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I N S T I T U T O T E C N O L O G I C O D E S A L I N A CRUZ

MATERIA: FUNDAMENTOS DE INVESTIGACIÓN

NOMBRE LARGO DEL PROYECTO

SISTEMA DE CONTROL DE LA ENERGÍA SOLAR A TRAVÉS DE PANELES SOLARES PARA SUMINISTRAR ENERGÍA ELÉCTRICA A LA

ESCUELA RURAL 20 DE NOVIEMBRE.

NOMBRE CORTO DEL PROYECTO

CONTROL DE SISTEMA DE ENERGÍA

(Control system of energy)

INTEGRANTES DE EQUIPOS

MENDOZA ZAVALETA IMER IVÁN

ROBLES RAMÍREZ JOSÉ ABEL

LÓPEZ LÓPEZ CESAR IVÁN

CRUZ AQUINO ÁNGEL

CARRERA: ING. EN ELECTRÓNICA

SEMESTRE: VI GRUPO: C

TITULAR: ROMÁN NÁJERA SUSANA MÓNICA

INTRODUCCIÓN

EL PROYECTO SE ENFOCA EN EL SISTEMA DE CONTROL DE LA ENERGÍA SOLAR A TRAVÉS DE PANELES SOLARES PARA APROVECHAR LA ENERGÍA SOLAR Y ASÍ PODERLE DAR USO . TAMBIÉN AYUDAR A LOS DEMÁS QUE NO CUENTAN CON LA ENERGÍA ELÉCTRICA HASTA SUS HOGARES. ANTES DE TOMAR ESTA DECISIÓN, ES MUY RECOMENDABLE ESTUDIAR LOS DIFERENTES TIPOS DE PANELES QUE EXISTEN ACTUALMENTE. SON BÁSICAMENTE TRES TIPOS: PANELES SOLARES TERMODINÁMICOS, PANELES SOLARES TÉRMICOS, PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS. UN PANEL SOLAR (O MÓDULO SOLAR) ES UN DISPOSITIVO QUE APROVECHA LA ENERGÍA DE LA RADIACIÓN SOLAR. LOS PANELES FOTOVOLTAICOS: ESTÁN FORMADOS POR NUMEROSAS CELDAS QUE CONVIERTEN LA LUZ EN ELECTRICIDAD. LAS CELDAS A VECES SON LLAMADAS CÉLULAS FOTOVOLTAICAS. ESTAS CELDAS DEPENDEN DEL EFECTO FOTOVOLTAICO POR EL QUE LA ENERGÍA LUMINOSA PRODUCE CARGAS POSITIVA Y NEGATIVA EN DOS SEMICONDUCTORES PRÓXIMOS DE DIFERENTE TIPO, PRODUCIENDO ASÍ UN CAMPO ELÉCTRICO CAPAZ DE GENERAR UNA CORRIENTE.

OBJETIVOS

General: diseñar un sistema de control automatizado para la producción y distribución de la energía eléctrica mediante celdas solares para la escuela rural 20 de noviembre.

Específicos

Conocimiento del lugar de ubicación de la escuela Conocer las necesidades de la escuela Investigar las características de los dispositivos electrónicos y eléctricos con

los que cuenta la escuela Analizar el problema Proponer el funcionamiento del sistema de control Enlistar los materiales a utilizar

JUSTIFICACIÓN

El proyecto del sistema de control de la energía solar a través de paneles solares para la subministrar energía eléctrica a la escuela rural 20 de noviembre solucionara el problema que es el control automático de la producción y suministración de la energía eléctrica mediante la implementación de dispositivos de control como sensores y capacitores que sería la batería o el banco donde se almacenara la energía eléctrica al igual que la falta de la energía eléctrica en dicha escuela también contribuirá a la conservación del medio ambiente utilizando recursos naturales el cual es sustentable.

El impacto que tendrá en el medio ambiente es muy importante y positivo pues se utilizaran recursos naturales los cuales son la energía solar para la producción de energía eléctrica y de esta forma no contaminara.

En el ámbito social el impacto sería en que los alumnos de la escuela podrían tener acceso a la tecnología mediante la utilización del equipo de cómputo, y del cañón reflector para mejorar el aprendizaje y hacerlo más entretenido.

En la parte económica tendría un impacto un tanto alto en el costo de las celdas solares pero a largo plazo las beneficiarias mucho pues les ahorraría mucho dinero.

Como beneficiara: El proyecto beneficiara a la utilización de equipo de cómputo con el que cuenta la escuela y también a la instalación eléctrica para tener iluminación.

Que beneficiara: Beneficiara a la escuela a la cual se le suministrara la energía eléctrica.

Quienes beneficiara: beneficiara a los alumnos de la escuela y las personas de la comunidad en donde se encuentra ubicada la escuela.

ÍNDICE

Introducción i

Objetivo ii

Justificación iii

CAPITULO I. Introducción a los paneles solares……………………………….1

1.1 Concepto de panel solar………………………………………………………..1

1.2 Tipos de paneles solares……………………………………………………….2

1.2.1. Panel solar termodinámico……………………………………………..2

1.2.2. Panel solar térmico………………………………………………………4

1.2.3. Panel solar fotovoltaico………………………………………………….6

1.3 Funciones de un panel solar…………………………………………………….8

CAPITULO II. Características de los paneles solares…………………………...9

2.1Capacidad de las celdas solares………………………………………………..9

2.2Dispositivos empleados…………………………………………………………11

2.2.1 Celda solar………………………………………………………………..11

2.2.2 Convertidor………………………………………………………………..14

2.2.3 Acumulador………………………………………………………………..16

2.3 instalación de los paneles solares………………………………………………17

CAPITULO III. Desarrollo del sistema de control de un panel solar…………….18

3.1concepto de sistema de control………………………………………………….18

3.2Descripción del Sistema de control de un panel solar………………………...18

3.2.1 Identificación del problema a resolver…………………………………..19

3.2.2 Dispositivos a alimentar…………………………………………………..19

3.2.3 Materiales a ocupar para el diseño del sistema de control…………...23

3.3Diseño y construcción del prototipo……………………………………………..24

Conclusiónes…………………………………………………………………………..25

ÍNDICE DE FIGURAS

No. TITULO PÁGINA

Figura No. 1.1 integración arquitectónica de los paneles solares 1

Figura No.1.2 características de los paneles termodinámico 3

Figura No.1.3 características de un panel termodinámico 4

Figura No. 1.4 ejemplo de un panel térmico 5

Figura No.1.5 panel mono cristalinas 7

Figura No. 1.6 panel poli cristalina 7

Figura No. 1.7 panel solar 8

Figura No. 2.1 material de la celda solar 9

Figura No. 2.2 celda poli cristalina 10

Figura No. 2.3 panel solar 11

Figura No. 2.4 inversor de voltaje 15

Figura No. 2.5 acumulador o batería 16

Figura No.2.6 instalación de un panel solar 18

Figura No. 2.1 lámpara incandescente 20

Figura No. 2.2 ventilador de techo 20

Figura No. 2.3 diagrama de conexión de un ventilador de techo 21

Figura No. 2.4 computadora de escritorio 22

Figura No. 2.5 resistencias 23

Figura No. 2.6 integrado LM339 23

Figura No. 2.7 integrado LM336 23

Figura No 2.8 leds emisores de luz 23

Figura No. 3.1 diagrama de conexión del circuito de carga 24

Y descarga de la batería

ÍNDICE DE TABLAS

No. TITULO PÁGINA

Tabla No. 1.1 datos de operación de un ventilador de techo 21

CAPITULO I. INTRODUCCIÓN A LOS PANELES SOLARES

1.1CONCEPTO DE PANEL SOLAR

Un panel solar (o módulo solar) es un dispositivo que aprovecha la energía de la radiación solar. El término comprende a los colectores solares utilizados para producir agua caliente (usualmente doméstica) mediante energía solar térmica y a los paneles fotovoltaicos utilizados para generar electricidad mediante energía solar fotovoltaica. Cada vez son más las viviendas que optan por los paneles solares, este tipo de energía alternativa no sólo no contamina el medio ambiente sino que nos representa un gran ahorro económico.

Figura 1.1 integración arquitectónica de los paneles solares

Definimos a los paneles solares como módulos que son capaces de aprovechar la energía emanada por el Sol, más comúnmente conocida como radiación solar. Este término abarca también a los colectores solares que se emplean para originar agua caliente (para un uso principalmente doméstico) y a los paneles fotovoltaicos que se usan para generar electricidad. Los paneles solares de tipo fotovoltaicos se encuentran compuestos por cientos de celdas que se encargan de convertir la luz en electricidad; estas celdas, muchas veces son denominadas celdas fotovoltaicas, que tiene como significado “luz-electricidad”.

1

1.2 Tipos de paneles solares

Desde su aparición a la industria aeroespacial, y se han convertido en el medio más fiable de suministrar energía eléctrica a un satélite o a una sonda en las órbitas interiores del Sistema Solar, gracias a la mayor irradiación solar sin el impedimento de la atmósfera y a su alta relación potencia a peso.

En el ámbito terrestre, este tipo de energía se usa para alimentar innumerables aparatos autónomos, para abastecer refugios o casas aisladas de la red eléctrica y para producir electricidad a gran escala a través de redes de distribución. Debido a la creciente demanda de energías renovables, la fabricación de células solares e instalaciones fotovoltaicas ha avanzado considerablemente en los últimos años.

Es muy recomendable estudiar los diferentes tipos de paneles que existen actualmente, (más información en anexo a) Son básicamente tres tipos:

Paneles solares termodinámico

Paneles solares térmicos

Paneles solares fotovoltaicos

1.2.1 PANEL SOLAR TERMODINÁMICO

Los paneles solares termodinámicos son la opción más recomendada por los

expertos para generar energía. El avance de la tecnología de los últimos años ha

permitido crear estos paneles que son más eficientes, más versátiles y más

económicos que ninguna otra opción. Son la nueva generación de paneles

solares, con mejoras en tantos aspectos que los han convertido en la mejor

solución para una gran mayoría de los casos. La energía solar termodinámica es

la mejor opción hoy por hoy para la mayor parte de instalaciones de energía

renovable en la vivienda. Gracias a esta tecnología, cualquier vivienda puede

conseguir un importantísimo ahorro de energía independientemente de las

condiciones climáticas del lugar donde se encuentre.

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CICLO DE TRABAJO

Los paneles solares termodinámicos son los encargados de captar el calor

exterior, ya sea en forma de radiación solar, fenómenos meteorológicos o la

temperatura ambiente que en un amplio rango puede ser captada. Esto se

consigue haciendo circular por el panel solar termodinámico un gas frigorífico

(freón) a una temperatura inferior a la ambiental, llegando a alcanzar los –15 ºC.

Los paneles solares termodinámicos son capaces de trabajar tanto de día como

de noche y en las condiciones más adversas de temperatura.

CARACTERÍSTICAS DE LOS PANELES TERMODINÁMICOS

Los paneles han sido diseñados para aprovechar al máximo tanto la radiación solar directa como difusa y las variaciones de temperatura. Están fabricados en aluminio de la mejor calidad que ha sido sometido a un proceso de galvanizado (30 micras) con objeto de aumentar su resistencia a las condiciones ambientales. Además, para mejorar su comportamiento a la intemperie y conseguir una mayor eficiencia han sido protegidos con una capa de pintura anticorrosión.

Los equipos son suministrados con igual número de paneles de derechas que de izquierdas. El color de los paneles normalmente es el negro mate que aumenta el rendimiento de los mismos, sin embargo, por cuestiones estéticas se pueden pintar de color teja o marrón.

Figura No.1.2 características de los paneles termodinámicos

3

Figura No.1.3 características de un panel termodinámico

1.2.2 PANEL SOLAR TÉRMICO

Un captador solar, también llamado colector solar, es cualquier dispositivo diseñado para recoger la energía radiada por el sol y convertirla en energía térmica. Los colectores se dividen en dos grandes grupos: los captadores de baja temperatura, utilizados fundamentalmente en sistemas domésticos de calefacción y ACS, y los colectores de alta temperatura, conformados mediante espejos, y utilizados generalmente para producir vapor que mueve una turbina que generará energía eléctrica.

Captador solar plano, también llamado colector solar plano o panel solar térmico, consistente en una caja plana metálica por la que circula un fluido, que se calienta a su paso por el panel. Puede ser a su vez:

Captador plano protegido: con un vidrio que limita las pérdidas de calor.

Captador plano no protegido: sistema más económico y de bajo rendimiento, utilizado esencialmente para climatización de piscinas.

Panel de tubos de vacío, donde la superficie captadora está aislada del exterior por un doble tubo de vidrio que crea una cámara al vacío. 196% más eficientes que los captadores planos por su forma cilíndrica que hace recibir siempre los rayos perpendicularmente. Existen tres sistemas:

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Flujo directo: el fluido circula por los tubos, como en los captadores planos.

Flujo indirecto o Heat pipe: 1 el calor evapora un fluido en el tubo, y éste transmite su energía al condensarse en el extremo.

Flujo indirecto sin Heat pipe La diferencia con el anterior es que es construido al 100% con cristal de boro silicato, evitando la utilización de cobre, por lo que abarata aún más sus costes, además eleva el rendimiento un 30% con respecto a los tubos de vacío con Heat-Pipe.

Figura No. 1.4 ejemplo de un panel térmico

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1.2.3 PANEL SOLAR FOTOVOLTAICO

HISTORIA

El término fotovoltaico proviene del griego φώς:phos, que significa “luz” y voltaico, que proviene del campo de la electricidad, en honor al físico italiano Alejandro Volta, (que también proporciona el término voltio a la unidad de medida de la diferencia de potencial en el Sistema Internacional de medidas). El término fotovoltaico se comenzó a usar en Inglaterra desde el año 1849.

El efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez en 1839 por el físico francés Becquerel, pero la primera célula solar no se construyó hasta 1883. Su autor fue Charles Fritts, quien recubrió una muestra de selenio semiconductor con un pan de oro para formar el empalme. Este primitivo dispositivo presentaba una eficiencia de sólo un 1%. En 1905 Albert Einstein dio la explicación teórica del efecto fotoeléctrico. Russell patentó la célula solar moderna en el año 1946, aunque Sven Ason Berglund había patentado, con anterioridad, un método que trataba de incrementar la capacidad de las células fotosensibles

LOS PANELES O MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

Los paneles o módulos fotovoltaicos (llamados comúnmente paneles solares, aunque esta denominación abarca otros dispositivos) están formados por un conjunto de celdas (células fotovoltaicas) que producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos (energía solar fotovoltaica). El parámetro estandarizado para clasificar su potencia se denomina potencia pico, y se corresponde con la potencia máxima que el módulo puede entregar bajo unas condiciones estandarizadas, que son:

Radiación de 1000 W/m²

Temperatura de célula de 25 °C (no temperatura ambiente).

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Los paneles fotovoltaicos se dividen en:

Cristalinas

Mono cristalinas: se componen de secciones de un único cristal de silicio (Si)

(reconocibles por su forma circular u octogonal, donde los 4 lados cortos, si se

puede apreciar en la imagen, se aprecia que son curvos, debido a que es una

célula circular recortada).

Poli cristalinas: cuando están formadas por pequeñas partículas cristalizadas.

Amorfas: cuando el silicio no se ha cristalizado.

Su efectividad es mayores cuantos mayores son los cristales, pero también su

peso, grosor y coste. El rendimiento de las primeras puede alcanzar el 20%

mientras que el de las últimas puede no llegar al 10%, sin embargo su coste y

peso es muy inferior.

Figura No.1.5 panel mono cristalinas Figura No. 1.6 panel poli cristalina

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1.3 FUNCIONES DE UN PANEL SOLAR

Un panel solar es una especie de módulo que tiene como objetivo intentar aprovechar la mayor cantidad de energía que proviene de la radiación solar. El término que se utiliza para definirlo proviene de los colectores solares, que eran utilizados para poder obtener agua caliente. En lo que respecta a esos paneles fotovoltaicos, es importante destacar que se encuentran formados por unas cuantas celdas que se encargan de convertir la luz en electricidad. Estas mismas celdas son también conocidas como células fotovoltaicas, que significa “luz-electricidad”. Estas son dependientes del efecto fotovoltaico, para poder transformar la energía del Sol, y de esta manera hacer que una corriente pase entre dos placas con cargas eléctricas opuestas

Los paneles solares funcionan de la siguiente manera: los rayos solares impactan sobre la superficie del panel, penetrando es este y siendo absorbidos por materiales semiconductores, como el Silicio o el arseniuro de galio.

Dichos paneles son módulos que aprovechan la energía de los rayos solares. Estos módulos comprenden a los colectores solares, utilizados para producir agua caliente y a los paneles fotovoltaicos usados para generar energía. Los fotovoltaicos están compuestos por numerosas celdas que transforman la luz en electricidad, dichas celdas a veces son llamadas células fotovoltaicas, lo que significa “luz-electricidad” y dependen del efecto fotovoltaico para poder transformar la energía del sol y hacer que una corriente pase por dos placas con cargas eléctricas opuestas. El parámetro estándar para medir su potencia se denomina potencia pico.

Figura No. 1.7 panel solar

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CAPITULO II. CARACTERÍSTICAS DE LOS PANELES SOLARES

2.1 características de una celda solar

Una celda fotovoltaica o solar es un instrumento que genera electricidad directamente a partir de la luz del sol, de la radiación solar. A fines de poder generar energía útil, las celdas fotovoltaicas se deben encontrar interconectadas formando entonces un panel solar. Este panel solar también es a veces conocido con el nombre de módulo fotovoltaico. A partir de tener esta información básica surge la pregunta de querer saber cuántos voltios produce una celda fotovoltaica. Este es un interrogante debido a que muchas veces se presenta la potencia producida por el panel en sí, sin especificar cuantos voltios produce una celda fotovoltaica.

Lógicamente la energía requerida y la cantidad de luz solar determinarán las celdas que tendrá un panel. Por lo general las celdas están hechas a base de silicón que es el mismo material que se utiliza para los transistores y los circuitos integrados. En células fotovoltaicas el silicón es tratado de manera que cuando llegue la luz sus electrones se liberen generando una corriente eléctrica. Lógicamente a base de este material existen diferentes tipos de celdas.

Figura No. 2.1 material de la celda solar

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Por un lado tenemos las celdas solares cristalinas. ¿Cuantos voltios produce una celda fotovoltaica de este tipo? Por lo general las celdas cristalinas producen un voltaje individual de 0.5 a 0.6 volts. En este caso a fines de producir un circuito abierto de 20 volts, por ejemplo se necesitan 36 celdas solares o celdas fotovoltaicas. Este circuito será suficiente para cargar una batería de 12 volts. Por lo general las celdas solares cristalinas se dividen en mono cristalinas y poli cristalinas.

La eficiencia de los paneles solares de celdas amorfas no es tan alta como la de aquellos paneles conformados por celdas solares individuales. Por lo general una celda fotovoltaica de 12X12cm puede brindarnos o.5 voltios (lo que equivale a 1 amperios) de corriente eléctrica. Si las celdas son más grandes probablemente el voltaje aumente.

Celdas solares cristalinas

Las celdas solares cristalinas se interconectan unas con otras para formar paneles solares. Cada celda solar produce un voltaje individual de 0.5 a 0.6 volts, se requieren 36 celdas solares o celdas fotovoltaicas para producir un circuito abierto de cera de 20 volts. El cual es suficiente para cargar una batería de 12 volts.

Las celdas solares mono cristalina, se cortan de una sola pieza de cristal de silicón, mientras que las celdas solares poli cristalinas se hacen a base de múltiples cristales.

Figura No. 2.2 celda poli cristalina

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2.2 Dispositivos empleados

2.2.1 Celda solar

Un panel solar (o módulo solar) es un dispositivo que aprovecha la energía de la radiación solar. El término comprende a los colectores solares utilizados para producir agua caliente (usualmente doméstica) mediante energía solar térmica y a los paneles fotovoltaicos utilizados para generar electricidad mediante energía solar fotovoltaica.

Figura No. 2.3 panel solar

Descripción de un panel

Los paneles fotovoltaicos: están formados por numerosas celdas que convierten la luz en electricidad. Las celdas a veces son llamadas células fotovoltaicas, del griego "fotos", luz. Estas celdas dependen del efecto fotovoltaico por el que la energía luminosa produce cargas positiva y negativa en dos semiconductores próximos de diferente tipo, produciendo así un campo eléctrico capaz de generar una corriente.

Silicio cristalino y arseniuro de galio son la elección típica de materiales para celdas solares. Los cristales de arseniuro de galio son creados especialmente para uso fotovoltaico, mientras que los cristales de silicio están disponibles en lingotes estándar más baratos producidos principalmente para el consumo de la industria microelectrónica. El silicio poli cristalino tiene una menor eficacia de conversión, pero también menor coste.

Cuando es expuesto a luz solar directa, una celda de silicio de 6 cm de diámetro puede producir una corriente de alrededor 0,5 amperios a 0,5voltios (equivalente a un promedio de 90 W/m², en un rango de usualmente 50-150 W/m², dependiendo

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del brillo solar y la eficacia de la celda). El arseniuro de galio es más eficaz que el silicio, pero también más costoso.

Las células de silicio más comúnmente empleadas en los paneles fotovoltaicos se pueden dividir en tres subcategorías:

Las células de silicio mono cristalino están constituidas por un único cristal de silicio. Este tipo de células presenta un color azul oscuro uniforme.

Las células de silicio poli cristalino (también llamado multicristalino) están constituidas por un conjunto de cristales de silicio, lo que explica que su rendimiento sea algo inferior al de las células mono cristalinas. Se caracterizan por un color azul más intenso.

Las células de silicio amorfo. Son menos eficientes que las células de silicio cristalino pero también menos costoso. Este tipo de células es, por ejemplo, el que se emplea en aplicaciones solares como relojes o calculadoras.

Las mono cristalinas se hacen a base de un solo cristal y nos permiten una mayor absorción de la radiación solar, mientras que las poli cristalinas se hacen a base de cristales fragmentados y nos permiten absorber a un nivel más bajo los rayos solares. Por otro lado tenemos las celdas amorfas.

La composición de las células amorfas Celdas solares amorfas, es comúnmente utilizada en los paneles solares pequeños, como en las calculadoras y lámparas de jardín, aunque cada vez son más usadas para paneles de mayor tamaño. Están conformadas de una película de Silicón depositada sobre otra lámina de materiales como el acero. El panel se forma de una sola pieza y las celdas individuales no son tan visibles como en otro tipo de paneles.

Principio de funcionamiento

Algunos de los fotones, que provienen de la radiación solar, impactan sobre la primera superficie del panel, penetrando en este y siendo absorbidos por materiales semiconductores, tales como el silicio o el arseniuro de galio.

Los electrones, partículas subatómicas atómicas que forman parte del exterior de los átomos, y que se alojan en orbitales de energía cuan tizada, son golpeados por los fotones (interaccionan) liberándose de los átomos a los que estaban originalmente confinados.

Esto les permite, posteriormente, circular a través del material y producir electricidad. Las cargas positivas complementarias que se crean en los átomos que pierden los electrones, (parecidas a burbujas de carga positiva) se denominan huecos y fluyen en el sentido opuesto al de los electrones, en el panel solar.

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Así como el flujo de electrones corresponde a cargas reales, es decir, cargas que están asociadas a desplazamiento real de masa, los huecos, en realidad, son cargas que se pueden considerar virtuales puesto que no implican desplazamiento de masa real.

Un conjunto de paneles solares transforman la energía solar (energía en forma de radiación y que depende de la frecuencia de los fotones) en una determinada cantidad de corriente continua, también denominada DC (acrónimo del inglés Direct Current y que corresponde a un tipo de corriente eléctrica que se describe como un movimiento de cargas en una dirección y un sólo sentido, a través de un circuito. Los electrones se mueven de los potenciales más bajos a los más altos).

La corriente continua se lleva a un circuito electrónico conversor (inversor) que transforma la corriente continua en corriente alterna, (AC) (tipo de corriente disponible en el suministro eléctrico de cualquier hogar) de 120 o 240 voltios.

La potencia de AC entra en el panel eléctrico de la casa.

La electricidad generada se distribuye, casi siempre, a la línea de distribución de los dispositivos de iluminación de la casa, ya que estos no consumen excesiva energía, y son los adecuados para que funcionen correctamente con la corriente generada por el panel.

La electricidad que no se usa se puede en rutar y usar en otras instalaciones.

Foto generación de portadores de carga

Cuando un fotón llega a una pieza de silicio, pueden ocurrir tres acontecimientos:

1. El fotón puede pasar a través del material de silicio sin producir ningún efecto; esto ocurre, generalmente, para fotones de baja energía.

2. Los fotones pueden ser reflejados al llegar a la superficie del panel, y son expulsados de este.

3. El fotón es absorbido por el silicio, en cuyo caso puede ocurrir:

Generar calor

Producir pares de electrones-huecos, si la energía del fotón incidente es más alta que la mínima necesaria para que los electrones liberados lleguen a la banda de conducción.

Nótese que si un fotón tiene un número entero de veces el salto de energía para que el electrón llegue a la banda de conducción, podría crear más de un único par electrón-hueco. No obstante, este efecto no es significativo, de manera usual, en las células solares. Este fenómeno, de múltiplos enteros, es explicable mediante la mecánica cuántica y la cuantización de la energía.

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Eficiencia

La eficiencia de una célula solar ( , "eta"), es el porcentaje de potencia convertida en energía eléctrica de la luz solar total absorbida por un panel, cuando una célula solar está conectada a un circuito eléctrico. Este término se calcula usando la relación del punto de potencia máxima, Pm, dividido entre la luz que llega a la celda, irradiación (E, en W/m²), bajo condiciones estándar (STC) y el área superficial de la célula solar (Ac en m²).

La STC especifica una temperatura de 25 °C y una irradiación de 1000 W/m² con una masa de aire espectral de 1,5 (AM 1,5). Esto corresponde a la irradiación y espectro de la luz solar incidente en un día claro sobre una superficie solar inclinada con respecto al sol con un ángulo de 41,81º sobre la horizontal.

Esta condición representa, aproximadamente, la posición del sol de mediodía en los equinoccios de primavera y otoño en los estados continentales de los EEUU con una superficie orientada directamente al sol. De esta manera, bajo estas condiciones una célula solar típica de 100 cm2, y de una eficiencia del 12%, aproximadamente, se espera que pueda llegar a producir una potencia de 1,2 volts.

Temperatura

Temperatura de Operación Nominal de la Célula, definida como la temperatura que alcanzan las células solares cuando se somete al módulo a una irradiación de 800 W/m2 con distribución espectral AM 1,5 G, la temperatura ambiente es de 20 °C y la velocidad del viento de 1 m/s.

2.2.2 Conceptos básicos del inversor

Un inversor es un convertidor estático de energía, que convierten la corriente continua DC en corriente alterna AC, permitiendo alimentar una carga en su salida de alterna, regulando la tensión y la frecuencia. Dicho de otro modo un inversor transfiere potencia desde una fuente de corriente continua a una carga de corriente alterna.

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Figura No. 2.4 inversor de voltaje

Los inversores de potencia son utilizados en:

• Automóviles

• Sistemas de alimentación ininterrumpida (UPS)

• Sistemas de corriente alterna que trabajan con la energía de una batería.

• Energías alternativas (energía solar o eólica).

*Conversión de DC a AC

Lo primero es entender la diferencia entre corriente alterna y corriente directa.

La corriente alterna cambia de manera cíclica su magnitud y dirección, es decir; se invierte la polaridad periódicamente en ciclos por segundo, llamados hercios (Hertz). Sin embargo, a pesar de este constante cambio de polaridad, la corriente siempre fluye del polo negativo al positivo.

La corriente continua, tiene como característica principal el desplazamiento de electrones de manera continua, tanto en su intensidad como en su dirección. La corriente fluye de mayor voltaje, a menor voltaje, manteniéndose siempre la misma polaridad.

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2.2.3 ACUMULADOR

Acumulador eléctrico o simplemente acumulador, al dispositivo que almacena energía eléctrica, usando procedimientos electroquímicos y que posteriormente la devuelve casi en su totalidad; este ciclo puede repetirse por un determinado número de veces. Se trata de un generador eléctrico secundario; es decir, un generador que no puede funcionar sin que se le haya suministrado electricidad previamente, mediante lo que se denomina proceso de carga.

Figura No. 2.5 acumulador o batería

Con el término pila, en español, se denomina a los generadores de electricidad basados en procesos químicos normalmente no reversibles, o acumuladores de energía eléctrica no recargables; mientras que batería se aplica generalmente a los dispositivos electroquímicos sami-reversibles, o acumuladores de energía eléctrica que sí se pueden recargar. Tanto pila como batería son términos provenientes de los primeros tiempos de la electricidad, en los que se juntaban varios elementos o celdas: en el primer, caso uno encima de otro, «apilados», y en el segundo, adosados lateralmente, «en batería», como se sigue haciendo actualmente, para aumentar así la magnitud de los fenómenos eléctricos y poder estudiarlos sistemáticamente.

De esta explicación se desprende que cualquiera de los dos nombres serviría para cualquier tipo, pero la costumbre ha fijado la distinción, y en ese sentido, el castellano tiene una cierta ventaja sobre el inglés, que para distinguirlas debe añadir recargables, en su caso.

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El término acumulador se aplica indistintamente a uno u otro tipo, así como a los condensadores eléctricos o a otros métodos de acumulación, siendo de este modo un término neutro capaz de englobar y describir a todos ellos.

Principios de funcionamiento

El principio de funcionamiento de un acumulador está basado esencialmente en un proceso químico reversible llamado reducción-oxidación (también conocida como redox), un proceso en el cual uno de los componentes se oxida (pierde electrones) y el otro se reduce (gana electrones); es decir, un proceso cuyos componentes no resulten consumidos ni se pierdan, sino que meramente cambian su estado de oxidación y, que a su vez pueden retornar a su estado original en las circunstancias adecuadas. Estas circunstancias son, en el caso de los acumuladores, el cierre del circuito externo, durante el proceso de descarga, y la aplicación de una corriente, igualmente externa, durante la carga.

Resulta que procesos de este tipo son bastante comunes en las relaciones entre los elementos químicos y la electricidad durante el proceso denominado electrólisis, y en los generadores voltaicos o pilas. Los investigadores del siglo XIX dedicaron numerosos esfuerzos a observar y a esclarecer este fenómeno, que recibió el nombre de polarización.

Un acumulador es, así, un dispositivo en el que la polarización se lleva a sus límites alcanzables, y consta, en general, de dos electrodos, del mismo o de distinto material, sumergidos en un electrolito.

2.3 Instalación del panel solar

En los tiempos actuales se vuelve importantísimo el hecho de poder contar con un panel solar con el cual aprovechar las radiaciones del sol y convertirlas en energía que podamos utilizar para hacer funcionar los diferentes artefactos de nuestro hogar. Los beneficios de esta decisión no solo se ven a largo plazo siendo que aportan mucho al cuidado del medioambiente y por lo tanto hace un futuro mejor para todos.

Los paneles solares no necesariamente deben instalarse en el techo de la casa, muchas veces es mejor colocarlos en otra área libre del jardín donde reciban una mayor cantidad de luz. Pero en caso de que no haya espacio en el techo.

Aunque las medidas del área a ocupar dependen mucho del tipo de panel solar que vayamos a elegir, lo que a su vez depende del uso que vayamos a darle.

Lo ideal sería contar con un espacio donde se reciba sol la mayor parte del día y así este pueda absorber la cantidad necesaria.

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Figura No.2.6 instalación de un panel solar

CAPITULO III. Desarrollo del sistema de control de un panel solar

3.1 concepto de sistema de control

El control automático ha desempeñado un papel vital en el avance de la ingeniería

y la ciencia. Además de su gran importancia en los sistemas de vehículos

espaciales, de guiado de misiles, robóticos y análogos, el control automático se ha

convertido en una parte muy importante e integral de los procesos modernos

industriales y de fabricación. Por ejemplo, el control automático es esencial en el

control numérico de las maquinas-herramientas de la industria de manufactura.

3.2 Descripción del Sistema de control de un panel solar

Se implementara un sistema de control para para el sistema de iluminación, de ventilación y de proyección, se utilizaran sensores para determinar en qué momento se ha desocupada el salón de clases para así apagar todos los equipos y así ahorrar energía.

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Los paneles solares serán ubicados en dirección al sol para obtener mayor energía solar y se podrá ubicar automáticamente durante el transcurso del día.

Se tendrá que recabar información sobre las características eléctricas de cada equipo para poder saber de qué capacidad tendrá que ser la batería y el panel solar para no tener problemas de falta de energía y también se buscara la manera de poner en funcionamiento una bomba para la extracción de agua potable de un pozo y poder contar con agua en la escuela (más información en anexo a).

3.2.1 Identificación del problema a resolver

El problema a resolver es la suministración de energía eléctrica con un sistema de control que se basa en energía solar que se obtendrá a través de paneles solares y esta energía será acumulada para su utilización en una escuela rural en la cual servirá para la alimentación de lámparas incandescentes, ventiladores, aula multimedia y cinco computadoras más para el mejor aprendizaje de los alumnos de tal escuela.

3.2.2 DISPOSITIVOS A ALIMENTAR

Lámparas incandescentes

Una lámpara incandescente, o lámpara de incandescencia es un dispositivo que produce luz mediante el calentamiento por efecto Joule de un filamento metálico, en la actualidad wolframio, hasta ponerlo al rojo blanco, mediante el paso de corriente eléctrica. Con la tecnología existente, actualmente se consideran poco eficientes ya que el 95% de la electricidad que consume la transforma en calor y solo el 5% restante en luz.

La lámpara incandescente es la de más bajo rendimiento luminoso de las lámparas utilizadas: de 12 a 18 lm/W (lúmenes por vatio de potencia) y la que menor vida útil o durabilidad tiene: unas 1000 horas, pero es la más difundida, por su bajo precio y el color cálido de su luz.

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Figura No. 2.1 lámpara incandescente

Ventiladores de techo

Ventilador de techo: son ventiladores verticales, sus aspas están en posición horizontal, y por lo tanto el aire va hacia abajo. Muy comunes, utilizados en habitaciones donde no hay espacio disponible en las paredes o el suelo, pueden ser muy peligrosos si no están correctamente fijados al techo.

Figura No. 2.2 ventilador de techo

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Figura No. 2.3 diagrama de conexión de un ventilador de techo

Datos básicos

Fuente de

energía:Eléctrico Tipo: Ventilador de ventilación

Instalación: Techo Material: Metal

Certificación: CE, RoHS Potencia (W): 80

Voltaje (V): 220 Marca: Oem, bab

Número de

Modelo:Cf-001005

Lugar del

origen:China (continente)

tamaño: 1400mm de frecuencia: 50hz

motor

eléctrico:240mm rpm: 280-300

del estator: 196x18mm de alambre: de aluminio

de peso: 4.92kg de color: blanco

Tabla No. 1.1 datos de operación de un ventilador de techo

Computadora de escritorio

Especificaciones técnicas eléctricas para instalar una computadora

¿Qué especificaciones técnicas debe tener la instalación donde se conectará una PC?

Para comprender mejor las especificaciones técnicas de la instalación eléctrica de la computadora es necesario comprender algunos detalles, pues es cierto que las

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PC tienen circuitos para distribuir la corriente en su interior, pero es deber del usuario implementar protección para las variaciones de voltaje del exterior.Generalmente, para controlarlas se utilizan reguladores o acondicionadores de voltaje que lo elevan o disminuyen para proporcionar a la computadora un rango de entre 110 y 115 voltios, óptimo para su funcionamiento.Dentro de una instalación puede incluirse un UPS (ininterrumpe power supply, fuentes de energía ininterrumpida)para proteger de manera general las computadoras de una descarga eléctrica o simplemente utilizar un NO-BREAK para los equipos individualmente.Tanto la conexión de las computadoras como la de los reguladores se compone de tres polos: fase, neutro y tierra.Asimismo, no se puede cambiar el enchufe sencillo (conector hembra) por uno de tres polos deliberadamente, ya que es necesario que el cableado de la instalación eléctrica tenga adecuado el polo tierra. También hay que revisar que la continuidad de corriente entre el polo tierra y el neutro sea nula, pues de no ser así, el polo tierra no estaría realizando ninguna función y afectará a la toma corriente.

Figura No. 2.4 computadora de escritorio

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3.2.1 materiales a ocupar para el diseño del sistema de control del panel solar

Una plaquita fenólica

1 resistencia de 12k Ω

3 resistencias de 220Ω

1 resistencia de 7,5K Ω

1 resistencia de 470 Ω

4 resistencias de 1k Ω

1 integrado LM339

1 integrado LM336-5V0

4 leds diferente color

1 Preset 2K

Figura No. 2.5 resistencias Figura No. 2.6 integrado LM339

Figura No. 2.7 integrado LM336 Figura No 2.8 leds emisores de luz

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3.3 diseño y construcción del prototipo para el control del panel solar

El diseño de nuestro circuito constara de:

Cinco diodos 1N4148 Un diodo zener de 10 volts a medio watt Un diodo zener de 12 volts a medio watt Una resistencia de 100kΩ Cuatro resistencias de 3.3 kΩ Tres resistencias de 10kΩ Dos transistores BC547 Un transistor BC557

Figura No. 3.1 diagrama de conexión del circuito de carga y descarga de la bateria

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CONCLUSIÓN

Los sistemas fotovoltaicos son muy importantes hoy en día por su productividad y por su aporte al cuidado del medio ambiente, en el primer capítulo de este proyecto se habla sobre que son los paneles solares y cuáles son los tipos de paneles que existen hoy en día en donde sabemos que un panel solar es un dispositivo que aprovecha la energía de la radiación solar para la producción de energía eléctrica mediante sus células fotovoltaicas que esta contiene para su aprovechamiento, existen tres tipos de paneles los cuales son: panel solar termodinámico, panel solar térmico y panel fotovoltaico de los cuales el ultimo es el más utilizado, el panel solar termodinámico es el más sugerido por su bajo costo y mayor productividad por su mejor calidad de la que están construidos y por las características que este contiene. El segundo capítulo nos presenta las características de los paneles solares y los dispositivos que serán utilizados para la conversión y acumulamiento de la energía recolectada por las células fotovoltaicas los cuales son el convertidor, el acumulador y la celda solar, el convertidor nos ayudara para la conversión de la corriente continua en corriente alterna que nos permitirá alimentar cargas a la salida y regulando la tensión y la frecuencia, el acumulador servirá para el acumulamiento de la energía recaudada por la celda solar y alimentar cargas por un periodo de tiempo. El capítulo tres se aplica sobre el problema a resolver donde nos enfocaremos a un sistema de control de la energía solar por medio de paneles solares mediante un circuito que nos indicara la carga y descarga del acumulador para saber el nivel de carga que tenemos y también sobre el diseño de nuestro circuito y los dispositivos a alimentar así como los materiales a ocupar, los sistemas fotovoltaicos son muy rentables por su ahorro de energía y su bajo costo en la adquisición de este y son muy utilizados en comunidades marginadas, es muy interesante la construcción de un sistema fotovoltaico.

CESAR IVÁN LÓPEZ LÓPEZ

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CONCLUSIÓN DEL PROYECTO

Una celda fotovoltaica o solar es un instrumento que genera electricidad

directamente a partir de la luz del sol, de la radiación solar. A fines de poder

generar energía útil, las celdas fotovoltaicas se deben encontrar interconectadas

formando entonces un panel solar. Las celdas solares cristalinas se interconectan

unas con otras para formar paneles solares. Cada celda solar produce un voltaje

individual de 0.5 a 0.6 volts, se requieren 36 celdas solares o celdas fotovoltaicas

para producir un circuito abierto de cera de 20 volts. Para poder generar energía

tenemos que tener un inversor es un convertidor estático de energía, que

convierten la corriente continua DC en corriente alterna AC, permitiendo alimentar

una carga en su salida de alterna, regulando la tensión y la frecuencia. Dicho de

otro modo un inversor transfiere potencia desde una fuente de corriente continua a

una carga de corriente alterna. Acumulador eléctrico o simplemente acumulador,

al dispositivo que almacena energía eléctrica, usando procedimientos

electroquímicos y que posteriormente la devuelve casi en su totalidad; este ciclo

puede repetirse por un determinado número de veces

El proyecto está relacionado en diseñar un sistema de control para

aprovechar la energía solar mediantes paneles solares y ayudar a la

sociedad en utilizar el recurso natural. Los paneles solares son un dispositivo

que aprovecha la energía de la radiación solar.

El proyecto está relacionado específicamente en generar energía mediante

paneles solares y poder ayudar a una escuela rural en donde no hay

energía eléctrica y no cuentas con equipos de cómputo para poder realizar

sus tareas. Nuestro propósito más importante es poder ayudar halos

estudiantes acercarse con la tecnología y tener una educación mejor y de

calidad llevándoles energía solar limpia y económica.

MENDOZA ZAVALETA IMER IVÁN

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CONCLUSIÓN

La realización del proyecto “Sistema de control de la energía solar a través

de paneles solares para suministrar energía eléctrica a la escuela rural 20

de noviembre”, mejoró la calidad de vida de estos individuos, así mismo, cuidando

al planeta ante la inminente catástrofe climático reduciendo la afectación en el

medio ambiente.

La temperatura de las células fotovoltaicas de los paneles solares, potencializa y

crea energía limpia, pura y renovable, sin daño al consumidor, cuidando de su

economía, satisfaciendo sus necesidades básicas, como lo es la energía eléctrica

que ofrece diversas bondades y desarrollo educativo y social.

ROBLES RAMÍREZ JOSÉ ABEL

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CONCLUSIÓN

Hoy en día los paneles solares o paneles fotovoltaicos son los dispositivos que han ido evolucionado, gracias que la humanidad innova nuevas tecnologías que no dañe al medio ambiente. Un panel no es un contaminante a gran escala como las grandes industrias que producen energía luminosa o energía eléctrica ya sea por quema de combustible o de carbón etc.

Los paneles solares son dispositivos que producen energía eléctrica, al interactuar la radiación solar con las células fotovoltaicas. Es conveniente destacar que para tener la mayor eficiencia del panel, se tendrá al medio día siempre y cuando este soleado, ya que en este punto la radiación solar llega directo al panel sin inclinación y no tiene tantas perdidas, aunque al sobre calentarse el panel su eficiencia disminuye ya que las células generan distorsión al momento de entrar en contacto las celdas con los fotones.

Las celdas solares generan alrededor de .5 a .6 volts, este voltaje es de forma directa la cual se puede usar de ese modo en algunos aparatos pero en algunos otros esto es imposible, de manera que se transforma de directa a alterna y esta energía transformada es más común en los hogares. La energía eléctrica es muy indispensable para todo el planeta entero por ello hay que saber administrarla y darle un mejor uso para así poder mantener un equilibrio entre la naturaleza y la humanidad.

CRUZ AQUINO ÁNGEL DE JESÚS

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BIBLIOGRAFÍA

1. ENERGIA OLAR FOVOLTAICA JOSE MOMPIN POBLET2¨ EDICION, ESPAÑA 1985

2. RADICION SOLAR SOBRE SUPERFICIE INCLINADOSF. RAMON, D TINAUT.CENTRO DE ESTUDIOS DE LA ENERGIA EN MADRID ( 1978 )

3. LA ELECTRICIDAD QUE VIENE DEL SOL UNA FUENTE DE ENERGIA LIMPIAARTURO MERALES ACEVEDOMEXICI, D.F, MARZO DE 1995

4. INGENERIA DE LA ENERGIA SOLARR.ALMAZAR Y F.MUÑOZCOLEGIO NACIONAL (1994)

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GLOSARIO DE TERMINOS

Energía renovable: Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene

De fuentes naturales virtualmente inagotables, unas por la inmensa cantidad de

energía que contienen, y otras porque son capaces de regenerarse por medios

naturales.

Panel solar: Los paneles solares convierten directamente la energía luminosa en

energía eléctrica.

Célula fotovoltaica: Es un dispositivo electrónico que permite transformar la

energía luminosa (Fotones) en energía eléctrica (electrones) mediante el

efecto fotoeléctrico.

Banco de baterías: Conjunto de baterías conectadas en serie y/o en paralelo

De características idénticas.

Batería o Acumulador: Es el dispositivo que permite el almacenamiento de

Energía eléctrica, mediante la transformación reversible de energía

Eléctrica en energía química.

Conversor de corriente continua: Dispositivo electrónico que convierte el nivel de

tensión de corriente continua de entrada en valores de voltaje menores, también

de tensión continua.

Corriente eléctrica: La corriente eléctrica es el flujo de carga eléctrica (electrones),

Normalmente a través de un conductor eléctrico. La intensidad de

Corriente se mide en Amperios (A).

Inversor: Dispositivo electrónico que convierte la corriente CC en corriente CA.

Lámparas: Componente de una luminaria que transforma energía eléctrica en

Energía lumínica.

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Regulador de carga: Dispositivo que interconecta el arreglo fotovoltaico, la batería

o banco de baterías, y los consumidores o cargas de un sistema fotovoltaico. Su

función principal es proteger la batería contra descargas profundas y sobrecargas.

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ANEXO A

ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN:

Comparada con otros países, existen relativamente pocos sistemas fotovoltaicos, SFV, en el Perú: Hasta 2005, en el Perú hay alrededor de 10000 SFC instalados, con una potencia total 1,5 MWp. 65 % de esta potencia corresponde a SFV para telecomunicaciones, 29 % para iluminación interna a casas, incluyendo postas de salud, salas comunales, etc., y el resto para otros usos (refrigeración, bombeo de agua, etc. /11/. Los principales proyectos de electrificación rural, están descritos a continuación. Hay que anotar que la mayoría de los SFD usados para electrificación rural son del tipo “sistema fotovoltaico domiciliario”, SFD (“solar home system”), con potencias típicas de 50 Wp, operando a 12 V DC junto con una batería de plomo acido de 100 – 150 Ah, un regulador de carga, y 2 – 4 lámparas fluorescentes de 9 – 11 W.

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS DOMICILIARIOS EN PUNO (DESDE 1986):

Un proyecto de la cooperación técnica alemana instaló en 1986 - 87 en el Departamento Puno 250 Sistemas Fotovoltaicos Domiciliarios (SFD), en un marco “pre - comercial “(subsidiados), siendo el primer proyecto de electrificación rural FV en el Perú. Posteriormente, en el marco de un segundo convenio Perú - Alemania (1991-96), que ha tenido como objetivo promocionar los SFD, en particular creando una infraestructura técnica y comercial en la región, se ha instalado más SFD, algunos como venta al contado y la mayor parte con fines sociales en colegios, salas comunales, postas médicas, etc. En total el proyecto ha instalado cerca de 500 SFD en la región. Parte del personal peruano que trabajó en el proyecto, ha formado en 1996 en Puno la empresa SOLSISTEMAS S.A., siguiendo así la misma actividad, pero ahora como empresa.

Figura No. 1.1 Sistemas fotovoltaicos

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SEGUIDORES SOLARES

El uso de seguidores a uno o dos ejes permite aumentar considerablemente la producción solar, en torno al 30% para los primeros y un 6% adicional para los segundos, en lugares de elevada radiación directa.

Los seguidores solares son bastante comunes en aplicaciones fotovoltaicas.Existen de varios tipos:

En dos ejes: la superficie se mantiene siempre perpendicular al Sol. En un eje polar: la superficie gira sobre un eje orientado al sur e inclinado

un ángulo igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol.

En un eje azimutal: la superficie gira sobre un eje vertical, el ángulo de la superficie es constante e igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano local que contiene al Sol.

En un eje horizontal: la superficie gira en un eje horizontal y orientado en dirección norte-sur. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol.

Figura No. 1.2 seguidores solares

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CABLEADO

Es el elemento que transporta la energía eléctrica desde su generación, para su posterior distribución y transporte. Su dimensionamiento viene determinado por el criterio más restrictivo entre la máxima caída de tensión admisible y la intensidad máxima admisible. Aumentar las secciones de conductor que se obtienen como resultado de los cálculos teóricos aporta ventajas añadidas como:

Líneas más descargadas, lo que prolonga la vida útil de los cables. Posibilidad de aumento de potencia de la planta sin cambiar el conductor. Mejor respuesta a posibles cortocircuitos. Mejora del performance ratio (PR) de la instalación.

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