibles fósiles, tanto para la generación de electricidad como para el
aprovechamiento térmico del sol.
Universidad Católica del Norte
AGRADECIMIENTOS
“La óptica es una ciencia cuya base fundamental está en el estudio de los
fenómenos originados por la luz”, este informe parte de la idea fundamental de
que estamos estudiando la óptica, y una de las aplicaciones de la óptica es el
tema de este informe, que es el estudio de los paneles solares.
Para la construcción de este informe fue necesario recopilar información de
diversos medios audiovisuales y visuales, así que agradecemos a la escuela
ingeniería civil por contar con equipos de última generación para buscar
información. También a la Universidad Católica del Norte por la gran cantidad de
libros con los que cuenta.
Para la elaboración del informe fue necesario repartir la información, y así
cuidar con mayor preocupación la redacción para que se explique de forma
ordenada y científica, lo que estamos señalando, por lo cual agradecemos a cada
uno de los integrantes de nuestro equipo de trabajo por su dedicación y trabajo
empleado.
Por ultimo señalar un gran reconocimiento a la Dra. Sara Aguilera Morales ,
por su tiempo dedicado a la hora de resolver consultas ya sea en forma personal
o vía e-mail, también por su trabajo acá en Coquimbo, y en particular por la
confección del “Manual de óptica y física moderna”.
Universidad Católica del Norte
REFERENCIAS
Manual de laboratorio de Óptica, Universidad de la Habana, Cuba (1985)
Manuales PASCO 0S-8515C Sistema Óptico Básico (2010).
Sears, F. W.; Zemansky, M. W.; Young, H, D.; Freedman, R. A: Física
Universitaria (9na. Edición) Volumen 2, México (1998).
Serway, R. A.; Jewet, John Jr.; Fisica II (7ma. Edición) Volumen 2, México (2010).
Tippler, P.A.; Mosca, G.; Física para la ciencia y la tecnología (5ta Edición)
Volumen 2, Reverté S.A, España (2009).
www.greenpeace.org/espana/es/news/la-energ-a-solar-puede-dar-ele/
www.britannica.com/EBchecked/topic/552905/solar-energy
www.britannica.com/EBchecked/topic/552875/solar-cell
www.ecologiaynegocios4.blogspot.com/2010/09/ventajas-y-desventajas-de-las-
celdas.html
www.slideshare.net/ticsucentral/energia-solar-61054
www.sustentable.bligoo.com/content/view/174799/ENERGIA-SOLAR-COSTO-Y-
CALCULOS.html
www.dforceblog.com/2008/10/14/resumen-precios-paneles-solares/
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APÉNDICE
Banda prohibida: es la cantidad de energía requerida para desalojar un electrón
de su enlace covalente y permitir que se convierta en parte de un circuito eléctrico.
c : velocidad del rayo de luz incidente.
Convección: es una de las tres formas de transferencia de calor. Se caracteriza
porque se produce por intermedio de un fluido (líquido o gas) que transporta el
calor entre zonas con diferentes temperaturas.
Diodo: es un dispositivo electrónico que permite el paso de la corriente eléctrica
en una sola dirección.
E: Energía asociada a un fotón.
Efecto fotovoltaico: efecto cuántico en el cual se crean electrones producidos por
un material que absorbió rayos lumínicos.
Efecto invernadero: Fenómeno por el cual determinados gases, que son
componentes de la atmósfera planetaria, retienen parte de la energía que el suelo
emite por haber sido calentado por la radiación solar. Afecta a todos los cuerpos
planetarios dotados de atmósfera. De acuerdo con la mayoría de la comunidad
científica, el efecto invernadero se está viendo acentuado en la Tierra por la
emisión de ciertos gases, como el dióxido de carbono y el metano, debido a la
actividad humana.
Electrolisis: Es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio
de la electricidad. En ella ocurre la captura de electrones por los cationes en el
cátodo (una reducción) y la liberación de electrones por los aniones en el ánodo
(una oxidación).
Electrón hueco: El electrón hueco corresponde a un átomo que carece de un
electrón.
Electrificación: Provisión de energía eléctrica para un lugar.
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Energía Solar Fotovoltaica: La energía solar fotovoltaica es un tipo
de electricidad renovable obtenida directamente de los rayos del sol (foto) gracias
a la foto-detección cuántica de un determinado dispositivo; normalmente una
lámina metálica semiconductora llamada célula fotovoltaica, o una deposición de
metales sobre un sustrato llamada capa fina.
H: constante de Planck (h=6,626·10-34[J·s].
I0: Corriente de saturación.
Irradiancia: Es la magnitud utilizada para describir la potencia incidente por
unidad de superficie de todo tipo de radiación electromagnética.
k: Constante de Boltzman.
Petavatio: 10^15 watts.
Procesos de manufactura: Conjunto de actividades organizadas y programadas
para la transformación de materiales, objetos o servicios en artículos o servicios
útiles para la sociedad.
q: Carga del electrón.
Suelo radiante: o losa radiante al sistema de calefacción eléctrica, de calefacción
por agua caliente o calefacción por hilos de fibra de carbono que emite el calor por
la superficie del suelo.
T: Temperatura absoluta.
Telemetría: La telemetría es una tecnología que permite la medición remota de
magnitudes físicas y el posterior envío de la información hacia el operador del
sistema.
Trabajo: La energía mínima necesaria para mover un electrón de un sólido a un
punto fuera de su superficie
Transmitancia: o transmitencia es una magnitud que expresa la cantidad de
energía que atraviesa un cuerpo en la unidad de tiempo (potencia).
ν: frecuencia del rayo de luz incidente.
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V0: Diferencia de tensión entre sus extremos.
ν0: frecuencia umbral a partir de la cual ocurre el efecto fotoeléctrico para un
material.
λ : longitud de onda del rayo de luz incidente.
φ: Función Trabajo del sólido.
