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Departamento Energía Solar
Comisión Nacional de Energía Atómica
Nuestro Sol, fuente inagotable de energía
Claudio Bolzi ([email protected])
Gabriela I. Duran ([email protected])
Javier A. Garcia ([email protected])
Mónica Martinez Bogado([email protected])
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Introducción
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Energía Solar
APLICACIÓN FOTOVOLTAICA
Generación directa de electricidad
Veamos algunos ejemplos….
¿QUE ES LA ENERGÍA SOLAR?
Es simplemente la luz que proviene del sol.
APLICACIÓN TÉRMICA
Calentamiento de agua
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Energía Solar térmica Aplicaciones
Horno solar para ensayo de materiales a
altas temperaturas.
Central de torre central 100MW en
California, EEUU
Horno solar y termotanque solar.
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Energía Solar fotovoltaica Aplicaciones
Techos de viviendas para abastecimiento propio o
conexión a red de energía
Prototipos de autos y
aviones solares
autónomos.
Grandes centrales de potencia
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Promedio anual de energía solar(Fuente H. Grossi Gallegos y R. Righini, HYFUSEN (2011) / ASADES (2012))
Ejemplo en Argentina
•Radiación promedio al Norte del Río Colorado
4,5 kWh/(m2.día)
•Eficiencia de conversión de energía solar
en electricidad 15% o mas
•Factor de ocupación del terreno 50%
Demanda eléctrica año 2013:
125 × 109 kWh
Resulta un área de 64% a la que cubre el espejo de agua de la represa
Yaciretá (1600 km2 con la cota de 83 msnm), generando 7 veces más
energía
Área total requerida: 1015 km2
Plano Horizontal Plano Inclinado
Ushuaia 1.020 kWh/(m2 año)2,79 kWh/(m2 día)
1.240 kWh/(m2 año)
San Miguel 1.550 kWh/(m2 año)4,25 kWh/(m2 día)
1.680 kWh/(m2 año)
San Juan 2.050 kWh/(m2 año)5,62 kWh/(m2 día)
2.230 kWh/(m2 año)
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Introducción a celdas solares
Vivimos en una sociedad profundamente dependiente de la ciencia y la tecnología y en la que nadie sabe nada de estos temas. Ello constituye una fórmula segura para el desastre.
Carl Sagan
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Conversión Fotovoltaica Generación directa de electricidad
Depende del Efecto Fotovoltaico para su funcionamiento. Descubierto por Henry Becquerel en 1839 (en 1876 por primera vez en un solido)
1º Reporte de un dispositivo fotovoltaico en 1941 por Russell Ohl, de Laboratorios Bell, con una eficiencia estimada menor que el 1 %,
1958 Vanguard I, paneles fotovoltaicos con celdas de silicio p-n (eficiencia 10%)
Hasta 1973 usos espaciales y militares
Crisis del petróleo usos terrestres de FV
Década del ’90, nuevo impulso por cuestiones ecológicas
Actualidad > 38% en celdas multi-juntura y > al 44 % con radiación concentrada por métodos ópticos.
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0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
Distrib
ució
n d
e e
nerg
ía
[W
/m
2
nm
]
Longitud de onda (nm)
AM0
AM1.5
Cuerpo Negro a 6000 K
Radiación Solar
AM0 = 1366,1 W/m2
AM1.5 = 1000 W/m2
AIR MASS
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¿Como funciona una celda solar?
• Semiconductores
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Campo
eléctrico
5 e en la ultima capa.
3 e en la ultima capa.
Campo
eléctrico
Dopantes
•Juntura p-n
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Efecto Fotovoltaico y celdas solares
Fotones
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Etapas de Fabricación de Celdas Solares de Silicio
PurificaciónExtracción
de cuarzo Crecimiento del
lingoteObtención de la oblea
Se realizan procesos
químicos a través de
los cuales se obtiene
silicio de alta pureza
A partir del silicio
purificado se obtiene un
lingote cristalino que es
cortado en obleas de
aproximadamente 0.3 cm
de espesor.
Se obtienen
monocristales aplicando
el metodo Czochralski por
el cual se obtiene un
cristal a partir de una
semilla depositada en un
baño de silicio fundido
El silicio es segundo
elemento más
abundante en la corteza
terrestre y se extrae
mediante minería.
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Etapas de Fabricación de Celdas Solares de Silicio
Fabricación de la Celda
La oblea de silicio se somete
a un proceso llamado
difusión, a través del cual se
le introducen las impurezas
que crean la juntura n-p.
Difusión
Posteriormente se agregan
los contactos metálicos de la
celda, en particular en forma
de rejilla en la cara
iluminada por el sol.
Desarrollo de paneles
Los paneles solares se
fabrican realizando la
conexión de celdas entre si, a
fin de lograr la tensión
requerida. Las celdas solares
interconectadas se protegen
con vidrio transparente frontal,
a fin de darles rigidez
mecánica y protegerlas de
agentes ambientes.
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•Corriente de
cortocircuito (Isc)
•Tensión de circuito
abierto (Voc)
•Factor de Forma (Fill
Factor)
•Eficiencia de conversión
oc sc
in
V I FF
P
Parámetros de salida de las celdas solares
mp mp
oc sc
V IFF
V I
Corrie
nte
[A
]
Vmp
Voc
Imp
Isc
No iluminada
Iluminada
Tensión [V]
If
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Circuito equivalente
If = Fuente de corriente que representa la fotogeneración
Rj = Impedancia no lineal dada por la juntura
Rs = Resistencias serie
Rp = Resistencias paralelo
Rc = Resistencia de carga asociada al circuito externo
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Estación I: Parámetro Eléctricos vs Área
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19
Misión
SAC-D / Aquarius
Fabricando paneles solares para uso espacial
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20
Laboratorio de Integración
Edificio Tandar (CAC)
Superficie 220 m2
Sistema de filtrado de aire para “área limpia clase 10.000”
Control de T y H.R.
Estaciones de trabajo
Componentes de un Panel Solar Sustrato (base del panel)
Celdas solares
Vidrios de protección
Interconectores eléctricos para celdas
Diodos
Cables
Sensores solares de posición
Sensores de temperatura
Resistores de descarga
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Trabajando en el área limpia
Integración de los paneles solares de la misión espacial Aquarius/SAC-D
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22
Proceso de Fabricación
Inspección visual de subcadenas de celdas
Celdas Solares en Proceso de Pegado de Vidrio
Trabajos de pegado de celdas sobre el sustrato
Cadena de 18 celdas conectadas en serie
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23
Simulando el ambiente espacialCámara de vacío para ensayo de daño
por radiación de protones de 10 MeV
Ensayos de ciclado
térmico rapido y
termovacío sobre
paneles solares.
(100ºC y -100ºC)
Cámaras para Ciclado Térmico
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Panel -X Terminado Visto del Lado Celdas
y Cableado
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Lanzamiento del satélite Argentino SAC-D, primeros paneles solares de fabricación nacional en el espacio
10 de Junio de 2011
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Proyectos EspacialesSatélites
SAOCOM
NANOSATELITES
Sensores de Posición
SARE
Paneles de Ingeniería del Satélite SAOCOM
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Proyectos EspacialesNanosatelites
CUBEBUG-1 – “El
capitán Beto”
CUBEBUG-2 – “Manolito”
BUGSAT-1: “Tita”
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Estación II: Radiación Solar
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SENSORES USO ESPACIAL
•Sensores: celdas solares de Si adaptadas en tamaño y corriente para ser
integradas al sistema de control de actitud del satélite.
•Grilla frontal: define el área activa y se diseña según la corriente requerida en
cada misión pudiendo ajustar la señal del dispositivo a las necesidades de cada
misión (ventaja)
ELABORACIÓN E INTEGRACIÓN
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Estación III: Instalación Fotovoltaica
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Interconexión De Sistemas FV A La Red
Eléctrica En Ambientes Urbanos
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Sistema FV Conectado a la Red
1 Generador solar, 2 Caja de conexión del generador, 3 Inversor, 4 Contador bidireccional de consumo e inyección, 5 Conexión a red, 6 Punto de consumo
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Proyecto destinado a promover y probar
tecnologías de sistemas fotovoltaicos
conectados a la red de 220 V en áreas urbanas.
El consorcio IRESUD esta compuesto por
instituciones gubernamentales y por empresas
del sector privado.
Actualmente cuenta con de 41 instalaciones
previstas en las cuales participan 15 provincias y
la Antártida.
www.iresud.com.ar
www.facebook.com/iresud
(con potencias entre 1,5 kW y 17 kW)
IRESUD
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Primer instalación
Instalación piloto de 2 kW
conectada a la red interna del
Observatorio de la Ciudad de
Buenos Aires en el Parque
Centenario.
Asociación Argentina Amigos de la Astronomía
Cumplió 2 años de
funcionamiento!(En el primer año entrego 2.525
kWh, o lo que es lo mismo 7 kWh
diarios aprox.)
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Granadero Baigorria- Santa Fe
Algunas de las Instalaciones del proyecto
UNLP -
La Plata
Neuquén-
Neuquén
UNNE -
Corrientes
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Algunas de las Instalaciones del proyecto
Edificio TANDAR, Centro Atómico Constituyentes
Sistema fotovoltaico instalado en la terraza
del Tandar. Veinte módulos FV de 240 Wp
c/u. Potencia total 4.7 KW
Pérgola fotovoltaica instalado en el
balcón del tercer piso del Tandar.
Veintitrés módulos FV de 235 Wp c/u.
Potencia total 4.9 KW
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Algunas de las Instalaciones del proyecto
Base Marambio, Antártida
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Estación IV: Diferentes tecnología en celdas solares
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I+D en celdas solares
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Actividades de investigación y desarrollo en nuevas y más eficientes tecnologías de celdas solares
Formación de recursos humanos
Fabricación de dispositivos para medición de radiación solar
Implementación de método de fabricación de celdas solares multijuntura de semiconductores III-V
Algunos materiales involucrados en
la fabricación de celdas solares de
Silicio
Horno de difusión térmica para la
fabricación de celdas solares
Fabricación de dispositivos y Aplicaciones
Radiómetro para la
medición de la radiación
solar
Estructura de una celda triplejuntura
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41
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
sin AR
experimental
simulación
963-TC
EQ
E
(m)
Simulación de celdas solares y paneles solares
Herramientas de simulación numérica de dispositivos
Herramientas de simulación numérica de Paneles solares y parámetros térmicos.
Simulación de la Eficiencia Cuántica Externa (EQE)
de homojunturas de InGaP
Celdas Solares Híbridas. (Orgánicas-Inorgánicas)
Inorgánico: Robustez de estructura tridimensional con alta superficie de interfaz
Orgánico: Versatilidad de los compuestos orgánicos, acompañado por bajos costos.
ITO
TiO2 + orgánicos
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Espectros DLTS
Primeras mediciones con la técnica Deep Level TransientSpectroscopy para caracterización de defectos en semiconductores.
Armado del setup de fotoluminiscencia para medición de celdas solares.
Curva Corriente-Tensión
Respuesta Espectral
Curva Capacidad-Tensión
Implementación de técnicas de Caracterización:
Estudio de la variación de los parámetros eléctricos de celdas solares utilizadas para la integración de los paneles de vuelo de la misión.
Evaluación estadística de parámetros eléctricos
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Estudio de Daño por Radiación en ambiente espacial
Los efectos mas importantes son:
el daño acumulado inducido por una continua exposición a protones y electrones, TID (Total Ionising Dose)
la degradación de la eficiencia del dispositivo sensible al daño por desplazamiento de átomos, DD (Displacement Damage)
el daño instantáneo causado por una única partícula, SEE (Single Event Effects)
Se realizan ensayos de degradación de dispositivos semiconductores y celdas solares bajo irradiación de iones pesados simulando el espectro espacial.
TANDAR: Acelerador de partículas tandem Van der Graff electroestático
E.D.RA: Línea de Ensayos de Daño por Radiación y Ambiente
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Experimento Single Event Effect:
Cámara web irradiada con H+ de 8 MeV y 1,1 nA.
Experimentos de Daño SEU: (Single Evente Upset)
Filtro de Ta con
perforaciones de 80 µm
aprox. para atenuar el
haz
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Departamento Energía Solar
Un poco de historia…
1976 Primeras actividades, conversión fototérmica
1986 Producción de lingotes de silicio monocristalino para uso fotovoltaico. Se comenzó
con el diseño, elaboración y caracterización de celdas solares de Silicio.
1995 Acuerdo CNEA-CONAE para la fabricación de dispositivos FV para uso espacial
2011 Lanzamiento del SAC-D, primer satélite con paneles argentinos
2011 Proyecto FONARSEC para la interconexión a red de sistemas FV en áreas
urbanas. Creación de IRESUD.
2012 Primera instalación piloto conectada a red
2013 Nacionalización del proyecto IRESUD
2015 Proyecto IRESUD RI: Interconexión y redes inteligentes
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Departamento Energía SolarIntegrantes
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Fin
¡¡ GRACIAS POR SU ATENCION !!
La ignorancia afirma o niega rotundamente;
la ciencia duda.
Voltaire (1694-1778)