kit escolar – batería eléctricala distancia media entre el sol y la tierra es de 150 millones de...
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¡Un mundo lleno de posibilidades!¿Cómo se puede transformar la luz del sol en energía?
¿Qué condiciones se deben reunir para poderlo hacer?
Las distintas fuentes de luz
La conexión de células solares en serie y en paralelo
Oscurecimiento parcial de células solares por aplicación de filtros o por nubosidad
Qué influencia tiene la inclinación del tejado en el rendimiento
El kit escolar Batería eléctrica da respuesta a éstas y muchas más preguntas sobre el tema.
K i t e s c o l a r – B a t e r í a e l é c t r i c a
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Índice
Página Presentación
Índice 2
El kit de experimentación 3
Las experiencias 3
Accesorios necesarios 3
Presentación del producto 3
Presentación de la energía fotovoltaica
El sol como fuente de energía 4
La energía fotovoltaica 4
La tasa de rendimiento 5
Los distintos tipos de células solares 5
El precio 5
La fabricación de células solares 6
Transformación de la luz en corrient 6
Ejemplos de aplicación de la energía fotovoltaica 7
Explotación en paralelo a la red 7
Explotación aislada 7
Ejemplos de aplicación 8
Las experiencias
Observaciones para las experiencias 8
Las diversas fuentes de luz y sus efectos 9
Influencia de la cantidad de luz en la producción de células 10
Aumento de la corriente mediante conexión en serie 11
Aumento de la corriente mediante conexión en paralelo 12
Oscurecimiento parcial de células solares 12
Oscurecimiento de células solares en conexión en serie 13
Los filtros de luz 15
El ángulo de irradiación 17
Accesorios y productos relacionados 18
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B a t e r í a e l é c t r i c a
El kit de experimentación
Este kit ofrece la posibilidad de experimentar las técnicas y las propiedades relacionadas con las células solares. Espe-cialmente, se tratará de profundizar en la facultad de la célula solar de generar energía eléctrica.Las células solares, que son la base de todas nuestras experiencias, están compuestas de silicio monocristalino y son de alta calidad. Podremos realizar experiencias también sin rayos solares, es decir en el interior de un local, aunque debe existir un mínimo de luminosidad. Una lámpara de sobremesa podrá servir y presenta además la ventaja de dar una luminosidad constante. La solar no es constante por las existencia de más o menos nubes, lo cual puede producir una distorsión en las mediciones
Las experiencias
Después de una introducción general, experiencias simples os permitirán iniciaros en los pormenores de la técnica solar
Accesorios útiles: • Multímetro digitalLos resultados de las mediciones se pueden introducir en un protocolo de medición para poderlos analizar. • Foco de construcción • Espejo • Lámina de plástico o plancha de cartón para dar sombra a las células solares
Presentación del producto:
Casquillos para cargar la batería del coche y los LEDs en casa
Casquillos para cir-cular sin batería/conexión solar direc-ta
Casquillos Akku Interruptor para cambiar la fuente de alimentación
Casquillos para las distintas experiencias
Interruptor para comprobar la cargarojo = vacíoverde = lleno
Pila
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E l e k t r o - M o b i l i t ä tEl Sol: fuente de energía
El Sol representa una masa equivalente a 333.000 veces la masa de la Tierra. Es el mayor productor de energía del sistema solar. Con un diámetro de 1.392 millones de kilómetros, es más de cien veces mayor que nuestro planeta.La distancia media entre el Sol y la Tierra es de 150 millones de kilómetros. Los rayos del Sol nos llegan después de un viaje de 8 minutos, recorriendo en un segundo una distancia de 299.792,5 km.Si por ejemplo, si se envía la luz de xxxx a yyy con una distancia de 1.000 km. sólo necesita una fracción de segundo en llegar, concretamente 0,0035 segundos.
Desde un punto de vista técnico, el Sol no es más que una enorme masa gaseosa de un calor inaudito y muy explosivo. En el interior de esa bola se podrían registrar temperaturas que pueden alcanzar hasta 15 millones de grados. En su superfi-cie la temperatura se mantiene en 5.700 grados Celsius. Es difícil describir o imaginar la intensidad del calor del Sol. La tabla siguiente os permitirá haceros una idea aproximada:
50 -60 grados Celsius: el desierto durante el día 90 - 100 grados Celsius: la temperatura en una sauna 100 grados Celsius: el agua cuando bulle 3.000 grados Celsius: punto de fusión del metal 5.700 grados Celsius: superficie del Sol 14.000.000 grados Celsius: temperatura del interior del Sol
La temperatura y la presión en el interior del Sol son tan elevadas que pueden provocar reacciones nucleares. Estas reac-ciones producen un consumo de 4 millones de toneladas de materia cada segundo. Cada gramo de esta substancia que-mada produce una energía de 25.000.000 kWh
La energía solar
¡Una energía que el hombre debe utilizar en su propio provecho!
La energía fotovoltaica
El proceso de transformación de la luz solar en energía eléctrica recibe el nombre de fotovoltaica. Se trata de una pal-abra compuesta del griego “phos” que significa luz y de “voltio”, la unidad de energía eléctrica. La energía fotovoltaica fue descubierta en el año 1839 por el físico francés Becquerel, pero la primera célula solar no se desarrolló hasta más de cien años después, en 1954, en los laboratorios Bell.La energía solar es especialmente necesaria para la alimentación de los satélites. Al principio, contaban con baterías que eran muy grandes, pero terminaban agotándose con el paso del tiempo. Hoy en día, los satélites cuentan con una “vela solar” y con módulos solares que les pueden proporcionar energía de forma estable durante varios siglos. Trans-currieron 40 años más hasta que las células solares se pusieron a la venta también para particulares. A partir del cambio de siglo las instalaciones fotovoltaicas privadas han ido aumentando progresivamente.Los últimos 60 años, los científicos han estado trabajando para mejorar la eficiencia de las células solares, además de la de otras energías renovables. Pero en los últimos 20 años la inversión para la investigación y el desarrollo de células so-lares (así como de otras energías renovables) ha aumentado considerablemente, sobre todo con el objetivo de mejorar su tasa de rendimiento, además de abaratar el coste de su producción y mejorar su durabilidad. En el futuro, cada vez utilizaremos más energía procedente de fuentes renovables.
Tipo de desplazamiento Velocidad Duración del viaje
Cohete 4050km/h 4,2 años
Avión 900 km/h 19 años
Coche 130 km/h 132 años
Peatón 6 km/h 2854 años
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E l e k t r o - M o b i l i t ä tLa tasa de rendimientoLas medidas que determinan la tasa de rendimiento de una célula se realizan en el laboratorio observando una serie de normas. Durante la medición el flujo luminoso es de 1.000 watios/m2. Además se mantiene la célula a 25°C. La humedad también se controla permanentemente. La uniformidad de condiciones de medición para todos los fabricantes permite comparar rendimientos de las distintas células. La tasa de rendimiento es la relación entre la energía suministrada y la energía obtenida, en porcentaje.
Ejemplo: Si 1.000 watios de entrada producen 100 watios de salida, se obtiene una tasa de rendimiento del 10%
Desventajas de las células solares
Las células solares sólo suministran energía si reciben suficiente luz. Cuando el cielo está nublado, su rendimiento se ve considerablemente afectado y la cantidad de energía producida es mucho menor que cuando reciben luz solar directa. Por ese motivo, es importante poder acumular la energía solar, para poderla utilizar también por la noche o cuando el cielo está nublado. Las instalaciones solares de funcionamiento “en isla” o aisladas (como nuestro kit escolar – Batería eléctrica) están provistas una batería y un controlador de carga para poder obtener energía donde no hay conexión a la red eléctrica como, por ejemplo, en las montañas, en las autopistas, en zonas rurales o en los países en vías de desarrol-lo. Aunque este tipo de instalación no requiere acumular cantidades vastas de energía, se está trabajando mucho en mejorar la tecnología de almacenamiento de energía y ya existen proyectos para poder construir instalaciones en las que se pueda acumular grandes cantidades de energía renovable.La energía solar irá ganando terreno con el paso de los años y, combinada con otras fuentes de energía renovable, se podría cubrir toda la demanda energética de nuestro país e incluso en el resto del mundo y así mitigar los efectos del cambio climático. Cuando la luz solar no fuera suficiente, se podría compensar con energía eólica, hidráulica, geotérmi-ca, la energía marina o la biomasa. Mientras tanto, es importante que consumamos menos energía y lo hagamos de modo más ecológico. Es decir, que la consumamos sólo cuando verdaderamente sea necesaria y que compremos aparatos con certificado de eficiencia energética que consuman lo menos posible.
¿Es respetuosa con el medioambiente la fabricación de células solares?
Siempre que se produce alguna cosa, se utilizan materias primas y se consume energía, por lo tanto, desde el punto de vista de su proceso de fabricación, las células solares no serían respetuosas con el medio ambiente. Pueden existir dife-rencias entre los distintos fabricantes, por lo que el cliente siempre puede buscar unas células solares que se hayan pro-ducido de la forma más ecológica posible. Las células solares se pueden reciclar, pero para ello también es necesaria mucha energía.Es cierto que se puede reducir el consumo de energía del proceso de fabricación, como lo es que se está investigando en nuevos modos de producción que sean todavía más efectivos, pero aún así, se consumirá energía. Una célula solar tarda entre 3 y 5 años en generar la energía que se ha consumido para su fabricación.Esto supone una mejora respecto a las primeras células solares que salieron al mercado, que tardaban 10 años en recu-perar la energía consumida en su manufactura. Hay que recordar, que en la fabricación de un generador de energía que funciona con gasóleo también se consume energía y que debe seguir alimentándose con carburante para que produz-ca energía. En cambio, las células solares se colocan en el tejado y generarán energía siempre que haya sol. Y empe-zarán a producirla casi de inmediato.En comparación con otros aparatos para generar energía, las células solares son, por lo tanto, mucho más respetuosas con el medio ambiente, sobre todo comparadas con los aparatos que utilizan combustibles fósiles.Lo único que se necesita para que generen energía es que haga suficiente sol.
El precio
Desde el punto de vista de su precio, las células solares amorfas son las más económicas, aunque con el paso del tiem-po su rendimiento se ve considerablemente reducido. Las células solares poli y monocristalinas, en cambio, resultan más caras de entrada, pero gracias a que conservan su eficiencia durante muchos años, acaban saliendo más a cuenta.
Tipo Material Tasa de rendimientoCélula amorfa capa de silicio 4 - 8%
Célula policristalina discos de silicio 10 - 14%
Célula monocristalina discos de silicio 13 - 17%
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B a t e r í a e l é c t r i c a La fabricación de las células solares
La materia prima es la arena de silicio. Se empieza por liberarla de las impurezas antes de formar un bloque de silicio. En función del tipo de células que se quieran fabricar se aplican métodos de fabricación distintos.Para el caso de células monocristalinas se aplica el método de crisol de laminado. Un cristal de silicio es sumergido en si-licio caliente y líquido, produciéndose una combinación que se extrae del crisol para formar barras de silicio de una longi-tud de 1 metro por un diámetro de 12 cm.Para obtener las células policristalinas se llena un molde con silicio caliente que se va enfriando gradualmente. En este caso se obtienen igualmente barras de silicio.Ambos tipos de barra son cortados en finas lonchas de menos de 0,5 mm y cada una se aplana mediante decapado y pu-lido. A continuación cada cara es atacada (mediante picado) con diferentes átomos de impurezas. Al proceso se le deno-mina dopado.El efecto del dopado tiene la finalidad de que una cara adquiera la carga positiva y la otra la carga negativa.El dorso de la célula se recubre de una fina capa de aluminio que funcionará como polo positivo, la cara de la célula tam-bién se recubre de aluminio, pero no toda la superficie sino que sólo en una pequeña estrecha banda conductora permiti-endo que la luz «caiga» sobre el silicio. Finalmente se coloca una lámina para soldar para hacer de conector de polo positi-vo y de polo negativo.
Transformación de la luz en corriente
La luz está compuesta por una multitud de ínfimos portadores de energía, los fotones. Cuando los fotones alcanzan la cé-lula solar, liberan los electrones que hay en la capa «n». Estos electrones se propulsan hacia la capa «p». Es lo que se deno-mina conducción de corriente. Ésta se hace siempre de negativo a positivo. Si se conecta un receptor a la célula solar, el electrón atraviesa el receptor para poner en marcha el eje de un motor, por ejemplo.
Ejemplos de aplicación de la energía fotovoltaicaUna célula solar produce una tensión continua. En función de la calidad de la célula, esta tensión puede situarse entre 0,5 y 0,65 voltios. Actualmente hay dos instalaciones de referencia para la producción de corriente.
- explotación en paralelo a la red
- explotación aislada
banda conductora lámina para soldar
capa de aluminiodisco de silicio
capa «n» «-»
célula solar
capa «p» «+»
pistas conductoras
motor
Terminal para soldar
Incidencia de la luz
capa de aluminiocapa de silicio
cara n “-”
cara p “+”
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B a t e r í a e l é c t r i c aExplotación en paralelo a la redEstas instalaciones integran de alguna forma la corriente obtenida por la instalación fotovoltaica con la de la red pública. Estas instalaciones paralelas necesitan la utilización de módulos solares, de un punto de conexión a la red y de un con-mutador principal.
ondulador para la alimentación de la red transforma la corriente continua en corriente alterna y se integra así a la corrien-te de la red pública. Cuando la energía solar no es suficiente, por la noche o en tiempo nublado por ejemplo, el operador de la instalación se abre a la corriente de la red pública.
Explotación aislada
Estas explotaciones se utilizan donde no llega la red pública. Por ejemplo en el caso de caravanas, barcos o chalets de montaña. Para realizar este tipo de instalación, se necesitan módulos solares, regulador de carga y baterías.
módulo solarEl módulo solar está compuesto generalmente de 36 células conectadas en línea. La potencia de la célula está determi-nada por corriente global.El regulador de cargaEl regulador de carga impide que la batería sea sobrecargada por el módulo solar ya que una sobrecarga excesiva podría ser fatal para la batería. Cuando la batería está cargada, el regulador desconecta el módulo de la batería. Los reguladores más sofisticados están dotados de un dispositivo de protección de descarga profunda, de modo que asegura que las ba-terías no se descarguen por debajo de un punto de tensión predeterminado.El regulador de carga para los receptores automáticamente. Cuando la batería se recarga nuevamente, los receptores vuelven a funcionar. Si se utilizan reguladores de carga sin dispositivo de protección de carga profunda, hay el riesgo de tener cargas profundas reiteradamente lo cual reduce sensiblemente la duración de las baterías.La bateríaLa batería funciona únicamente como acumulador de la corriente obtenida por el módulo solar. Así durante el día se guarda energía que será utilizada en necesidades futuras, tanto de día como de noche.El onduladoEl ondulador transforma la tensión de la batería de 12 voltios de corriente continua a 230 voltios de corriente alterna. De este modo es posible conectar a la instalación solar aparatos usuales de 230 voltios como la televisión, bombillas, etc.
Con instalación solar
Ondulador para la alimentación de
la red
Red eléctrica pública
Sin instalación solar
Regula-dor
Batería de 12 Volt
Ondula-dor de corriente
Consumo 12V~
Consumo 12V -
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B a t e r í a e l é c t r i c aEjemplos de aplicación
Observaciones para las experiencias
Fuente de luz apropiadaSon particularmente apropiadas como fuentes de luz las lámparas de despacho con bombillas entre 60 y 80 watios. También van bien bombillas halógenas de 15 watios aunque su precio es relativamente elevado y hay que vigilar su temperatura, que puede llegar a ser muy alta.
¡PRECAUCIÓN: peligro de combustión!
Distancia de la fuente de luz a la célulaEn el caso de una bombilla de incandescencia de 60 - 80 watios se mantendrá una distancia de unos 20 cm a la célula solar. Si se utiliza una bombilla halógena de 15 watios, se recomienda una separación de 30 cm.
NOTA: si se mantiene de forma prolongada una distancia menor a las indicadas, la célula solar se puede estropear.
Cómo manipular las célulasLas células solares son elementos semiconductores de alta calidad pero muy frágiles, se han de manipular con cuidado.Se cuidará que las conexiones estén bien fijadas con los tornillos y tuercas ya que en caso contrario se producen pérdidas de potencia por resistencias de contacto. Se utilizarán unos alicates pequeños para apretar las tuercas
Medir con un multímetroEn la mayor parte de los casos se regulará el campo de medida como sigue:Corriente: 200 mA corriente continuaTensión: 2 voltios, tensión continua.Si los resultados sobrepasan las medidas determinadas, se pasará al campo de medida siguiente
Medir con el motorPara las medidas con el motor, se determina visualmente el número de rotaciones, repartidas en distintos sectores como se indica en el cuadro siguiente. Al objeto de facilitar la estimación del número de giros, se indicará para cada experiencia las abreviaciones de las rotaciones, que después se podrán trasladar y analizar en un cuadro de valores.
Estación de telecomunicaciones en Grecia Cuadro estándar modular con cuatro módulos de 55 W de Sie-
mens solar,
(Fotos Siemens Press)
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B a t e r í a e l é c t r i c a
Las diversas fuentes de luz y sus efectos
No todas las fuentes de luz van bien para la técnica solar. Una de las mejores es la solar. Pero en nuestra vida diaria dispo-nemos de otras fuentes con las que podemos experimentar.
Las mediciones con células solares pueden variar dependiendo de cuál sea la fuente de la luz. La mejor fuente de luz es el Sol. En los siguientes experimentos se puede utilizar una bombilla incandescente de 60-80 W como fuente de luz, o una bombilla halógena de 15 W.
Bombilla de incandes-cencia 60 - 80 watios Bombilla halógena 10 - 20 watios
Tubo fluorescente Sol
Fuente de luz Bombilla incandes
Bombilla halógena Fluorescente Sol
Tensión en V
Corriente en A
Producción en W (P = U x I)
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B a t e r í a e l é c t r i c a
Influencia de la cantidad de luz en la producción de las células
Cuanto más intensa es la luz sobre una célula, más corriente producirá. Se tratará de probarlo iluminando una célula por un lado con distintas fuentes de luz y por otro reflejando la luz sobre la célula
La intensidad luminosa es responsable de la producción de la célula. Una fuerte concentración de luz comporta una fuerte producción. Amenos luz, menor rendimiento de la célula.
Bombilla de incandes-cencia 60 - 80 watios2x Bombilla de incandes-
cencia 60 - 80 watios
Bombilla de incandes-cencia 60 - 80 watios + Espejo
Fuente de luz Bombilla incandes
2x Bombilla incandes
Tensión en V
Corriente en AProducción en W
(P = U x I)
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B a t e r í a e l é c t r i c a
Aumento de la tensión mediante conexión en serie
Para aumentar la tensión de una instalación solar es precioso conectar las células en serie. Esto es típico, por ejemplo en los módulos estándar, que generalmente están compuestos por 36 células con conexión en serie.
Para hacer una conexIón en serie se debe conectar el cable y la clavija de cortocircuito en los enchufes como se muestra en la imagen.
Si las células solares se conectan en serie, la tensión total aumenta.
La fórmula es: tensión de cada célula x número de células = tensión global.
Número de células 1 célula 2 células
Tensión (U) en V
Corriente (I)en A
Producción (P) en W (P=U x l)
Conexión en serie
Puentes Toma de las lecturas
Panel de 2V Panel de 2V
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B a t e r í a e l é c t r i c a
Aumento de la corriente mediante conexión en paralelo
Para aumentar la tensión de una instalación solar se deben conectar algunas células en paralelo. Para probarlo, establ-ecemos el siguiente cuadro de conexión.
Se ha de tener en cuenta que sólo se pueden conectar en paralelo células del mismo tipo.
Para la conexión en paralelo, el cable debe introducirse en las clavijas como se muestra.
Si las células solares se conectan en serie, la tensión total aumenta.La fórmula es: tensión de cada célula x número de células = tensión global.
Número de células 1 célula 2 células
Tensión (U) en V
Corriente (I)en A
Producción (P) en W (P=U x l)
Conexión en paraleloCable Toma de la lectura
Panel de 2V Panel de 2V
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Oscurecimiento parcial de células solares
Los oscurecimientos parciales comportan importantes pérdidas de rendimiento de las células. A continuación determi-naremos el porcentaje de reducción de rendimiento en relación al oscurecimiento.
Cuanto más se oscurece una célula, menos energía producirá. Es importante, pues, asegurarse de que los lugares en los que se instalan células solares estén libres de cualquier elemento que las pueda oscurecer.
Cubierto 0% Cubierto 25% Cubierto 50%
Cubierto 75% Cubierto 100%
Cartón de oscureci-miento
Cobertura en % 0% 25% 50% 75% 100%
Tensión (U) en V
Corriente (I) en A
Producción en W(P= U x I)
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Oscurecimiento de células solares en conexión en serie
.Oscurecimiento de células solares en conexión en serieUn oscurecimiento en el caso de células conectadas en serie comporta una parada completa del sistema, ya que las cé-lulas solares oscurecidas hacen las veces de resistencia. Basta con un sencillo experimento para demostrarlo:s.
Cuando una célula conectada en serie se oscurece, el conjunto de la producción cae a “cero”. Esto supone un riesgo es-pecialmente para los módulos completos, ya que suelen constar de 36 células solares conectadas en serie.
Células oscurecidas ninguna izquierda derecha ambas 100%
Tensión (U) en V
Corriente (I) en A
Producción en W(P= U x I)
Conexión en paralelo
Puentes Toma de la lectura
Panel de 2V Panel de 2V
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Oscurecimiento de células con conexión en paralelo Un oscurecimiento en el caso de células conectadas en serie comporta una pérdida de rendimiento, pero sin que se
pueda hablar de una parada completa del sistema. El siguiente experimento lo podrá demostrar:
Si en una conexión en paralelo se oscurece una célula, el conjunto del dispositivo se reducirá en la potencia de una cé-lula. Sólo cuando todas las células queden oscurecidas el rendimiento caerá a “cero”.
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Células oscurecidas ninguna izquierda derecha ambas 100%
Tensión (U) en V
Corriente (I) en A
Producción en W(P= U x I)
Conexión en paraleloCable Toma de la lectura
Panel de 2V Panel de 2V
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Filtro de luz
En la técnica solar, los filtros de luz están constituidos en primer lugar por la nubosidad, que puede ser ligera, mediana o abundante. Para observar sus efectos llevamos a cabo el siguiente experimento:
El filtro absorbe ciertos elementos del espectro de la luz, dependiendo del color de la lámina, por lo que las lecturas del rendimiento de las células también varían.
Lámina de color Célula solar
90°
Color de la lámina transparente amarillo verde rojo marrón
Tensión (U) en V
Corriente (I) en A
Rendimiento en W (P = U x I)
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El ángulo de irradiación
El ángulo de irradiación tiene efectos nada despreciables en el rendimiento de una célula solar. El experimento siguien-te demuestra la importancia del ángulo de irradiación solar sobre una célula..
El rendimiento máximo de una célula solar se obtiene con un ángulo de incidencia luminosa de 90*. Cuanto más se aleje de esta graduación el haz luminoso, más débil será su rendimiento.
Ángulo de incidencia 0° 15° 30°
Tensión (U) en V
Corriente (I) en A
Producción en W(P= U x I)
0° 15° 30°
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