investigación paneles fotovoltaicos
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Generalidades de un panel foto voltaico, funcionamiento, partes, y principios físicos que lo hacen funcionar.TRANSCRIPT
26-11-2015
Profesor: Carlos Díaz Gómez
Integrantes:
ARROYO MENDOZA CESAR ANTONIO
DEL RIO LARA RAFAEL ANGEL
GARCÍA ACEVEDO YANNI EVERARDO
GONZALEZ CRUZ JUAN CARLOS
NORAYA LIZBETH AVILES LARA
evaluador evaluados
CESAR
CARLOS
YANNI
LIZBETH
JORGE
RAFAEL
Profesor: Carlos Díaz Gómez
Integrantes:
ARROYO MENDOZA CESAR ANTONIO
DEL RIO LARA RAFAEL ANGEL
GARCÍA ACEVEDO YANNI EVERARDO
GONZALEZ CRUZ JUAN CARLOS
NORAYA LIZBETH AVILES LARA
INTRODUCCIÓN
La producción de energía es uno de los mayores problemas en la actualidad,
las principales fuentes de energía utilizadas en el planeta generan daños
irreversibles en el medio ambiente ya que generan residuos contaminantes
como producto de su uso.
Al ser dependientes de la energía, es necesario hacer consciencia sobre el
impacto ambiental que genera su producción y utilización. Es por esta razón
que el uso de energías renovables ha crecido en los últimos años, pues este
tipo de energías se obtienen de recursos inagotables.
Obtienen y producen energía gracias al sol. Los hay de dos tipos; los
calentadores solares, que aprovechan el calor generado por el sol, y los
paneles fotovoltaicos, que aprovechan la luz proveniente del sol para producir
energía eléctrica.
La gran ventaja de esta fuente energética es que utiliza como combustible la
luz proveniente del sol, el cual es considerado como un recurso inagotable. Por
lo que al utilizar un panel fotovoltaico como generador de energía nunca se
hablaría de escases de energía.
Sin embargo, aún faltan años de desarrollo para que los paneles fotovoltaicos
representen una fuente viable que sustituya al petróleo.
Los paneles fotovoltaicos son acomodos de células solares, las cuales son
capaces de convertir la energía luminosa del sol (fotones) en energía eléctrica.
Dependen del efecto fotovoltaico que consiste en un fenómeno físico que se
caracteriza por convertir la energía procedente de la luz solar en energía
eléctrica. Al dispositivo capaz de realizar esta conversión se denomina célula
solar.
Un conjunto de células solares interconectadas entre si se les conoce como
panel fotovoltaico, el cual será analizado en el presente reporte.
OBJETIVOS:
Objetivos generales:
Comprender el funcionamiento de los páneles fotovoltaicos y los principios
físicos involucrados.
Objetivos específicos
1. Comprender y explicar el funcionamiento de los paneles fotovoltaicos.
2. Comprender y explicar las partes de las celdas solares y paneles
fotovoltaicos.
3. Comprender y explicar los principios físicos involucrados en el
funcionamiento de una célula fotovoltaica.
METODOLOGÍA:
Etapa 1, semana 1
1) Teniendo conocimientos de la herramienta Excel se elaboró un cronograma en el cual se desarrolló un plan de trabajo sobre la investigación de los paneles fotovoltaicos.
2) Se discutieron los temas y las semanas en las que se desarrollarían dichas investigaciones, así mismo se acordaron las asesorías con el profesor.
3) El cronograma planteado (ilustración 1) se guardó y se envió al profesor.
Etapa 2, semana 2
1) 3 integrantes investigaron el tema 2: Importancia de los paneles fotovoltaicos.
2) De igual manera 3 integrantes más investigaron el tema 3: Tipos de paneles fotovoltaicos.
3) Al finalizar la semana el equipo se reunió para discutir sobre los 2 primeros temas y compartir las investigaciones, de igual manera se concentró la información en un solo archivo.
Etapa 3, semana 3 y semana 4
1) Se inició la investigación de: Las partes de los paneles fotovoltaicos (tema 4) en la semana 3 y término la investigación hasta la semana 4 tomando en
cuenta bibliografías de la biblioteca de la universidad politécnica del estado de Morelos.
2) Así mismo el equipo busco información en páginas de internet tales como: http://www.conacyt.mx/, http://vmwl1.iie.org.mx/IIE_site/inicio.html.
3) Iniciando la semana 4 se procedió a investigar el tema 5: Funcionamiento de los paneles fotovoltaicos.
4) Se tomó el manual: Laboratorio de energías renovables de MEDIATEC S.A de C.V. (Manual)
5) Se corroboro la información con el libro: Renewable Energy de Thomas Buhrke.
6) Se comenzó a realizar partes del reporte de la investigación.
Etapa 4, semana 5 y semana 6
1) En la semana 5 se continuó con la investigación del tema 4 y se organizó una asesoría con el profesor Carlos Díaz Gomez, sin embargo la asesoría no se pudo realizar debido a un retardo en la investigación del tema 5.
2) Se terminó la investigación del tema 4, tomando como referencia el libro ENERGIAS RENOVABLES del Centro de Investigaciones Eléctricas.
3) Con esta bibliografía se corroboraron todos los temas anteriores reforzando la información.
4) Al iniciar la semana 6 se comenzó a investigar el tema 8: Principios físicos de los paneles fotovoltaicos.
Etapa 5, semana 6, semana 7 y semana 8.
1) Se continuó con la investigación del tema 8 durante 3 semanas, ya que la investigación termino en la semana 8.
2) Posteriormente, en la semana 7, tres integrantes fueron a una asesoría con el profesor Carlos Díaz para revisión del reporte.
3) Así mismo Se inició con la maqueta de la representación de paneles fotovoltaicos
Etapa 6, semana 8 y semana 9
1) En la semana 8 se realizó una complementación y corrección de la información al igual que del reporte final.
2) Se comenzó a realizar el diseño y el armado de la presentación en Power Point con los aspectos importantes del proyecto.
3) Se terminó el reporte del proyecto final.4) Se calculó que para la semana 9 todo estaría listo.
Ilustración 1 Cronograma de trabajo para la investigación de paneles fotovoltaicos
IMPORTANCIA DE LOS PÁNELES FOTOVOLTAICOS.
“Un panel fotovoltaico es una placa formada por celdas o células, las cuales
contienen semiconductores que al ser iluminados por un haz de fotones son
capaces de producir una corriente continua de electricidad” (Barrera, 2010)
Un panel fotovoltaico en funcionamiento es capaz de generar electricidad
siempre que sea impactado por un haz de luz, deteniéndose únicamente
cuando la luz se extingue. Son una relativamente nueva forma de obtener
energía, esta nueva tecnología utiliza al sol (fotones) como combustible para
producir energía. (Barrera, 2010)
Debido a que el sol es un recurso inagotable, los paneles fotovoltaicos
presentan ciertas ventajas sobre otras fuentes de energía que predominan en
el planeta, por ejemplo las fósiles que representan un peligro para el medio
ambiente debido a sus peligrosas emisiones, y al ser una fuente limitada en el
planeta su costo tiende a crecer. Sin embargo los paneles presentan también
ciertos inconvenientes al ser utilizados, los pros y contras de los paneles se
presentan en la tabla 1. (Montes et al., 2002)
VENTAJAS DESVENTAJAS
Limpia Gran inversión inicial
Infinita Elevado costo de producción
Renovable No competitiva con otras fuentes de
energía
Silenciosa Ineficaz bajo ciertas condiciones
climatológicas
Tabla 1 Ventajas y desventajas al utilizar paneles fotovoltaicos
“La preocupación de la sociedad sobre la contaminación ha crecido en los
últimos años, es por ello que se espera un aumento considerable en el uso de
energías alternativas como la solar”. (Viloria,2010)
Si bien es complicado reemplazar al 100% el uso de energías contaminantes,
el utilizar fuentes de energías verdes reducirá en gran medida la cantidad de
contaminantes liberados al ambiente. (Montes et al.,2002)
CLASIFICACIÓN DE PANELES FOTOVOLTAICOS DE ACUERDO AL
SEMICONDUCTOR
Los paneles fotovoltaicos utilizan como elemento principal para su fabricación
al silicio. Este material semiconductor se puede encontrar en tres formas en
función de su estructura cristalina dentro de un panel fotovoltaico, se clasifican
en:
Monocristalino
Policristalino
Amorfo
El rendimiento energético varía entre los tres tipos de silicio, a mayor
rendimiento el costo de producción se eleva.
Los monocristalinos conforman a los paneles más eficientes (del 13% al 17 %),
debido a su complejo método de elaboración también son los más costosos
Los policristalinos ocupan el segundo lugar en cuanto a rendimiento (11% y el
15%) el modo de elaboración es más sencillo que el monocristalino por lo que
su costo se reduce, por otro lado necesita de un área mayor que el
monocristalino para funcionar.
Las celdas formadas por silicio tipo amorfo (silicio no cristalizado) son las
menos efectivas (6% al 9%) y por ende las más económicas pueden ser
flexibles, suelen tener un periodo de funcionamiento relativamente corto
comparado con las anteriores. (Montes et al, 2002)
COMPONENTES DE UN PANEL FOTOVOLTAICO
Un panel fotovoltaico está formado por un conjunto de células o celdas,
conectadas eléctricamente entre sí, encapsuladas y montadas sobre una
estructura o marco. (Barrera, 2010)
Las partes de una celda y del panel en general se enuncian a continuación.
Marco de aluminio: Debe proporcionar la rigidez necesaria para que el panel
se mantenga firme. Generalmente está formado por aluminio.
Cubierta de vidrio templado: Funciona como protección para las celdas
solares ante los fenómenos atmosféricos.
Cubierta anti reflejante: La capa anti reflejante debe posee un índice de
refracción tal que hace mínima las pérdidas de luz por reflexión
Diodo de protección: Componente eléctrico que permite el flujo de electricidad
en un solo sentido, protegiendo así al sistema eléctrico de cualquier descarga
en sentido contrario.
Componentes de una célula fotovoltaica
Silicio tipo N: Además del Silicio contiene un elemento con un mayor número
de electrones, por ejemplo Fósforo
Capa de unión: Se encuentra entre ambos tipos de silicio, evita que éstos se
toquen pero permite el paso de electrones
Silicio tipo P: Además del Silicio contiene un elemento con un menor número
de electrones, por ejemplo el Boro.
Contacto superior: Concentra el flujo de electrones en un área determinada,
en este caso se encuentra en la cara superior y está cargado negativamente.
Contacto inferior: Los electrones regresan por este punto, cumpliendo así un
circuito.
(Viloria, 2010)
La ilustración 2 muestra los componentes básicos de un panel fotovoltaico.
FUNCIONAMIENTO DE LOS PANELES FOTOVOLTAICOS
El semiconductor es el componente principal dentro de una celda solar que
permite la creación de una corriente eléctrica dentro del panel fotovoltaico.
(Montes et al, 2002)
Es por ello que para entender el funcionamiento de esta fuente de energía, es
necesario comprender el papel que desempeña el semiconductor.
Los materiales semiconductores son aquellos que se encuentran en una
clasificación intermedia entre los conductores y no conductores eléctricos.
(Barrera, 2010)
Ilustración 2 Componentes de una célula y panel fotovoltaico
Uno de los semiconductores más comunes y abundantes es el Silicio, el cual
es utilizado para la elaboración de células fotovoltaicas. Este elemento es uno
de los más abundantes sobre la tierra, lo cual favorece su obtención.
Los paneles fotovoltaicos están formados por celdas, estas son la unidad
funcional de un panel, el funcionamiento individual y colectivo de las celdas se
enuncia a continuación.
Dentro de una celda solar, Se encuentran dos capas de material semi
conductor (Silicio) colocadas una sobre la otra.
La capa superior, a la que se le llama sustrato N, se le insertan átomos de otro
elemento, lo que se le conoce como dopado del Silicio. Este sustrato contiene
un elemento con mayor número de electrones que el Silicio (por ejemplo el
Fósforo) lo que produce una región con carga negativa.
La capa inferior, conocida como sustrato P, se encuentra dopada con algún
elemento con menor número de electrones que el Silicio (por ejemplo el Boro)
lo que produce un región con carga positiva.
Gracias a este dopado se genera un extremo con un exceso de electrones y
otro con una cantidad menor de ellos. Dicha diferencia de electrones genera
una diferencia de potencial entre ambos sustratos.
Por lo que los electrones buscarán circular de la región negativa hacia la
positiva, generando así una corriente eléctrica directa (en una sola dirección).
El funcionamiento de una célula solar se explica por medio del efecto
fotoeléctrico, dicho fenómeno explica la separación de electrones en un átomo
debido a la radiación que actúa sobre él, en este caso por acción de los
fotones. (Vilora, 2010)
El sustrato tipo N es impactado por los fotones provenientes del sol,
obligándolo a romper sus enlaces y por ende a liberar electrones. Cuando un
electrón es arrancado de su átomo se generan espacios huecos, dichos huecos
se comportan como partículas de carga positiva y se acumulan en el extremo
inferior (región P) de la celda. Por otro lado los electrones previamente
liberados se acumulan en la superficie de la región N. Al completar el circuito
por medio de un conductor eléctrico entre las regiones N y P, los electrones
comienzan a desplazarse a través del conductor hacia la región P generando
así un flujo eléctrico.
Este ciclo de los electros se produce de manera permanente siempre y cuando
el panel fotovoltaico sea impactado por los fotones provenientes del sol, de ahí
la importancia de utilizar este tipo de tecnología para producir energía, la cual
no genera contaminantes. (Montes et al., 2002)
Los componentes básicos en una celula solar se muestran en la ilustración 3
Ilustración 2 Componentes de una célula solar
PRINCIPIOS FÍSICOS PRESENTES EN UN PANEL FOTOVOLTAICO
El panel fotovoltaico presenta ciertos fenómenos físicos, los cuales
corresponden principalmente a fenómenos eléctricos. Los principios físicos son:
EFECTO FOTOELECTRICO
Se conoce con el nombre de efecto fotoeléctrico a la emisión de electrones por
un metal al ser irradiado con radiación electromagnética
Un panel fotovoltaico es capaz de transformar energía luminosa en energía
eléctrica.
“Podemos pensar en la luz como energía radiante transportada por fotones y
transmitida en un campo ondulatorio” (Tippens, 2010)
La energía luminosa proveniente del sol se transporta en forma de fotones
“Los fotones son la partícula mínima de la energía luminosa” (Tipens, 2010)
La energía que produce un panel fotovoltaico se explica partiendo de la ley de
la conservación de la energía que dice que la energía no se crea ni se
destruye, solo se transforma.
Cuando llegan fotones provenientes del sol al panel fotovoltaico puede que
ocurra una de tres cosas:
Que sean reflejados por el materia
Que atraviesen el panel fotovoltaico.
Que sean absorbidos
En los dos primeros casos los fotones no contribuirán a la formación de energía
eléctrica.
Sin embargo, aquellos que sean absorbidos por la célula solar transformarán
su energía en una corriente eléctrica.
LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA:
Esta ley establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.
Los fotones obedecen a la ley de la conservación de la energía. Si bien los
fotones so producidos a millones de kilómetros de la tierra por el sol, estos no
se desintegran en su viaje a la tierra, son capaces de llegar a la superficie
terrestre conservando su energía y así ser aprovechados por los paneles
fotovoltaicos.
(Hewitt, 2007)
Cuando la luz incide en la frontera o límite entre dos medios como aire o vidrio
se pueden presentar tres fenómenos a continuación mencionados.
REFLEXIÓN:
Éste fenómeno se presenta cuando la luz impacta sobre una superficie y no
puede atravesarla. El ángulo en que es desviada es igual al ángulo de impacto
con la superficie. Los fotones que presentan este fenómeno no resultan útiles
en la producción de energía eléctrica, ya que no cuentan con la energía
necesaria para atravesar al semi conductor.
REFRACCIÓN:
“Cuando la luz logra atravesar una superficie sufre una desviación respecto al
ángulo con el que impacta.”
(Tippens, 2010)
La superficie de un panel fotovoltaico está formada por una película
transparente la cuál refracciona la luz (fotones) al atravesarla.
ABSORCIÓN:
El último fenómeno que puede experimentar la luz al incidir sobre una
superficie es la absorción.
La absorción sucede cuando la materia capta la radiación. En este caso las
células fotovoltaicas tienen la capacidad de absorber los fotones y utilizar su
energía para producir una corriente de electrones.
ELECTRICIDAD.
Las células solares producen muy poca energía se encuentran conectadas
dentro de un panel fotovoltaico en el fin de actuar como un conjunto y adquirir
ciertas características dependiendo del tipo de conexión. Pueden encontrarse
conectadas formando un circuito en serie o en paralelo.
Las características de ambos tipos de conexiones se presentan en la tabla 2.
Tabla 2 Diferencias entre conexión en serie y paralelo
CARACTERÍSTICAS SERIE PARALELO
VOLTAJE EL VOLTAJE TOTAL
ES IGUAL A LA SUMA
DE CADA CÉLULA
EL VOLTAJE TOTAL ES
EL MISMO AL DE UNA
ÚNICA CÉLULA
INTENSIDAD DE LA
CORRIENTE
LA CORRIENTE
TOTAL ES IGUAL A
LA DE UNA ÚNICA
CÉLULA
LA CORRIENTE TOTAL
ES IGUAL A LA SUMA
DE CADA CÉLULA
INTERRUPCIONES EL CIRCUITO SE
ABRE Y EL SISTEMA
DEJA DE
FUNCIONAR
ÚNICAMENTE DEJA DE
FUNCIONAR LA CELDA
DAÑADA
(Vilora, 2010) (Buffa et al, 2007)
Corriente eléctrica (A): La corriente eléctrica es el flujo de electrones a
través de un material en un tiempo determinado. La corriente eléctrica es
directamente proporcional a la carga e inversamente proporcional al
tiempo ( Tippens, 2011)
El flujo de electrones depende de la cantidad de fotones que la celda
solar es capaz de aprovechar, depende también de la eficiencia del
semiconductor (Silicio).
i=q / t
i= corriente eléctrica (Amperes)
q= carga (Coulomb)
t= tiempo (Segundos)
Voltaje (V):
El voltaje o potencial eléctrico es la diferencia de potencial eléctrico entre
los polos opuestos de una fuente de energía, en este caso el panel
fotovoltaico. Mientras exista una diferencia de potencial entre ambos
polos, los electrones seguirán moviéndose, es decir, existirá una
corriente eléctrica (Tippens, 2011)
En los paneles fotovoltaicos, los polos están conformados por el Silicio
dopado, dependiendo del elemento que se le añade al Silicio será el
polo (positivo o negativo)
V=i /P
V= Voltaje (V)
i= Intensidad de la corriente (A)
P= potencia (W)
Potencia (W):
Es la cantidad de energía que consume un dispositivo eléctrico por
unidad de tiempo. La potencia es directamente proporcional al voltaje (V)
y a la intensidad de la corriente (A) (Tippens, 2011)
La potencia que ofrecen las celdas solares de tamaño convencional
(10x10 cm) es de aproximadamente 1 o 2 watts, por lo que es necesario
conectarlas para poder aumentar la potencia
P=Vi
P= Potencia eléctrica (watts)
V= Voltaje (V)
i= Intensidad de la corriente (A)
CONCLUSIÓN:
Se concluyó que las células fotovoltaicas son impactadas por los fotones,
arrancando electrones de la región superior y generando una región cargada
con electrones (negativa) y la otra con los huecos (positiva). Al cerrar el circuito
entre ambas regiones se crea un circuito eléctrico que se detiene únicamente
cuando la luz (fotones) deja de impactar las células fotovoltaicas.
Se concluyó que el panel fotovoltaico funciona debido a un fenómeno físico
conocido como efecto fotoeléctrico. El cual justifica la emisión de electrones por
un metal al ser irradiado con radiación electromagnética. El semi conductor
libera electrones al ser impactado por las moléculas de fotones.
Se concluyó que aunque los fotones recorren grandes distancias, estos llegan
a la tierra con energía. La cual aprovecha la célula fotovoltaica para producir un
flujo de energía. La razón por la que el fotón llega con energía a la tierra se
explica con la ley de la conservación de la energía.
Se concluyó que algunas partículas de fotones que impacta sobre el panel
fotovoltaico son reflejadas con un ángulo igual al de impacto, este fenómeno es
conocido como reflexión y los fotones en este caso no pueden ser
aprovechados; otras partículas atraviesan el sistema, sufriendo una breve
variación del ángulo, este fenómeno es conocido como refracción; Por último
algunas partículas son absorbidas por el materia, fenómeno conocido como
absorción, este último fenómeno es el que permite funcionar un panel
fotovoltaico.
BIBLIOGRAFÍAS:
Montes, J., Durán, A., Suárez, C., Ribot, A., García, F., Fernández, J.,
…, Pano, G. (2002). Energía solar fotovoltaica. Ibergraphi. pp
Hewitt, P. G. (2007). Física conceptual. Décima edición. México:
PEARSON EDUCACIÓN.
Barrera, M. (2010) Energía solar: Electricidad fotovoltaica. Madrid:Líber
Factory
Tippens, P. E. (2011). Física, conceptos y aplicaciones. Séptima edición
revisada. México: McGraw-Hill: Interamericana editores.
Viloria, J. (2010) Instalaciones solares fotovoltaicas. Madrid: Paraninfo
WILSON, J., BUFA, A. J., & LOU, B. (2007). Física. Sexta edición.
México: PEARSON EDUCACIÓN.