Energíasolar. Rev02.2016/17

ENERGÍAS ALTERNATIVAS: ENERGÍA SOLARPARTE I Y II. REV 02 . 2016/17

FCO- VILLAFRANCA GRACIA

El calor solar fué considerado como “fuente de vida” por casi todas las civilizaciones antiguas.

Generación de la Energía SolarEl sol genera energía a partir de la transmutación de materia en el núcleo por la fusión de hidrogeno a helio, esto se da en reacciones nucleares, la cual se explica por medio del ciclo protón-protón, esta cadena tiene tres fases y su reacciones son las siguientes

1. 1H1+1H1 1H2 + 1e0, positrón (2 veces)2. 1H2+1H1 2He3+ γ (2 veces)3. 2He3 + 2He3 2He4+1H1+1H1

Los positrones durante el primer paso de la cadena protón- protón, chocan con electrones; tienen lugar una aniquilación y su energía se convierte en radiación γ.

27,6 MeV. Con 1gr de masa 55000 Kw.h (30.000 mil año)

ENERGÍA SOLAR

Generación de la Energía SolarFase 1-En esta fase, dos protones se combinan en un núcleo de deuterio (protón y neutrón), liberan un positrón y un neutrino poco energético.

ENERGÍA SOLAR

Generación de la Energía SolarFase 2-En esta fase, el deuterio se combina con un protón para formar helio 3 (dos protones y un neutrón), liberan radiación gammaFase 3-En esta fase, dos núcleos de helio 3 se combinan para formar un núcleo de helio 4, y liberan dos protones que vuelven a la cadena repitiendo la fase 1Entonces, en el interior del sol se desarrollan unas 1038 cadenas protón-protón por segundo, lo que equivale a 380.000 trillones de kW x s de liberación de energía.

ENERGÍA SOLAR

Generación de la Energía Solar

ENERGÍA SOLAR

Energía SolarReacción termonuclear; 4 gr de hidrógeno 3,97 gr de helio + Energía E= m . c , ondas electromagnéticas (fotones), 8 min los 150 millones de Km

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No se recibe toda la energía. Época del año La hora del día Estado de la atmosfera Nubes1m = 800 a 1200 W

4x 10 J/seg =

4 x 10 Kw

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2L = c T ; T= 1/fL, longitud de ondaT, periodoc , velocidad de la luz en el vacio.

La energía solar que llega a la tierra en menos de dos semanas, es equivalente a la reserva conocida de todos los combustibles fósiles.

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IES Barañáin. Dpto de Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyright 2016-17

Constante SolarLa radiación del Sol se reparte en una esfera hipotética. cuyo centro es el foco emisor (el Sol) y el radio crece a la misma velocidad que la propia radiación.La intensidad en dicha superficie será más pequeña cuanto mayor sea el radio de la misma. La radiación se debilita a medida que la distancia aumenta.La intensidad de esa radiación será I= P/S, siendo P la potencia que irradia el Sol, y S la superficie de una esfera de radio igual a 150 millones de Km.I = 4 x 10 26 / 4 π (1.5 x 10 11)2 = 1,4 Kw/ m2

Este valor coincide con el valor medido por los satélites artificiales en el espacio vacio justamente por encima de la atmósfera que rodea nuestro planeta. A este valor se le llama constante solar, que siendo más precisos es de 1353 W/ m2

ENERGÍA SOLAR

Efecto de la atmósferaLa atmósfera es un obstáculo para el paso de la radiación.• Reflexión en la parte superior de las nubes• Absorción por las moléculas del aire atmosférico• Al final, a la tierra nos llega aproximadamente • 1000 w/m2, que es la que nos interesa a efectos energéticos

ENERGÍA SOLAR

ENERGÍA SOLAR

Espectro

9IES Barañáin. Dpto de Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyright 2016-17

ENERGÍA SOLAR

Espectro


Energía Solar

L = c T ; T= 1/fL, longitud de ondaT, periodoc , velocidad de la luz en el vacio.

Longitud de onda (micras)

% energía total recibida

Naturalezade la radiación

0,25 a 0,4 1 a 3% Ultra violeta

0,4 a 0,75 40 a 42% Visible0,75 a 2,5 55 a 59 % Infrarrojo

Superposición de ondas, L= 0,25 a 4 micras

Onda electromagnética

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ENERGÍA SOLARAprovechamiento de la energía solar

Sistemas utilizados◦ Conversión en energía térmica

De baja y media temperatura Captadores o colectores planos, 60 a 80 ºC Colectores de concentración, 80 a 300 ºC

De alta temperatura Hornos solares Centrales solares

◦ Aprovechamiento pasivo◦ Instalaciones en viviendas

◦ Fotovoltaico Centrales solares fotovoltaicas Paneles solares en viviendas, Aplicaciones de juguetería, calculadoras, pequeñas

instalaciones de iluminación


ENERGÍA SOLARAprovechamiento de la

energía solarGeneralidades

◦Características de los cuerpos expuestos al Sol Un cuerpo en general absorbe y refleja las

radiaciones del Sol. Si un cuerpo es negro absorbe todas las radiaciones

y se calienta. Si un cuerpo es blanco refleja todas las radiaciones y

no experimenta variación de temperatura.• Índice de concentración

Área de captación del colector / Área de recepción del colector. En los colectores planos es 1 y en los de concentración mayor que 1, entre 2 y 1000.


ENERGÍA SOLARAprovechamiento de la

energía solarGeneralidades

Efecto invernadero

La energía solar entra en el invernadero en forma de onda corta

Parte de la energía solar se transforma en calor al incidir sobre superficies oscuras en el interior

Los objetos calentados emiten radiación infrarroja (onda más larga)que rebota contra el cristal y queda atrapada


ENERGÍA SOLARConversión térmica de baja temperatura, 1Colectores planos

Rayos de Sol

El efecto invernadero se produce cuando un material (por ejemplo el vidrio) es transparente a la radiación de onda corta del sol y opaco a la radiación de onda larga que emiten los cuerpos que están calientes.


ENERGÍA SOLARConversión térmica de baja temperatura, 2Partes de un colector plano

Una placa de cristal

Un absorbedor (radiador). Con anticongelante

Un aislante térmico (fibra de vidrio o de espuma de poliuretano

Una caja de chapa laminada


ENERGÍA SOLARConversión térmica de baja temperatura, 3Colector plano


ENERGÍA SOLARConversión térmica de baja temperatura, 4Instalación de baja

temperatura

Sistema por bomba Sistema por termosifón

Agua caliente

Agua caliente

Agua fria


ENERGÍA SOLARConversión térmica de baja temperatura, 5Instalaciones de baja

temperatura


ENERGÍA SOLARConversión térmica, de baja temperatura, 6Instalación de baja

temperatura

Con estas instalaciones se genera calor a baja temperatura, inferior a 100ºC. Se utilizan para la obtención de agua caliente sanitaria (duchas, cocina, etc.), calefacción y/o climatización de piscinas.

2,1 m. 200 litros5 personas.


ENERGÍA SOLARConversión térmica de media temperatura, 7Instalación de colectores

planos


ENERGÍA SOLARConversión térmica de media temperatura, 8Instalación de colectores

planos

Bomba

Agua fría

Agua caliente


ENERGÍA SOLARConversión térmica de media temperatura, 9Instalación de media

temperatura◦Colectores de concentración, i=

2 a 1000

Espejos

Eje focal (absorbedor) 200 a 300 ºC Mas de 300 ºC

Necesitan un control electrónico, para el seguimiento del Sol



temperatura◦Colectores de concentración



temperatura, resumen



temperatura◦Colectores de concentración


ENERGÍAS ALTERNATIVAS, ENERGÍA SOLARPARTE II

FCO- VILLAFRANCA GRACIA

El calor solar fué considerado como “fuente de vida” por casi todas las civilizaciones antiguas.

ENERGÍA SOLARConversión térmica de alta temperatura, 1Instalación de altas

temperatura◦Hornos solares, 6000 ºC

Se utilizan para fines experimentales Resistencias de materiales al calor Fusión de metales Lugares

Egipto, China, Francia, el mayor está en Francia (Odeillo) con 1 Mw y constituido con 63 heliostatos.

◦Centrales Solares DCS, (Distributed Collector System).

Concentradores parábolicos CRS, (Central Receiver System).

Heliostatos.29




Se utilizan para fines experimentales Resistencias de materiales al calor Fusión de metales

Lugares Egipto, China, Francia, el mayor

está en Francia (Odeillo) con 1 Mw y constituido con 63 heliostatos.




Horno solar del Centro de investigación de Odeillo (Francia). Pirineo oriental



temperatura◦Centrales solares, 400 ºC

DCS, concentradores cilíndricos parabólicos

Desierto de Mojave, (California)9 centrales híbridas con un total de 354 Mw




Central híbrida




CRS, centrales de torre.

Instalación de ensayos de Alburquerque (Nuevo México , 1977). 222 helióstatos de 42 m2, torre de 61 m de altura, 5 Mw.





Plataforma solar, Almería.





Sanlúcar la Mayor (Sevilla))320 Mw para 180.000 hogares, prevista para 2013.


ENERGÍA SOLARAprovechamiento pasivo, 1 La energía solar pasiva es el aprovechamiento de la energía solar de forma

directa, sin transformarla en otro tipo de energía para su utilización. Dicho de otro modo, es aquella que no requiere sistemas mecánicos ni aporte externo de energía, aunque puede ser complementada por ellos, por ejemplo para su regulación.

Sistemas utilizados◦Calentamiento de recintos Aislamiento del recinto Instalación de acumuladores Diseño y orientación

◦Conversión fotovoltaica Centrales solares fotovoltaicas Pequeñas instalaciones Viviendas Satélites


ENERGÍA SOLARAprovechamiento pasivo, 2

Calentamiento de recintos



Conversión fotovoltaica◦Efecto fotoeléctrico◦ Heinrich Hertz, alrededor de 1890, descubridor del efecto

fotoeléctrico. El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material al incidir sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general).

◦ Ver mas….

◦Introducción (semiconductores) Efecto fotovoltaico

◦ El efecto fotovoltaico (FV) es la base del proceso mediante el cual una célula FV convierte la luz solar en electricidad. La luz solar está compuesta por fotones, o partículas energéticas. Estos fotones son de diferentes energías, correspondientes a las diferentes longitudes de onda del espectro solar.


https://www.youtube.com/watch?v=yvod3JGb5zg

https://www.youtube.com/watch?v=gw3mJ_eyu9A

https://www.youtube.com/watch?v=UWI21DjZmWw

https://www.youtube.com/watch?v=eE_njrLfM9Q

https://www.youtube.com/watch?v=eE_njrLfM9Q


Conversión fotovoltaica◦Efecto fotovoltaico◦ Fué Edmond Becquerel el descubridor del llamado efecto

fotovoltaico en 1839, aunque este importante descubrimiento se mantuvo inexplorado en el olvido por los siguientes 75 años. A la edad de sólo 19 años Becquerel descubrió que algunos materiales generaban pequeñas cantidades de corriente eléctrica cuando se exponían a la luz.

Energía fotovoltaica… La energía solar fotovoltaica es la energía contenida en los fotones de la luz, transformada directamente en electricidad gracias a las células solares, que se fabrican con materiales semiconductores. Una célula fotovoltaica (o fotopila) es un dispositivo que transforma la energía luminosa en una corriente eléctrica.

La primera fotopila fue desarrollada en los Estados Unidos en 1954 por los investigadores de los laboratorios Bell, que descubrieron que la fotosensibilidad del silicio podía ser aumentada añadiendo “impurezas”, en una técnica denominada “dopado”, utilizada en todos los semiconductores. Pero, a pesar del interés de los científicos a lo largo de los años, las células salieron finalmente los laboratorios gracias a la carrera espacial. En efecto, las fotopilas representan la solución ideal para cubrir las necesidades de electricidad a bordo de los satélites, del mismo modo que en cualquier lugar aislado.



Conversión fotovoltaica◦Semiconductores, materiales que son

conductores de la corriente eléctrica en condiciones especiales

◦Intrínsecos◦Extrínsecos: material dopado con

otros átomos Tipo P, dopado con átomos trivalentes:

Al Tipo N, dopado con átomos

pentavalentes: P

◦Hacen posible el efecto fotovoltaico



Conversión fotovoltaica◦Semiconductores, Si o Ge (4 e

valencia) Intrínsecos (puros)

a 0º K

Enlaces covalentes o compartidos dos a dos

Es un material aislante El cristal estará formado

por átomos de Si, eléctricamente neutros

Si



Conversión fotovoltaica◦Semiconductores

Intrínsecos (puros) a 300º K, (T ambiente Se rompen enlaces y se crean

pares e- h+

El cristal estará formado por átomos de Si estables, y pares

e- h+ . Se creará una corriente interna dentro del conductor, debido a la generación térmica. Carga eléctrica del cristal

neutra Cristal eléctricamente neutro

a 300º K




Extrínsecos tipo P (con impurezas trivalentes, Al, B, In)Formación del cristal

Los átomos de Boro se unen con los de Si, robando un e- de un átomo cercano de Si. Se crean iones negativos por cada átomo de impureza. Son iones fijos que no intervienen en la conducción.

Pares e- h+, generación intrínseca Muchos huecos h+

h+, portadores mayoritarios e- , portadores minoritarios Átomos aceptadores, B (boro) Átomos de Si

h+ >>> e- Tipo P, eléctricamente neutro




Extrínsecos tipo N (con impurezas pentavalentes: P) Formación del cristal

Los átomos de Fósforo se unen con los de Si, y donan un e- al cristal

Se crean iones positivos por cada átomo de impureza. Son iones fijos que no intervienen en la conducción. En el cristal aparecen:

Pares e- h+, generación intrínseca Muchos electrones e-

h+, portadores minoritarios e- , portadores mayoritarios Átomos donadores, P (fósforo) Átomos de Si

h+ <<< e- Tipo N, eléctricamente neutro


ENERGÍA SOLARAprovechamiento pasivo, 10Conversión fotovoltaica

◦Semiconductores Uníon de cristales P y N

Iones de B (boro) aparecen +

Iones de P (fósforo) aparecen -

FormaciónZona de recombinación de e- y h+ en las proximidades de la uniónCreación de un campo eléctrico E, que impide la recombinación. Ya no pasarán e - a la zona N , ni h+ a la zona PSe crea una zona de agotamiento o de depresión

E



Conversión fotovoltaica◦Célula fotovoltaica.

Funcionamiento+ Iones fijos: 5 e de valencia, p.e P,

- Iones fijos: 3 e de valencia, p.e Al, In

+ huecos (impurezas y generación intrínseca)

- electrones (impurezas y generación intrínseca)

Campo eléctrico , creado por la recombinación en las proximidades de la unión P-N




Funcionamiento E fotón = h . f, h = cte de Planckh = frecuencia de la onda

E fotón > E enlace

E fotón = E cinética (h+ o e-) + E enlace




FuncionamientoLos fotones debilitan la zona de agotamientoFotón absorbido por un e en la zona N: este, adquiere energía, que favorecido por el campo eléctrico E , será expulsado del cristal por el terminal n. A su vez , se crea un hueco que atraviesa la zona de agotamiento, favorecido por el campo E y la energía absorbida del fotón, y es expulsado del cristal por el terminal p.La zona P se analiza de forma análoga.La expulsión del cristal de electrones y huecos encuentran un camino, que es el hilo conductor de la carga L. La circulación de electrones en un sentido o huecos en el otro hace que se cree la corriente eléctrica.Téngase en cuenta que será muy difícil que se rompan enlaces en los iones y en los átomos de silicio que forman la estructura estable del cristal.

n

p

L

E



Conversión fotovoltaica◦ Por otro lado y dando una explicación desde un punto de vista

cuántico, su funcionamiento se basa en la capacidad de transmitir la energía de los fotones de la radiación solar a los electrones de valencia de los materiales semiconductores, de manera que estos electrones rompen su enlace que anteriormente los tenía ligado a un átomo. Por cada enlace que se rompe queda un electrón y un hueco (falta de electrón en un enlace roto) para circular dentro del semiconductor. El movimiento de los electrones y huecos en sentidos opuestos (conseguido por la existencia de un campo eléctrico como veremos posteriormente) genera una corriente eléctrica en el semiconductor la cual puede circular por un circuito externo y liberar la energía cedida por los fotones para crear los pares electrón-hueco. El campo eléctrico necesario al que hacíamos referencia anteriormente, se consigue con la unión de dos semiconductores de diferente dopado, como vimos anteriormente: Un semiconductor tipo P (exceso de huecos) y otro tipo N (exceso de electrones). Que al unirlos crea el campo eléctrico E.



Conversión fotovoltaica◦Célula fotovoltaica

En la unión se crea un campo eléctrico, que hace que los e sean expulsados fuera del cristal cuando un fotón choca contra ellos, dicho e se recombinará con huecos del Si tipo P, estableciéndose una corriente eléctrica.



Conversión fotovoltaica Célula fotovoltaica. Características

◦ Tensión = 0.5 a 0.6 V si es Si. Tensión de barrera.◦ Intensidad= Depende de la carga, de la irradiación solar, superficie de

la celda y el valor de ri (resistencia interna).◦ Potencia en un instante dado será el producto de la tensión por la

corriente que circula por la carga en ese instante.◦ Existen formas circulares y cuadrangulares dependiendo del molde de

fabricación o de la sección del cristal.◦ Si queremos conseguir mas tensiones las conectaremos en serie y

formaremos paneles fotovoltaicos, dependiendo de la potencia a conseguir se harán conexiones en paralelo de los paneles fotovoltaicos.

◦ La zona del Si tipo P, es el terminal positivo y el semiconductor tipo N, negativo.

◦ Cuando aumenta la temperatura en la unión disminuye la tensión de barrera. La corriente en un semiconductor aumenta con la temperarura.



Conversión fotovoltaica◦Centrales solares



Conversión fotovoltaica◦Centrales solares, instalación



Conversión fotovoltaica◦Pequeñas instalaciones

Faros Teléfonos de carretera Alumbrado de pueblos que estén

fuera de la distribución eléctrica Camping Escaladores de montañas



Conversión fotovoltaica◦ Medianas instalaciones

Satélites




Viviendas


ENERGÍA SOLARSituación en España

La energía solar en España◦ Muchas posibilidades◦ Poco desarrollada◦ Colectores, células solares (individual)◦ Centro de experimentación en Tabernas

(Almería). Hay tres centrales y una planta de desalinización.

◦ En el 2007, PS10, 624 heliostatos, torre de 114 m, 11 Mw.

◦ Fotovoltaicas:◦ Puebla de Montalbán, 8000 m2, 1Mw (Toledo

PV).◦ Tudela , 402 seguidores, 12602 paneles,

1,2 Mw, 70.000 m2.

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ENERGÍA SOLARVentajas e

inconvenientesVentajas

◦ Energía limpia◦ “Gratuita”◦ Inagotable

Inconvenientes◦ Grandes extensiones de instalaciones◦ Irradiación no uniforme◦ Carestía respecto al rendimieto◦ Contaminación: producción y conservación

de los paneles fotovoltaicos◦ Problemas con las aves: reflejos de los

espejos o heliostatos y el impacto medio-ambiental.


ENERGÍA SOLAR

Actividades◦ Observación de una placa fotovoltaica◦ Nº de Células: Tensión de la célula:◦ Tensión en vacio de la placa:◦ Corriente en carga en carga de la placa:◦ Conexión de la placa a un receptor de radio o

motor Observar el funcionamiento en lugares con sombra y con sol. Anotar resultados y observaciones.


Energía SolarFin del tema

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