INGENIERIA METALURGICA II

PANELES SOLARESPRESENTADO POR: WILSON ARENAS FARFAN 062733

2009I

ENERGIA SOLAR Para

controlar la peligrosa contaminacin del planeta hace falta reducir las emisiones contaminantes y desplazar los consumos energticos hacia un modelo de desarrollo sostenible, que favorezca las fuentes energticas renovables y sobretodo el aprovechamiento de la energa solar.

PANEL SOLAR Un

Panel Solar (Sistema Foto-Voltaico SFV) es una fuente de potencia elctrica en la cual las celdas solares transforman la energia solar directamente en electricidad DC; pueden ser colocados en todos los lugares donde haya suficiente energia solar, no requieren de combustibles y por tratarse de dispositivos de estado slido, carecen de partes mviles y por consiguiente son pobres en mantenimiento; tampoco producen ruido, ni emisiones toxicas, ni contaminacin ambiental, ni polucin electromagntica.

El panel solar (colector) sirve para capturar la energa que desde el sol llega a la Tierra, convirtindola en calor (conversin foto trmica). Esta energa es enviada a un fluido portador del calor que circula dentro del colector mismo. Los Paneles solares convierten la energa del sol en electricidad, la electricidad producida es almacenada en bateras

Conceptos bsicosConsumos en CC

Regulador de carga Inversor CC/CA

Panel Bateras Consumos en CA

COMPONENTES Y APLICACIONES

Los componentes de un Panel Solar pueden incluir un conjunto de mdulos, regulador de carga, banco de bateras, condicionador de potencia, adems de elementos de montaje.

Las aplicaciones de los Paneles Solares se pueden clasificar en las siguientes categoras: Productos de consumo (hasta 1W).Celdas en calculadoras, relojes y otros pequeos equipos. Aplicaciones espaciales (15W 20kW). Satlites y misiones espaciales. Sistemas Remotos (50 W 100kW). Residencias, establecimientos comerciales y pequeas comunidades aisladas.

INSTALACION

El mdulo:

Soportedemdulos:

Se localiza en un sitio despejado, que est libre de objetos o rboles que puedan provocar sombras, lo ms cerca al lugar donde desea instalar su sistema (lmparas o aparatos), puede ser sobre un poste metlico o de madera, o sobre el techo de la casa, si ste lo permite.

Su funcin es la de sujetar al mdulo, colquelo con el mdulo orientado hacia el norte, esto permite que los rayos del sol choquen sobre la superficie del mdulo la mayor parte del da, y se obtiene as la mayor generacin de energa del mdulo Fotovoltaico el ngulo de inclinacin ser proporcional a la latitud del lugar.

El controlador:Se coloca en un lugar protegido de la intemperie, (de preferencia dentro de la casa), procurar que la distancia entre ste y el mdulo sea menor de 5 metros, y la distancia entre el controlador y el acumulador sea menor de 1.5 metros (para el tendido del cable), de esta forma minimizar las prdidas de energa en el cable, haciendo ms confiable y eficiente su sistema.

Elacumulador

Buscar un lugar protegido de la intemperie (puede ser dentro de la casa), con buena ventilacin, para evitar la acumulacin de gases generados por el acumulador. Colocar la batera de preferencia sobre una tarima de madera, proteger de los nios, tome en cuenta las limitantes de distancia en el cable mencionadas en el controlador. Nunca coloque el acumulador directamente sobre el piso. Distribuya uniformemente las lmparas as como sus respectivos interruptores, en el lugar donde las desea instalar, de tal manera que obtenga la mejor iluminacin. Procure que el tendido del cable del controlador a cada una de las lmparas sea de 8 metros. Fjelas en los lugares elegidos.

Lmparas

OPERACIONOperacin diurna Durante el da el mdulo fotovoltaico genera energa elctrica, la cual es conducida hacia el acumulador y este a su vez alimenta las cargas (lmparas). Operacin nocturna Durante la noche el controlador detecta que no existe generacin del mdulo fotovoltaico y abre el circuito Panel-Batera, con esto se elimina un posible regreso de energa.

MANTENIMIENTO

Es recomendable hacer por lo menos 3 cheques peridicos en su sistema fotovoltaico por ao, as se pueden detectar y corregir pequeos problemas, antes que lleven a una falla total en la operacin del sistema, por esto se dice que el mantenimiento preventivo es el mejor mantenimiento.Revise todas las conexiones del sistema.

Haga

un reconocimiento en el sistema de cableado. Registre todas las cajas de conexiones que estn correctamente selladas. Inspeccione las piezas de la estructura soportante de los mdulos. Revise la operacin de los interruptores y fusibles.

Tipos de materialesConductores: electrones de valencia poco ligados al ncleo. Semiconductores: electrones de valencia ms ligados al ncleo. Aislantes: configuracin muy estable.

Los materiales usados en las celdas solares son los semiconductores.

Estructura semiconductoresMateriales: Si, Ge, P, As. Estructura del Si:

segundo elemento del planeta ms abundante. 14 electrones y 14 protones, 4e- de valencia. se presenta en la naturaleza de dos formas distintas, una amorfa y otra cristalizada

Semiconductor tipo I Celda se

elemental de Si:

unen 5 tomos del material, enlace covalente. no hay electrones libres, por lo cual se denomina conductor intrnseco o tipo I.

Semiconductor tipo N Si

incorporamos una impureza, P (5 electrones de valencia) habr un electrn libre. El material tendr exceso de cargas negativas.

Semiconductor tipo P Si

incorporamos B (3 electrones de valencia) aparecer un hueco. No se produce enlace covalente y hay exceso de cargas positivas.

Unin NP

Unin de material tipo N y tipo 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 tomo de Si, se rompe el equilibrio de la unin NP y se producen los denominados par electrn-hueco. Se genera un campo elctrico que al conectar una carga externa entre ambas zonas, genera la corriente elctrica. Para el Si, se pueden obtener potenciales de aproximadamente 550mV.

Tipos de celdas de Si Monocristalinas: estructura atmica muy ordenada. rendimiento entre el 15% y el 18%. difcil construccin, alto precio. estructura

Policristalinas:

Amorfas:

atmica no tan ordenada como en el monocristalino. rendimiento entre el 12% y el 15% . estructura

atmica bastante desordenada. rendimiento es inferior al 10%. fabricacin sencilla, ms barato.

Elementos de una celda solar de Si Un

contacto superior en la zona del material tipo N. Dos semiconductores tipo N y tipo P. Un contacto inferior en la zona del material tipo P.

Caractersticas de las celdas solaresCaractersticas I-V Voltaje de circuito abierto VOC Corriente de cortocircuito ISC Potencia Mxima (rectngulo) Factor de llenado (fill factor) : cociente entre el rectngulo de mxima potencia y el rectngulo inscrito entre el voltaje de circuito abierto y la corriente de corto circuito. Esta medida nos da una idea de la calidad de la celda

Eficiencia celdas solares Definicin

:Relacin entre la potencia elctrica generada por unidad de rea (W/m2) y la irradiacin solar incidente (W/m2) para obtenerla Mximas eficiencias tericas para las celdas solares para diversos materiales (J.J. Loferski 1963)

Tecnologa de fabricacin de celdas solares de Silicio Silicio

monocristalino:estructura cristalina uniforme Silicio policristalino:estructuras ubicadas arbitrariamente. Estos granos hacen que la estructura no sea uniforme y se obtenga una eficiencia menor Silicio amorfo:presenta todava bajos niveles de eficiencias

Tecnologa de fabricacin de celdas solares de Silicio El

Silicio se obtiene a partir de elementos como arena o cuarzo Se presentan en la naturaleza con altos grados de impurezas, por este motivo es necesario procesarlos Obtenemos un Silicio con propiedades de semiconductor y as lograr celdas de alta eficiencia el Silicio es el segundo elemento ms abundante en la superficie terrestre, luego del oxgeno.

Tecnologa de fabricacin de celdas solares de SilicioProduccin de Silicio Policristalino Proceso

Consiste

en llevar los granos de cuarzita a temperaturas sumamente elevadas, agregando carbn para eliminar el oxigeno presente en la cuarzita y producir una sustancia gris metlica brillante de una pureza de aproximadamente 99%. Para llegar a purezas de 99,9999%, la sustancia obtenida es depurada mediante un proceso similar al utilizado en las refineras de petrleo, llamado destilacin fraccionada

Tecnologa de fabricacin de celdas solares de SilicioProduccin de Silicio Monocristalino Proceso

Mtodo

de crecimiento de Czochralski (CZ)El Silicio Policristalino se funde en un crisol a temperaturas cercanas a 1.410C, Se intriduce una semilla de Silicio Monocristalino, Se retira lentamente (10cm/hora) haciendo crecer un lingote cilndrico de material Monocristalino

Tecnologa de fabricacin de celdas solares de Silicio Mtodo Se

Flotante (FZ)

coloca una semilla Monocristalina sobre una barra de Silicio Policristalino Luego gracias a una bobina que induce un campo elctrico, la barra se calienta y se funde con la semilla Al desplazarse completamente por la bobina permite la obtencin del lingote de Silicio Monocristalino Este lingote es ms puro que el producido con el mtodo CZ

Tecnologa de fabricacin de celdas solares de SilicioProduccin de obleas Una vez obtenido el cilindro de Silicio Monocristalino, se procede a cortar las obleas o wafers con espesor aproximado de 300um Para realizar esta operacin se utiliza una sierra con multifilamentos, la cual al cortar las obleas produce partculas de Silicio Se pierde casi un 20% de material

Tecnologa de fabricacin de celdas solares de SilicioProduccin de obleas Las obleas son dopadas con tomos de Fsforo en un horno a temperaturas entre 800C y 900C para obtener la capa N El substrato tipo P se logra, antes de obtener los lingotes, dopando el Silicio con tomos de Boro, para luego cortar las obleas que sern utilizadas como material tipo P en las celdas

Tecnologa de fabricacin de celdas solares de SilicioPelcula antirreflectante Consiste en una tratamiento o texturizado que se le da al Silicio para disminuir el ndice de reflexin Estructura piramidal, que aumenta la absorcin de la luz incidente, gracias a reflexin mltiple de sta

Tecnologa de fabricacin de celdas solares de SilicioContactos Superior : Debe construirse con unidades lo bastante gruesas, para transportar la corriente elctrica y lo bastante finas, para no obstaculizar el paso de la luz solar Inferior : material conductor simple (aluminio)

Tecnologa de fabricacin 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 especficas para un determinado espectro de la luz solar y as aprovechar totalmente el espectro

Silicio negro Entre

sol. Obtencin: haciendo brillar brevemente un lser sobre una lmina de silicio a la que han agregado hexafluoruro de azufre. Paneles solares de gran eficiencia.

100 y 500 veces ms sensible a la luz del

xido de Titanio Tcnica

que no emplea el silicio purificado sino que esta basada en nanoestructuras de xido de titanio. Al ser nanoestructuras son introducidas en sprays. Buena respuesta ante intensidades lumnicas variables y una tasa de conversin de energa lumnica en electricidad estimada en el 11%. Transforma amplias superficies de acero en superficies captadoras de energa solar, lo que abaratara en gran medida el coste por KW.

Fragilidad

Fabricacin de mdulos

Condiciones

atmosfricas Deben ser empaquetadas en un mdulo o Los mdulos se utilizan para cargar bateras o Son fabricados para entregar un voltaje nominal de 12Vdc. o Este voltaje se alcanza conectado 36 celdas en serie.

Fabricacin de mdulos1)La celda es colocada en un encapsulante. 2)Parte superior: vidrio templado 3)Parte inferior: substrato a base de resina 4)El modulo se trata a temperaturas de 175C y presin uniforme. 5)Se sella y se ajusta a un marco de aluminio ionizado.

Fabricacin de mdulos. CaracterizacinqN celdas en serie o Caracterstica en paralelo, la potencia total de Ip [mA/cm ] salida es VP [V] WP = N (IP VP) WP [mW/cm ] qIP = corriente peak VOC [V] de la celda qVP = voltaje peak de la celda q q Silicio 28 0,5 14 0,6

Fabricacin de mdulos. Factores que afectan al rendimiento Radiacin

solar : bajos niveles / altos niveles de voltaje de salida Concentrador esttico : Encapsulado que aumenta el rendimiento. Temperatura de operacin : Un aumento de esta hace que la corriente aumente pero el voltaje disminuya Sombra : Disipa la energa Una

celda sombreada afecta al mdulo completo. Solucin : diodos bypass

VENTAJ ASDEUNPANELSOLAR AMBIENTALES - Es una fuente autctona, limpia, silenciosa y confiable

- Permite sustituir una parte del consumo de combustibles fsiles y/o electricidad por energa solar, evitando o enlenteciendo el agotamiento de los limitados recursos naturales - Renovable - No emite gases contaminantes perjudiciales para la salud - No emite gases de efecto invernadero que afecte el cambio climtico. -

VENTAJ ASESTRATGICAS -Re duc e de pe nde nc iae ne rg tic ade lexte rio r -Pro mue ve e lauto c o nsumo ylainde pe nde nc ia e ne rg tic a -Implic aunc ambio de mo de lo e nlapro duc c i nde e ne rga,e lc ualpro g re sivame nte se va de sc e ntralizando -Pro ye c taalPe ruc o mo de stino turstic o re spo nsable de lme dio ambie nte

VENTAJ ASSOCIALES -Ge ne rac i nde pue sto sc alific ado sde trabajo dire c to se nlapro duc c i n,lainstalac i ny mante nimie nto de lasinstalac io ne s.

VENTAJ ASECONMICAS Re duc c i ndire c tade lc o nsumo e ne lc ale ntamie nto de ag ua, yase ae le c tric idad,que made c o mbustible s, gaso le a. Lainve rsi nse amo rtizac o ne laho rro e ne rg tic o. Eninstalac io ne sparac ale ntamie nto de aguapara pisc inas, e lpe ro do de re to rno e sde aprox.3.5ao s. Eninstalac io ne sparaho te le s,sustituye ndo e ne rgae l c tric a, lainve rsi nse po dramo rtizare n uno s4a5ao s.

Panelessolares fotovoltaicos

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Evolucin precios de paneles solares ($/watio)

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APLICACIONES EN LOCALIDADES RURALES

Local comunal con electricidad solarEn 1996 el MEM electrific 4 locales comunales con buenos resultados

A: 8 paneles fotovoltaicos (300X 8) = $ 2400 B: 6 bateras solares (100 X 6) = $ 600 C: 9 fluorescentes (40 X 9) = $ 360 C: Antena parablica, equipo de radio R/T, VHS, TV Y antena de radio D: 2 controladores (80 X 2) = $ 160 F: 1 inversor 250w (300 X 1) = $ 300

Total: 3820 dlaresCostos referenciales 47

Comunidades solares

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Instalaciones de energa solar en el Per (2004)Uso Sistemas fotovoltaicos para fines residenciales Sistemas fotovoltaicos para telecomunicaciones Secadores Solares Calentadores solares(**) Cocinas solares Nmero 17448 44772 764 8045 640

** El Centro de Energas Renovables de la UNI estima que, actualmente, slo en Arequipa, habran de 25000 a 30000 calentadores solares49 Fuente: Diagnstico de la situacin actual del uso de la energa solar y elica en el Per. CENERGA, 2004.

De qu estamos hablando ?Aplicaciones: qAplicacionesdeiluminacin:Lmparahalgenasofluorescentes(820W).Nuncade incandescencia qElectrodomsticosdebajoconsumo:TVblancoynegro(40W),radio(6W) qMotoresdebajapotencia:bombeodeagua(motobomba6002000W)

Aplicacionesquetransformenenergasolarenenergatrmica(Planchas,lavaplatos,frigorficosconvencionales,)

Exceptocasosenqueseaestrictamentenecesarioyconequiposdebajoconsumo (frigorficoparamedicinas85W)

Dos experiencias

SISTEMA FAMILIAR USO DOMSTICO LAGO TITICACA (PER)

Isolneas de radiacin en Per ( kWh / m2 . da )La radiacin solar en el Per es constante y los promedios varan en +/20% Sierra: 5 6 kWh/m2.da Costa y selva: 4 5 Fuente: I Congreso sobre Biocombustibles y Energas Renovabls.Manfred HornFuente: Organizacin Meteorolgica Mundial

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La regin de PunoqLocalidadesaisladasdela red qElevadaradiacinsolar q421sistemasde50Wy 35W qCreacindeuna microempresa SOLSISTEMASpara capitalizarelsaberenla regin.

Comunidad de los UROS44 islas flotantes 3.000 habitantes Sustento: turismo, caza y pesca Recurso energtico para iluminacin:

mecheros de queroseno, velas. PELIGRO! TOTORA SE INFLAMA

Comunidad de Taquile

2.000 habitantes Sustento: turismo (artesana), agricultura y pesca Recurso energtico para iluminacin: mecheros de queroseno, velas.

Comunidad de Amantan

4.000 habitantes Sustento: turismo, artesana, txtil. Recurso energtico para iluminacin: generador diesel, velas y mecheros de queroseno LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS SLO ATIENDEN A UN MNIMO DE LA POBLACIN, pero ha generado expectativas a nivel domstico

Comunidad de Huancho Lima1.000 habitantes Sustento: agricultura, ganadera Recurso energtico para iluminacin: mecheros de queroseno, pilas y bateras EL GOBIERNO NO HA EXTENDIDO LA RED ELCTRICA!

Beneficios aportados por los sistemas solares: Pueden tejer ms all de las horas de sol

Pueden estudiar/leer ms all de las horas desol

Pueden informarse a travs de la radio y latelevisin

GRACIAS