Radiación solar en la Tierra

No toda la radiación proveniente del sol y del espacio exterior llega hasta la superficie terrestre de manera inalterada. De hecho menos de una tercera parte lo hace. En ello la atmósfera terrestre juega un papel fundamental, al funcionar como un filtro que tamiza buena parte de esa radiación e incluso como un escudo protector contra las radiaciones que resultan más peligrosas para los seres vivos.

Para entender la forma en que la atmósfera interactúa con la radiación exterior podemos establecer dos grandes aproximaciones. La primera y más simple considera las cantidades proporcionales de radiación que es reflejada, absorbida, y dispersada por la atmósfera, mientras que la segunda, más compleja, describe los cambios en la distribución espectral de la radiación solar provocados por los diferentes componentes de la atmósfera.

Sin embargo una comprensión más amplia de la incidencia de la radiación solar sobre la superficie terrestre implica considerar las variaciones en su intensidad debidas a la ubicación geográfica, la fecha y el momento del día. Incluso, desde un punto de vista arquitectónico, resulta importante comprender cómo la intensidad de la radiación solar sobre un plano (una cubierta, por ejemplo) dependerá en gran medida del ángulo entre dicho plano y la dirección de los rayos solares. En los siguientes párrafos trataremos de describir estos aspectos.

Balance térmico y cantidades proporcionales de radiación solar

En términos generales y en el largo plazo, el intercambio de energía entre el Sol y la Tierra presenta un estado de balance térmico, lo cual quiere decir que las cantidades globales de energía que ésta última recibe tienden a ser equivalentes a las que emite. Si ese balance térmico se rompiera, dando lugar a un desequilibrio prolongado, la Tierra se enfriaría o calentaría paulatinamente hasta volverse inhabitable (de hecho es lo que muchos científicos asumen que está sucediendo actualmente, aunque de manera relativamente moderada, dando lugar a fenómenos como el calentamiento global).

La parte superior de la atmósfera recibe una cantidad de energía solar equivalente a 1,367 W/m2, parámetro que se conoce como insolación o constante solar. Sin embargo, debido a que en un momento dado solo la mitad de la esfera terrestre se encuentra expuesta a la radiación solar, ese valor suele dividirse entre 4 para obtener una radiación incidente promedio de 342 W/m2. Esa energía se distribuye de la siguiente manera, también en valores promedio:

77 W/m2 (22%) es reflejada de nuevo al espacio por la atmósfera.

67 W/m2 (20%) es absorbida por la atmósfera.

198 W/m2 (58%) atraviesa la atmósfera y llega a la superficie terrestre, aproximadamente la mitad (29%) como radiación difusa (por efecto de la misma atmósfera) y la otra mitad (29%) como radiación directa (que atraviesa la atmósfera prácticamente sin interferencia).

Ahora bien, de los 198 W/m2 que llegan a la superficie terrestre, tanto en forma de radiación difusa como directa, 30 W/m2 (9%) son reflejados y 168 W/m2 (49%) son absorbidos por la misma. Con estos últimos datos podemos completar el balance térmico global, que se expresaría con la siguiente

ecuación:

342 W/m2 (radiación incidente) – 77 W/m2 (radiación reflejada por la atmósfera) – 67 W/m2 (radiación absorbida por la atmósfera) – 30 W/m2 (radiación reflejada por la superficie terrestre) – 168 W/m2 (radiación absorbida por la superficie terrestre) = 0

Como se ha mencionado, este planteamiento implica el manejo de promedios globales, lo cual representa una simplificación de los fenómenos involucrados. En realidad estos valores suelen presentar variaciones importantes. Por ejemplo, en las partes de la Tierra cuyo cielo se encuentra cubierto de nubes densas la reflexión hacia el espacio es mayor al 22%. Así mismo, la radiación reflejada por la superficie terrestre (sin contar los océanos) varía en gran medida dependiendo de sus características particulares: las superficies con vegetación profusa solo reflejan entre el 5% y el 10% de la radiación recibida, las superficies con pasto entre el 15% y el 25%, las zonas arenosas (como los desiertos) entre el 35% y el 45%, y las superficies cubiertas de nieve reciente hasta el 95%.

Existen otros fenómenos interesantes relacionados con el intercambio de energía radiante de la Tierra. Por ejemplo, las superficies construidas de las zonas urbanas también reflejan la radiación solar en diversas proporciones, aunque generalmente es más la radiación absorbida, lo cual da lugar a lo que se conoce como islas de calor. Por otro lado, la superficie terrestre tienden a reirradiar buena parte de su energía durante la noche, lo cual sucede de manera más eficiente cuando el cielo se encuentra despejado. Esa es la razón por la que en algunos lugares las madrugadas suelen ser más frías cuando el cielo se encuentra despejado.

Variación espectral de la radiación solar

Como se explica en el tópico Espectro de la radiación solar, la radiación electromagnética proveniente del sol se distribuye en un amplio rango de frecuencias. La radiación ultravioleta (UV) representa apenas un 8-9% del total de la energía contenida por la insolación. El rango visible representa el 46-47% del total de la energía recibida del sol. Casi la totalidad del restante 45% se encuentra en rangos cercanos al infrarrojo.

Sin embargo existen diferencias significativas entre la distribución espectral de la radiación que incide sobre la parte exterior de la atmósfera y la distribución espectral de la radiación que llega a la superficie terrestre. Esto es debido principalmente a que las moléculas de gas y las partículas suspendidas absorben una parte de la radiación y retienen una fracción de energía en forma de calor, provocando atenuaciones significativas en la intensidad de la radiación solar.

Los rayos X y otras radiaciones de onda muy corta del espectro solar son absorbidos en gran medida en la ionosfera por el nitrógeno, el oxígeno y otros componentes atmosféricos. La mayor parte de los rayos ultravioleta, por su parte, son absorbidos por el ozono. Para longitudes de onda superiores a 2,5 ?m se produce una fuerte absorción debida al dióxido de carbono y al agua presentes en la atmósfera, por lo que llega muy poca radiación de este tipo hasta la superficie terrestre. En lo que respecta a las aplicaciones terrestres de la energía solar, las radiaciones más importantes tienen longitudes de onda comprendidas entre 0,29 ?m y 2,5 ?m. Estas radiaciones también son las que más variaciones sufren debido a la difusión y la absorción.

Variaciones temporales (estacionales y diarias) de la radiación solar

Si la atmósfera juega un papel fundamental en la intensidad y composición de la radiación que llega

hasta nosotros, como se ha expresado, entonces debemos reconocer un simple hecho: mientras mayor sea la porción de atmósfera terrestre atravesada por los rayos solares antes de alcanzar la superficie terrestre, mayor será ese efecto. Esto se debe fundamentalmente a que una cantidad mayor de radiación solar será absorbida, dispersada y re-irradiada al espacio. Ahora bien, ¿cuándo y en qué forma varía la porción de atmósfera que deben atravesar los rayos solares? Para responder a esta pregunta podemos referirnos a dos conceptos básicos, las variaciones estacionales y las variaciones diarias.

Como se explica en el artículo Movimientos terrestres y variaciones temporales, la inclinación constante del eje norte-sur de la Tierra durante el movimiento de traslación que ésta hace alrededor del sol provoca que los rayos solares incidan con diferentes ángulos sobre un punto determinado de la superficie terrestre a lo largo del año. Dicho de otra manera, para un mismo sitio los recorridos aparentes del sol tendrán variaciones estacionales importantes durante el ciclo anual. Así, durante el mes de junio el hemisferio norte del planeta se inclina hacia el sol, con lo que no sólo se acerca él (lo cual en realidad tiene un efecto reducido), sino que recibe los rayos del sol en forma más directa, es decir, atravesando una porción menor de la atmósfera. Durante ese mismo mes, en el hemisferio sur sucede lo contrario: al “alejarse” del sol la radiación incide sobre la atmósfera con ángulos más bajos y por lo tanto atraviesan una mayor porción de ésta antes de llegar a la superficie.

En términos simples, esto explica las diferencias en las tasas de incidencia de la radiación solar que hacen que el hemisferio norte se encuentre en verano mientras que el hemisferio sur se encuentra en invierno. Obviamente en las latitudes elevadas, tanto hacia el norte como hacia el sur, este efecto se siente de manera más intensa, mientras que en la franja ecuatorial las variaciones anuales en la incidencia de la radiación solar no son tan importantes.

En los ciclos diarios generados por el movimiento de rotación que la tierra efectúa sobre su propio eje sucede un fenómeno similar. Durante el amanecer y el atardecer, en un punto determinado de la superficie terrestre los rayos solares inciden con ángulos muy bajos y atraviesan una porción mayor de la atmósfera. Nuevamente, esto provoca una disminución importante de la intensidad de la radiación solar, hasta el punto de que es posible ver directamente al sol. Justo hacia el mediodía sucede lo contrario: el sol se encuentra en su posición más elevada posible, de acuerdo a la latitud del sitio y la fecha del año, y atraviesa una porción menor de la atmósfera terrestre antes de incidir sobre ella. La radiación solar se intensifica entonces de manera importante.

Este fenómeno se relaciona estrechamente con las oscilaciones diarias de la temperatura, aunque estas no se corresponden exactamente con los momentos de máxima y mínima radiación, debido al efecto de masa térmica (acumulación de calor) de la superficie terrestre. Así, las temperaturas mínimas suelen darse hacia las 5:00-7:00 AM, justo antes de la salida del sol, mientras que las máximas se dan generalmente hacia las 2:00-4:00 PM.

Los índices de nubosidad también juegan un papel importante en la cantidad de radiación solar que llega a la tierra. Un cielo nublado reduce significativamente la radiación solar directa y, si bien al mismo tiempo puede incrementar ligeramente la difusa, el balance final es una reducción de la radiación global que llega hasta nosotros. Este fenómeno puede afectar las variaciones estacionales explicadas arriba, ya sea enfatizándolas o matizándolas, dependiendo de las temporadas en que se presenten mayores índices de nubosidad.

Nota: La radiación solar que llega directamente a la superficie terrestre se conoce como Radiación Solar Directa. La radiación que llega a la superficie terrestre después de que ha sido desviada y

rebotada se conoce como Radiación Solar Difusa. La suma del componente directo y el difuso, al incidir sobre una superficie horizontal, constituye la Radiación Solar Global Horizontal. Para saber más sobre estos conceptos se puede consultar el tópico Radiación solar.

Intensidad de la radiación solar sobre una superficie

Finalmente, existe otro fenómeno que afecta la intensidad de la radiación solar sobre un lugar determinado. También se relaciona con el ángulo de incidencia, pero en este caso no por la porción de atmósfera que los rayos solares deben atravesar, sino por la distribución de estos sobre las superficiesen las que se proyectan.

Para visualizar este fenómeno imaginemos la radiación solar como un paquete de rayos, los cuales debido al tamaño relativo del sol respecto a la tierra se pueden considerar paralelos y equidistantes entre sí. Cuando ese paquete de rayos incide sobre una superficie perpendicular a su dirección, su “densidad de incidencia” es la máxima posible (mayor número de rayos por unidad de área). Conforme el ángulo de incidencia de los rayos solares se reduce (menos de 90°), el mismo paquete de rayos se distribuye en una mayor superficie, es decir, disminuye la densidad de incidencia (menor número de rayos por unidad de superficie). Edward Mazria, en su obra El libro de la energía solar pasiva, ejemplifica esta situación mediante un haz de lápices que representa el paquete de rayos solares.

Esta variación de la intensidad de la radiación solar puede entenderse a gran escala, por ejemplo considerando la superficie terrestre de manera global, pero también puede considerarse en relación con superficies relativamente pequeñas, como los planos conformados por los cerramientos de los edificios. De especial interés resultan las cubiertas, que suelen ser las superficies más afectadas por la radiación solar. En algunos sistemas arquitectónicos de climas extremadamente cálidos y áridos, las cubiertas de tierra abovedadas han demostrado una cierta capacidad para disminuir el efecto de la radiación solar, entre otras cosas porque su geometría permite sacar provecho del fenómeno descrito líneas arriba.

Panel fotovoltaico

Una instalación de paneles solares en Canterbury (New Hampshire,Estados Unidos)

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 producenelectricidad 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).

Los paneles fotovoltaicos, en función del tipo de célula que los forman, se dividen en:

Cristalinas Monocristalinas: 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).

Policristalinas: cuando están formadas por pequeñas partículas cristalizadas. Amorfas: cuando el silicio no se ha cristalizado.

Su efectividad es mayor cuanto mayor son los cristales, pero también su peso, grosor y costo. El rendimiento de las primeras puede alcanzar el 20% mientras que el de las últimas puede no llegar al 10%, sin embargo su costo y peso es muy inferior.

El costo de los paneles fotovoltaicos se ha reducido de forma constante desde que se fabricaron las primeras células solares comerciales1 y su coste medio de generación eléctrica ya es competitivo con las fuentes de energía convencionales en un creciente número de regiones geográficas, alcanzando la paridad de red.2 3

¿Cuánta energía se puede sacar del viento? Límite de Betz

Publicado en: Análisis, Categorías, Renovables

 

9 enero 2010 20

Las leyes de la física, impide que se pueda extraer toda la potencia disponible en el viento a su paso por el rotor de un aerogenerador. El viento a su paso se frena,

saliendo del mismo con una velocidad menor que con la que ha entrado. En la práctica se aprovecha un 40% de la potencia eólica disponible.La máxima potencia eólica aprovechada la define el Límite de Betz…

La energía eólica es la energía cinética del viento.La potencia disponible del viento que pasa perpendicularmente a través de un área circular (la realizada por las palas del rotor, r) es:

Esta expresión nos indica que la potencia eólica disponible es proporcional a la densidad del aire, al área expuesta perpendicularmente al flujo de viento y al cubo de la velocidad del mismo.La potencia eólica disponible es la máxima potencia que podríamos extraer al viento si pudiésemos convertir toda su energía cinética en energía útil. El límite de Betz, lor rozamientos aerodinámicos y mecánicos, rendimientos del generador eléctrico, etc. sólo nos permitirán en la práctica, en el mejor de los casos, un 40% de la potencia eólica disponible.

La potencia eólica extraída o captada del viento por el rotor de la máquina se conoce como Potencia Eólica Aprovechada (Pa). El rendimiento de conversión se describe por un Coeficiente de Potencia (Cp) definido como la relación entre la potencia aprovechada y la disponible (Cp=Pa/Pd). Es la fracción de la energía cinética del viento convertida en energía cinética de rotación en el rotor del aerogenerador.

Existe un límite superior para la potencia eólica aprovechada, según el cual ningún aerogenerador puede extraer del viento una potencia superior a la fijada por este límite. Este es el definido por la Teoría de Betz y, aunque este teorema se demuestra para máquinas de eje horizontal (tipo hélice), sus conclusiones son aplicables a las de eje vertical. De hecho, el rendimiento de estas últimas se acostumbra a referir a la potencia máxima aprovechada dada por el límite de Betz.

Límite de Betz:Para calcular cuando tendremos máxima potencia mecánica, derivamos e igualamos a cero :

La máxima potencia ocurre cuando a = 1/3, por tanto :

Este valor, es el máximo valor de la potencia contenida en el tupo de corriente del aire que es capaz de extraer el rotor de una aeroturbina.

Una turbina eólica puede convertir en energía mecánica como máximo un 59,26 % de la energía cinética del viento que incide sobre ella.La teoría de Betz es una simplificación ya que no tiene presente algunos aspectos existentes en la práctica como resistencia aerodinámica de las palas, pérdida de energía por turbulencia de la estela, la compresibilidad del aire y la propia interferencia entre las palas.

Esta teoría es sólo una aproximación al problema de determinar la potencia que puede obtenerse de una eólica de eje horizontal, pero es útil para establecer un límite superior para el coeficiente de potencia Cp (rendimiento de conversión de potencia eólica-mecánica un aerogenerador).

Más info:(PDF) Principios de la Energía EólicaWikipedia

La potencia del viento depende principalmente de 3 factores: 

1. Área por donde pasa el viento (rotor)2. Densidad del aire3. Velocidad del viento

 Para calcular la formula de potencia del viento se debe considerar el flujo másico del viento que va dado por: 

Densidad del vientoÁrea por donde pasa el viento

Velocidad del viento Entonces el flujo masico viene dado por la siguiente expresión: 

 Entonces la potencia debido a la energía cinética esta dada por: 

Algunas consideraciones con respecto al vientoBack

 

Como   la  mayoría  de   las   personas   saben  el   viento  no   siempre   se  mantiene constante en dirección y valor de magnitud, es más bien una variable aleatoria, algunos modelos han determinado que el viento es una variable aleatoria con distribución weibull como la que muestra la siguiente figura

 

 

 

Dado que la energía del viento depende la velocidad del viento, ¿Cual seria la energía potencia  que entrega el viento?

 

Para calcular la potencia promedio que es aprovechada por el rotor debemos usar la llamada ley de Betz que es demostrada de la siguiente manera:

 

Supongamos que la velocidad a la que entra el viento al tubo de corriente es de valor V1 y a la velocidad que sale es de V2, podemos suponer que la velocidad a la que el viento entra al aerogenerador es de (V1+V2)/2.

 

 

El flujo másico que entra al rotor entonces tiene valor de:

 

Dado que en tubo de corriente se debe conservar la potencia, la potencia que entra a velocidad V1 tiene que ser igual a la suma de la potencia que sale a velocidad V2 y la que se va por el rotor.

Entonces la potencia que se va por el rotor es:

 

Protor=

Y remplazando la masa nos queda:

 

P = ( /4) (v12 - v22) (v1+v2) A

 

La potencia que lleva el viento antes de llegar al rotor viene dado por:

 

P0 = ( /2) v13 A

 

Ahora si la comparamos con la potencia que lleva el viento nos da la siguiente grafica:

 

 

 

 

 

Cuyo  máximo   viene   dado   por   0.59   aproximadamente,   es   decir   la  máxima potencia que se puede extraer del viento es de 0.59 veces esta potencia

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Comparación entre las potenciasBack

 

 

El grafico muestra las potencias del viento, la extraída por el rotor y la potencia transformada a electricidad.

La extraída por el  rotor esta  limitada por  la  ley de Betz y  la transformada a electricidad esta limitada por la eficiencia del generador.

Como   la   potencia   entregada   dada   por   el   generador   eólico   depende   de   la velocidad del viento la eficiencia va ha depender también de la velocidad del viento registrándose eficiencias máximas del orden de 44%

Hay que tener además bien en claro que para la lograr una eficiencia alta como la   que   sale   aquí   es   necesario  muchos   gastos   que   aumentarían   el   costo   de producir un Kw. mas, por lo tanto máxima eficiencia no implica menor costo de generación

Estos son todos los criterios que debes tener en cuenta al construir una casa bioclimática: Proyecto bioclimático. Insolación. Ventilación cruzada. Envolvente térmica. Protección solar. Ahorro y calidad del agua. Agua caliente con energía solar térmica. Iluminación natural. Energía fotovoltaica. Red de desagüe separativa. Selección de residuos. Materiales, electrodomésticos e instalaciones. Vegetación. Preinstalación domótica.

Para medir la radiación solar se utilizan radiómetros solares como los piranómetros o solarímetros y los pirheliómetros. Según sus características pueden servir para medir la radiación solar global (directa más difusa), la directa (procedente del rayo solar), la difusa, la neta y el brillo solar.

 

Leer más: http://www.monografias.com/trabajos75/importancia-medicion-radiacion-solar/importancia-medicion-radiacion-solar2.shtml#ixzz3jDKs9auV

SENSORES

Para obtener mediciones de alta precision, necesarias para los sistemas de búsqueda de futuros emplazamientos, es necesarioo que los sensores sean lo más precisos posible. Nosotros recomendamos, y por ello ofrecemos, sensores con calibraciones individuales y cladificados de acuerdo a estándares internacionales, incluyendo MEASNET. Una pequeña diferencia del 3% en la medida de la velocidad del viento y su valor real durante la fase del estudio del proyecto multiplica drásticamente la probabilidad de que el parque eólico instalado a posteriori tenga pérdidas de millones de euros. Para evaluar la rentabilidad de un parque eólico, los inversores y los bancos requieren sistemas de viento basados en datos de muy alta precisión.

La elección de un sistema de medida u otro depende de las necesidades específicas y de las condiciones regionales, climáticas y topográficas.

Con diferentes sensores se puede medir la velocidad del viento, la dirección, la presión del aire, las condiciones de humedad y temperatura, la cantidad de lluvia y la radiación solar global.

ANEMÓMETRO

Los anemómetros miden la componente horizontal de la velocidad del viento, que es un parámetro crucial para los sistemas de elección de emplazamiento. Los anemómetros de copa son el tipo de anemómetro estándar. Son robustos y resistentes a turbulencias creadas por la torre y las traversas. Cada anemómetro debe ser calibrado, y debe llevar consigo su certificado de calibración (Por ejemplo, MEASNET). Se requieren al menos tres anemómetros por mástil, y pueden ser equipados con o sin calefacción.

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ANEMÓMETRO ULTRASÓNICO

Los anemómetros ultrasónicos miden la componente horizontal de la velocidad y de la dirección del viento y la temperature virtual acústica. Sin embargo se requiere una connexion a la red eléctrica debido a su alto consumo. Actualmente no están acreditados por MEASNET. Su campo de aplicación se extiende desde monitorización de parques, colocado sobre turbinas de viento, o para proyectos off-shore. La mayoría están preparados para el uso de calefacción.

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ANEMÓMETRO DE HÉLICE

Los anemómetros de hélice miden la velocidad del viento en cualquier dirección (vertical y horizontal). Son económicos y consumen poca energía. Sin embargo son poco utilizados en las técnicas de medición para condiciones de viento normales y en cambio se utilizan más para realizar mediciones en condiciones de viento complejas. La información generada por los anemómetros de hélice son muy útiles cuando se lleva a cabo una clasificación de lugares con el fin de averiguar si se trata de un lugar IEC 1,2 o 3. Estos datos tambien son importantes para los fabricantes de turbinas; los que por ejemplo quieren saber cuando se rompen los engranajes debido a la componente vertical del viento. El anemómetro de hélice emite señal analógica.

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VELETAS

Las veletaas determinan la dirección del viento. La evaluacion de la dirección del viento permite determinar la mejor posición para las turbinas. Ammonit ofrece excelentes veletas con 1° de resolución y con un bajo consumo. Existen en el mercado veletas más económicas, que debido a su sistema electrónico limitado presentan un hueco de medida en la dirección norte, que es inaceptable para medidas de calidad. La mayoría de veletas están equipadas con opciones de calefacción controladas electrónicamente. Las veletas están disponibles con salida analogical o digital o a través de un potenciómetro.

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SENSORES DE HUMEDAD Y TEMPERATURA

Los sensores de temperatura miden la temperatura del aire, mientras que los sensores de humedad miden la humedad del aire. Para reducir costes, estos sensores se utilizan normalmente combinados. El cálculo de la humedad no influye directamente para el cálculo de un emplazamiento, pero ayuda a conocer las posibilidades de congelación y en la zona. El sensor de temperatura siempre debería situarse como mínimo a 10m del suelo, para evitar que la el calor radiado por la tierra influya en la medida.

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DefiniciónLas Celdas Fotovoltaicas, son sistemas fotovoltaicos que convierten directamente parte de la luz solar en electricidad. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico en su forma más simple, estos maetriales se compone de un ánodo y un cátodo recubierto de un material fotosensible. La luz que incide sobre el cátodo libera electrones que son atraídos hacia el ánodo, de carga positiva, originando un flujo de corriente proporcional a la intensidad de la radiación, que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad. Las celdas fotovoltaicas se fabrican principalmente de silicio (el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre). Actualmente, existen celdas fotovoltaicas, por ejemplo, en nuestras calculadoras solares así como en los cohetes espaciales.

Principio de Funcionamiento

La conversión directa de luz en electricidad a nivel atómico se llamageneración fotovoltaica. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico, que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando se captura a estos electrones libres emitidos, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como energía para alimentar circuitos. Las celdas fotovoltaicas, llamadas también celdas solares, están compuestas de la misma clase de materiales semiconductores que se usan en la industria microelectrónica, como por ejemplo el silicio.

 

Una delgada lámina semiconductora, especialmente tratada, forma un campo eléctrico, positivo en un lado y negativo en el otro. Cuando incide energía luminosa sobre ella, los electrones son golpeados y extraídos de los átomos del material semiconductor. Como se han dispuesto conductores eléctricos en forma de una rejilla que cubre ambas caras del semiconductor, los electrones circulan para formar una corriente eléctrica que aporta energía. Cuando la luz solar

pega en una celda sola resta puede ser : reflejada, absorvida o pasasr limpiamente a través de esta. No obstante, solo aquella luz absorvida es la que vá a generar electricidad. La energía de la luz es transferida a electrones en los átomos de la célda foto voltaica. Con su nueva energía , estos escapan de sus posiciones normales en los átomos del material semiconductor foto voltaico y se convierten en parte del flujo electrico.

 Esquema Electrico del Efecto Fotoelectrico

Para inducir el campo eléctrico construido dentro de una célula foto voltaica, se ponen dos capas de materiales semiconductores ligeramente distintas en contacto entre sí. La primera es una capa semiconductora del tipo n con abundancia de electrones con carga negativa. La otra capa semiconductora es del tipo con abundancia de "hoyos" que tienen una carga positiva. Aunque ambos materiales son eléctricamente neutros, la silicona del tipo n tiene electrones de sobra y la silicona del tipo p tiene a su vez agujeros de sobra. Colocando estos como sandwich se crea entonces un punto de salida p/n en su fase intermedia creandose entonces ahí y por esta razon un campo de fuerza electrico. Cuando n - y silicón del p-tipo entra en el contacto, los electrones del exceso mueven del lado del n-tipo al lado del p-tipo. El resultado es un aumento de cargo positivo a lo largo del lado del n-tipo de la interface y un aumento de cargo negativo a lo largo del lado del p-tipo.

 Juntura N - P en una celda solar o fotovoltaica

Debido al flujo de electrones y agujeros, los dos semiconductores se comportan como una batería, creando un campo eléctrico en la superficie dónde ellos se juntan en la union o juntura p/n. El campo electrico obliga a los electrones a trasladarse desde el semiconductor hacia la superficie negativa de donde quedan disponibles para ser ocupados por algun circuito electrico o acumulación. Al mismo tiempo los hoyos se mueven en direccion contraria hacia la superficie positiva donde se van a esperar a los electrones que vienen en direccion contraria.

Efecto de Absorción

 

Tipos

 Células de Silicio monocristalinas . Silicio dopado B

 Células de Silicio policristalinas

Células de Silicio amorfo (multicapas) poseen mayor capacidad absorción de luz, y su mucho más finas.

 Celda Multicapas

Otros TiposCélulas de sulfuro de Cadmio y sulfuro de Cobre (10%), Células bifaciales (30% rend.) Doble unión P-N, recoge radiación frontal y reflejada en el suelo. Silicio en cinta. Diselenuro de indio y cobre. Telurio de cadmio.

Construcción de las Células Solares

 

Debido a que una célula solar genera corrientes y tensiones pequeños, éstas no son los elementos que se utilizan en las aplicaciones prácticas, sino que, con objeto de lograr potencias mayores, se acoplan en serie o en paralelo para obtener mayores tensiones y corrientes formando lo que se denomina módulo fotovoltáico, que es el elemento que se comercializa. A la vez, estos módulos se conectan en serie o en paralelo para obtener las tensiones y corrientes que nos den la potencia deseada. Módulos en serie aumentan el voltaje y conservan la misma corriente, mientras que módulos en paralelo aumentan la corriente, conservando el mismo voltaje. Los módulos generalmente se fabrican para tener una salida de 12 VCD.

 

El proceso de fabricación de las células solares de silicio lo podemos dividir en tres grandes etapas:.a) Obtención del Si de alta pureza. Este se obtiene a partir del óxido de silicio, SiO2, básicamente cuarzo, cuya abundancia en la naturaleza elimina problemas de abastecimiento. Este tiene que ser de alta pureza, semejante al semiconductor que se utiliza en la industria electrónica. Actualmente se está trabajando con silicio de menor pureza, pero útil para la fabricación de células solares y a un menor costo..b) Obtención de obleas. Utilizando como materia prima polvo de silicio de alta pureza se hace crecer el monocristal hasta obtener una pieza cilíndrica de diámetro variable entre 2 y 20 cm y longitud de alrededor de 1 m. El crecimiento del monocristal sirve para purificar el material y para la creación de una estructura perfecta, gracias a la cual la futura oblea gozará de propiedades semiconductoras.La barra de silicio se corta mediante sierras especiales produciendo obleas de espesor aproximado de 300 µm. En esta etapa hay una pérdida de material de aproximadamente el 60% en forma de serrín. Actualmente existen otras formas más eficientes de cortado de la barra..c) Procesamiento de la oblea. Para obtener finalmente la célula solar, la oblea sufre un procesamiento que consiste de los siguientes pasos:

 lapeado y pulido, formación de unión p-n, decapado y limpieza, capa antirreflectante, fotoligrafía para formación de contactos, formación de contactos o electrodos, material para soldadura de electrodos, limpieza del decapante y comprobación de las características de la celda.

La formación de la unión p- n es la etapa más crítica de todo el proceso de fabricación, debido a que el buen funcionamiento de la célula solar depende en gran medida de una buena unión p-n. Por otro lado, una adecuada capa antirreflejante también es necesaria, ya que una superficie de Si bien pulida puede llegar a reflejar hasta el 34% de la radiación de onda larga y un 54% si la radiación es de onda corta.

 Horno de Fusión de Silicio

Sistema de AcondicionamientoEn la actualidad resulta imprescindible hacer una gestión correcta de la energía, intentando obtener el máximo rendimiento posible desde la generación hasta la carga, utilizando todos los recursos que se tienen al alcance. La finalidad de esta energía que obtenemos del sol es utilizarla de la manera más correcta, pero como se sabe es necesario convertir la energía que nos proporciona el sol, en este caso en forma de radiación electromagnética en electricidad. Las instalaciones fotovoltaicas requieren para su funcionamiento el acoplamiento de cuatro subsistemas principales los cuales sirven de acondicionamiento:

 Subsistema de captación: cuya finalidad es la captación de la energía solar.

 Subsistema de almacenamiento: cuya finalidad es adaptar en el tiempo la disponibilidad de energía  y   la demanda,  acumulándola  cuando está disponible,  para poderla  ofrecer  en cualquier momento en que se solicite, en baterias.

 Subsistema de regulación: cuya finalidad es proporcionar la regulación de carga y descarga de la batería y el control necesario en instalaciones fotovoltaicas.

 Subsistema de distribución y consumo: cuya finalidad es trasladar a los puntos de consumo la electricidad producida, adaptándola a las necesidades cuando sea necesario.

 

Un ejemplo de mayor uso de sistema de acondicionamiento es un convertidor que transforma la energía proveniente del sol en energía eléctrica en forma corriente continua. El objetivo del convertidor es adecuar los niveles de tensión y corriente proporcionados por el panel, a los niveles de tensión y corriente demandados. No se debes olvidar que el convertidor es un “intermediario” necesario de la energía, que permitirá hacer un uso correcto de la misma. Pero por su calidad de “intermediario” debe tener el mayor rendimiento posible ya que el objetivo es utilizar toda la energía que proporciona el panel.

 Circuito de acondicionamiento

Los convertidores de potencia se utilizan de manera genérica para adecuar el “tipo” de corriente que necesitamos, existen convertidores de alterna a continua, de continua a alterna, etc. Este circuito permite la unión entre dos corrientes continuas con niveles de tensión y corriente diferentes.

El Módulo Fotovoltaico.

  Aplicaciones fotovoltaicas en edificios.Lección Inaugural

          Para hacer posible su manejo práctico, los fabricantes presentan las células asociadas eléctricamente entre sí y encapsuladas en un bloque llamado panel o módulo fotovoltaico, que constituye el elemento básico para construir un generador fotovoltaico (fig. 4).

          El comportamiento eléctrico de un módulo fotovoltaico, es decir, su característica V-I, que es necesario conocer para la utilización de dicho módulo y el diseño de generadores fotovoltaicos, viene determinado por una serie de parámetros, obtenidos a partir de la información característica suministrada por el fabricante, habitualmente bajo unas condiciones estándares de medida, de uso universal, definidas en la tabla III.

Tabla III Condiciones Estándar de Medida de Características de Módulos Fotovoltaicos

Irradiancia 1000 W / m2

Distribución espectral AM 1,5

Incidencia Normal

Temperatura de la célula 25ºC

          En esas condiciones se miden, al menos, la potencia máxima que pueden entregar el módulo, PMAX, la corriente de cortocircuito, Isc, el voltaje de circuito abierto, Voc y el factor de forma, definido como

                    FF =  PMAX/ VOC.I SC                                       (2.1)

  Fig.4. Módulo fotovoltaico. Panel BP Solar BP585, 85.0  Wp.

         En la figura 5 se representa la característica V-I de un panel fotovoltaico, en el cual se reflejan los parámetros antes indicados.

         La caracterización de un módulo se completa con la Temperatura de Operación Nominal de la Célula, TONC, definida como la temperatura que alcanzan las células solares, cuando se somete al módulo a las condiciones de operación reflejadas en la tabla IV.

     Fig.5. Gráfica V-I de un panel fotovoltaico con parámetros característicos especificados para la curva

correspondiente a una irradiancia de 1000 W/m2 y en una temperatura de 25º.(Panel NT181EH de SHARP, de 57.2 Wp)

Tabla IV Condiciones Estándar de Medida de Características de Módulos Fotovoltaicos

Irradiancia 800 W/m

Distribución espectral AM 1,5

Incidencia Normal

Temperatura ambiente 20ºC

Velocidad del viento 1 m/s

          El conocimiento de los cuatro parámetros mencionados  PMAX, Isc, Voc y TONC es suficiente para conocer el comportamiento del panel en cualquier condición de operación definida por un valor de la irradiancia, G, y un valor de temperatura ambiente Ta.

          Para abordar este cálculo, un buen compromiso entre sencillez y exactitud lo podemos alcanzar con las siguientes simplificaciones [7]:

a) La corriente de cortocircuito de una célula solar depende exclusivamente de la irradiancia y de forma lineal. Es decir,

                    I SC(G) = C1G                               (2.2)

      donde C1 es una constante de valor:

                   C1 = ( I SC(100 mW/m2) ) / (100 mW/m2)                   (2.3)

       Esta hipótesis supone despreciar los efectos, sobre Isc, de la temperatura de la célula y de la  distribución espectral de la radiación. Todo ello supone un error inferior al 5 por cien en condiciones reales de operación.

b) El voltaje de circuito abierto de una célula depende exclusivamente de su temperatura,Tc, mediante la expresión:

                    dVOC/dTc = -2.3 mV/ºC                (2.4)

        Esta hipótesis supone despreciar los efectos de la iluminación sobre Voc, lo que en la práctica supone un error inferior al 1 por cien.

c) La temperatura de trabajo de las celular depende exclusivamente de la

irradiancia y de la temperatura ambiente mediante la expresión lineal:

                    Tc-Ta = C2G                                  (2.5)

       donde C2 es una constante de valor:

                    C2 = (TONC(ºC) - 20) / (80 mW/m2)              (2.6)

    El valor de TONC de los módulos existentes en el mercado actual oscila entre 42 y 46ºC, con lo que C2 varía entre 0.27 y  0.32ºC/(mW/m2). Cuando no se conoce el valor de TONC, una aproximación razonable es suponer C2 = 0.3 ºC/(mW/m2).

          En la tabla V se muestran los mejores resultados de eficiencia obtenidos en módulos fotovoltaicos con distintas tecnologías de células solares [6].

Tabla V Eficiencia de módulos terrestres bajo condiciones de radiación global AM1.5

TECNOLOGÍA EFIC.% A(cm2) Vcc(V) Isc(A) FF(%) DENOMINACIÓN

Si (monocristalino) 21.6 862 32.6 0.703 81.3 Si (policristalino)

Si (policristalino) 15.3 1017 14.6 1.36 78.6 Sandia/HEM, 24 cells

a-Si/a-SiGe/a-SiGe 10.2 903 2.32 6.47 61.2 USSC

Cuánta potencia desarrolla un

aerogenerador? (y II)

16 de septiembre de 2009 | 23:12 CET

Ignacio Munguía

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Segunda parte del post sobre la potencia de los aerogeneradores, aunque no cerramos aquí

el tema (nos queda hablar de diseño y rendimiento, como algunos de vosotros ya habéis

anticipado en los comentarios). En el post de hoy, aplicaremos la fórmula P = κ·ρ·r²·v³ y

compararemos con la situación real.

Para ello, analizaremos el gráfico que ilustra esta entrada. En el eje horizontal tenemos

la velocidad del aire medida en metros por segundo (para convertir a kilómetros por hora hay

que multiplicar por 3,6). El vertical es la potencia medida en kilowatios. Tenemos cuatro

curvas: la de color magenta representa la potencia disponible, es decir, la que está

“contenida en el aire”, la que obtendríamos si pudiéramos convertir el 100% en electricidad.

El sentido común nos dice que habrá pérdidas. De hecho, existe un máximo teórico,

representado en la curva amarilla: no es posible capturar más de 16/27 (59%) de la energía

cinética del viento. Este resultado se conoce como Ley de Betz, y protagonizará un post

próximamente en Genciencia. La pérdida se debe a que los aerogeneradores ralentizan el aire

que los barre, la ley de Betz cuantifica el efecto de esta ralentización.

Pero como os podéis imaginar, las máquinas reales difícilmente pueden alcanzar los máximos

teóricos de rendimiento. En la curva azul representamos un valor realista: 80% sobre el

máximo teórico establecido por Betz, lo que nos daría un factor κ = 0,75 según la fórmula que

vimos en el anterior post.

Y finalmente tenemos la curva de potencia real de un modelo comercial, representada en

morado. Y el comportamiento es muy diferente a lo que esperaríamos. Empieza por debajo de

la curva ‘realista’, aunque luego se pone a la par. Sin embargo en un momento dado comienza

de nuevo a bajar, y cuando la potencia llega a un megawatio, se estanca aunque la

velocidad siga aumentando.

Esto es lógico, es imposible diseñar un aparato capaz de desarrollar potencia infinita, y

debido a la dependencia cúbica, en cuanto la velocidad va aumentando las curvas teóricas

crecen de forma desbocada (como veis, se salen del gráfico). Por eso los aerogeneradores

tienen una potencia máxima denominada potencia nominal (en este caso, un megawatio). Se

llama velocidad nominala aquella a partir de la cual la potencia obtenida se estabiliza (en

este caso, 11,5 metros por segundo).

Esto tiene una consecuencia muy interesante, y es que no nos interesa instalar molinos

eólicos en un lugar donde haya ráfagas muy fuertes de viento, basta con que la velocidad sea

superior a la nominal. Lo verdaderamente interesante es que el viento sople de forma

constante durante todo el año. Normalmente, en una localización muy buena, un

aerogenerador no llega a funcionar a la potencia nominal ni la mitad del tiempo.

Pero hay algo mucho más sorprendente: a partir de cierta velocidad, ¡la potencia obtenida

pasa a ser cero! esta es la llamada velocidad de corte, y es la velocidad máxima a la que el

aerogenerador puede trabajar sin suponer un riesgo para su propia estructura (en nuestro

caso, 23 metros por segundo). Los aerogeneradores tienen mecanismos de control para

detenerse a ciertas velocidades. El siguiente vídeo muestra lo que pasa cuando el mecanismo

de control falla y el molino se desboca:

Nos queda otro fenómeno por explicar: ¿por qué la curva real está tan por debajo de la teórica

a bajas velocidades? Se debe a que los aerogeneradores tienen una velocidad

inicial mínima, necesaria para el arranque (en este ejemplo, 2,5 metros por segundo). Por

debajo, las aspas ni siquiera se mueven (¡no es fácil poner en marcha semejante estructura!).

Sin embargo los modelos teóricos consideran que el molino se mueve por muy ligero que sea

el viento.

Para los más curiosos, los datos proceden del modelo D62 de la compañía alemana DeWind,

un bicho que barre una circunferencia de 62 metros de diámetro y que pesa 65 toneladas…

sin contar la torre de soporte.

Más información | Fabricantes de aerogeneradores y características de sus

modelos (alcion.es)

En Genciencia | ¿Cuánta potencia desarolla un aerogenerador? (I)

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