IDEA (c) 2005 - Curso de Energía Solar Fotovoltaica -

IDEA (c) 2005 - Curso de Energa Solar Fotovoltaica Web desarrollada como proyecto final de carrera por: Lorenzo Rodrguez de Luis La direccin del proyecto ha estado a cargo de: D. Pedro Perez Higueras y D. Juan Domingo Aguilar Pea Jan, 17 de Mayo de 2008 - TOP 50 de Energa - 2004 GRUPO IDEA - I+D en Energa Solar y Automtica -

Solar - (Espaa)

HOME PRESENTACIN INTRODUCCIN RADIACIN SOLAR CLULA SOLAR COMPONENTES S.F. TIPOS DE S.F. DIMENSIONADO S.F. MODELOS DE S.F. LEC. MAJISTRALES ZONA PRCTICAS ZONA ENLACES ZONA DESCARGAS MAPA WEB

PRESENTACIN

1/45 [INICIAR CURSOLAR]WEB CURSOLAR, es un conjunto de documentos web clasificados en tres niveles bsico, intermedio y avanzado donde se encuentra informacin relativa a la energa solar fotovoltaica. Pretende ser una aproximacin a un curso a travs de internet sobre esta fuente de energa renovable. El contenido del curso comienza con el nivel bsico para posteriormente ir creciendo en

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IDEA (c) 2005 - Curso de Energa Solar Fotovoltaica -

el resto de los niveles. Se ha buscado, en cuanto a diseo, un entorno agradable y de fcil navegabilidad con animaciones realizadas en Flash y pequeos programas en applet java y java script para explicar algunos conceptos. Este proyecto se enmarca dentro de la lnea de trabajo del Grupo IDEA en el estudio de las posibilidades que ofrece Internet al conocimiento de la Energa Solar Fotovoltaica. Este curso va dirigido a toda aquellahttp://www.ujaen.es/investiga/solar/07cursosolar/index.htm (2 de 3)17/05/2008 13:28:04

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persona que quiera tener contacto con este tipo de fuente de energa.GRUPO IDEA 2004 I+D en Energa Solar y Automtica. Para una correcta visualizacin se recomienda tener instalado: a una resolucin mnima de 1024x768.

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Curso de Energa Solar Fotovoltaica

INTRODUCCIN

2/45 Desde los inicios de la existencia del hombre, sudesarrollo ha estado determinado en gran medida por la utilizacin de las diferentes formas de energa segn las necesidades y disponibilidades de cada momento y lugar. Ya en los inicios las energas renovables eran utilizadas en forma de biomasa, viento, agua y sol, por lo que deben ser consideradas coma la base energtica del desarrollo humano. Sin embargo, con la aparicin de los recursos energticos fsiles el uso de la energa se convirti en algo muy fcil, ms eficiente y barato. Esto ha ocasionado un consumo indiscriminado de este tipo de energa hasta limites insostenibles que han ocasionado que todos los pases ms o menos desarrollados, realicen continuos esfuerzos en un intento de mejorar la eficiencia de la utilizacin de la energa y, en definitiva, reducir el consumo de recursos fsiles."Toda la energa viene del Sol; el carbn, el petrleo, son energas solares almacenadas... El ideal sera aprovechar directamente esa energa, y ya se habla en ese sentido de utilizar los desiertos africanos, en los que, utilizada en una millonsima parte, podra surtir de energa a todo el mundo y transformar la faz de la tierra. ...en este aspecto el Sol es en Espaa una riqueza que envidian muchos pases del norte, y no la utilizamos. Al contrario, lo que poda ser una bendicin, se convierte en una devastacin catastrfica... una energa que producir mas riqueza y tendr un valor ms efectivo que las conquistas de los Reyes Catlicos, de Carlos V y de Felipe II. En lugar de un imperio territorial, donde no se pona el Sol, Espaa puede ser el primer imperio de la nueva era social..." La conquista de la energa.

Secadero en la antigedad

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Diego Abad de Santillana, 1938

En la actualidad las energas renovables se sitan enuna posicin adecuada al lado de las energas fsiles, para hacer frente a la demanda creciente y sin perjuicioEvolucin histrica de la energa solar fotovoltaica

desde el punto de vista econmico. Adems, las energas renovables pueden poco a poco jugar un papel de sustitucin dado que no solo el agotamiento de los recursos fsiles sino tambin problemas medio ambientales actan en contra de este tipo de energas y a favor de las renovables. Hoy en da las energas renovables suponen el 6,5% del consumo de energa primaria en espaa

Dentro de las

Renovables,

la Energa Solar

Fotovoltaica es, hoy en da y sin lugar a dudas, una forma limpia y fiable de produccin de energa elctrica a pequea escala.

Podemos definirla como la tecnologa utilizada para elaprovechamiento elctrico de la energa solar que se deriva de las clulas fotovoltaicas. Mediante las clulas, la radiacin se transforma directamente en electricidad aprovechando las propiedades de los materialesVer consumo de energa en Espaa

semiconductores. Ventajas: - La energa que procede del sol es limpia y renovable, no cuesta dinero. - Disminucin de la dependencia energtica con el exterior. - Evita el despoblamiento progresivo de determinadas zonas. - Disminuye costes de mantenimiento de las lneas elctricas, sobre todo en zonas aisladas. - Instalacin fcilmente modulable, se puede aumentar



o reducir la potencia instalada fcilmente segn las necesidades. - Mantenimiento y riesgo de avera muy bajo de las instalaciones fotovoltaicas, silenciosas y sencillas. - Energa descentralizada que puede ser captada yRefinera

utilizada en todo el territorio. - En el caso de las instalaciones conectadas a la red, existen subvenciones y primas por producir electricidad. - Tecnologa de rpido desarrollo que tiende a reducir el costes y aumentar el rendimiento.

Si la mayora de los sistemas fotovoltaicos existenteshasta la fecha han sido diseados y construidos para su uso en aplicaciones remotas de muy poca potencia. La razn fundamental, hasta la actualidad, que ha impedido una mayor diseminacin de esta tecnologa ha sido bsicamente econmica: el mayor coste del Kwh producido, en comparacin con el obtenido a partir de otras tecnologas ms convencionales: petrleo, carbn, nuclear, etc.

No obstante, la creciente madurez tecnolgica yabaratamiento de produccin de mdulos, desarrollo de sistemas de acondicionamiento de potencia ms potentes, una mayor eficiencia y fiabilidad, en conjuncin con la realizacin de proyectos piloto, sostenidos por programas nacionales e internacionalesGenerador Fotovoltaico

de financiacin y/o subvencin parcial, permiten la instalacin de sistemas cada vez ms eficaces y competitivos con las fuentes convencionales de generacin de energa elctrica. Esto posibilitar una penetracin cada vez mayor de esta tecnologa en la produccin de energa elctrica en el mundo como complemento de las fuentes de generacin convencionales.



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[renovables]


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PRINCIPALES ENERGAS RENOVABLES1. Hidrulica: es la ms utilizada ya que produce gran cantidad de kw-h, esta se obtiene de la cada del agua desde cierta altura un nivel inferior lo que provoca el movimiento de ruedas hidrulicas o turbinas. La hidroelectricidad es un recurso natural disponible en las zonas que presentan suficiente cantidad de agua. Su desarrollo requiere una gran inversin en infraestructura (pantanos, presas, canales, etc.) 2. Elica: se debe a la energa cintica del aire, la potencia que se obtiene es directamente proporcional al cubo del viento, por tanto pequeas variaciones de velocidad dan lugar a grandes variaciones de potencia. La electricidad se genera a travs de unos aerogeneradores con un tamao medio de 600-1.300 kw con rotores de 40 metros de dimetro. Dos tipos de instalaciones elicas: aisladas, generar electricidad en lugares remotos; o, parques elicos, se instalan en cumbres de las montaas donde la rentabilidad de la inversin es mayor. 3. Biomasa energtica: es el conjunto de la materia orgnica, de origen vegetal o animal, incluyendo los materiales procedentes de su transformacin natural o artificial. La biomasa se puede clasificar en residuos: forestales o agrcolas, slidos urbanos, animales y de industrias agrcolas. Se pueden aprovechar de dos maneras: aplicaciones domsticas e industriales mediante la combustin directa de la biomasa, o, aplicaciones vinculadas a la aparicin de nuevos recursos como la gasificacin de la biomasa.http://www.ujaen.es/investiga/solar/07cursosolar/home_main_frame/01_introduccion/1_renovables.htm (1 de 3)17/05/2008 13:29:36


4. Biocarburantes: constituyen una alternativa a los combustibles tradicionales en el rea del transporte. Como biocarburantes encontramos el bioetanol y el biodiesel. El bioetanol se refiere a la produccin de materia prima (cereal, maz, remolacha, etc.) e intenta sustituir a la gasolina o ETBE (aditivo oxigenado). El biodiesel parte del uso de las variedades comunes de especies convencionales como el girasol o la colza, su principal aplicacin es la sustitucin de gasleo. 5. Solar Trmica: el medio para conseguir este aporte de temperatura se hace por medio de colectores, superficie que esta expuesta a la radiacin solar que permite absorber su calor y transmitirlos al fluido. Existen tres tcnicas diferentes en funcin de la temperatura: baja (captacin directa), media (captacin de bajo ndice de concentracin), alta (alto ndice de concentracin).

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6. Solar Fotovoltaica: es el sistema de aprovechamiento de la energa solar para la produccin de energa a travs de unas clulas fotovoltaicas construidas por un material cristalino semiconductor, silicio.

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Cerrar Ventana

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[01]-EL SOL

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El sol es una inmensa fuente de energa inagotable con un dimetro de 1.39x109m situado a la distancia media de 1.5x1011m respecto de la Tierra, esta distancia se llama unidad astronmica (UA). Los datos ms interesantes acerca del Sol son losEstructura Solar

siguientes: - El Sol = Estrella = Horno Nuclear. - Su dimetro es 1.400.000 km. - Su Masa es 300.000 veces la masa de la tierra. - Su temperatura superficial es de 5.600K - Su vida estimada es de 5.000 millones de aos. - La distancia Tierra - Sol es de 150 millones de km. - La luz solar tarda 8 minutos en llegar a la tierra. - El Sol genera su energa mediante reacciones nucleares de fusin que se llevan a cabo en su ncleo. - La generacin de energa proviene de la prdida de masa del Sol, que se convierte en energa de acuerdo con la famosa ecuacin de Einstein, E=mc2, donde "E" es la cantidad de energa liberada cuando desaparece la masa "m"; "c" es la velocidad de la luz. - Su flujo radiante es de 3,8x1026W equivalente a una densidad de 62,5MW por cada metro cuadrado de superficie solar. De toda ella solo una pequea parte, 1,37KW por metro cuadrado aproximadamente, llega a la superficie de la tierra como consecuencia de la distancia que los separa. La

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radiacin que llega vara de forma aleatoria debido a muy diversos efectos que provoca sobre ella la atmsfera terrestre. Una gran parte es absorbida y dispersa por los propios agentes variables que all se encuentran, tales como la polucin y la nubosidad. CONSTANTE SOLAR: Es la radiacin sobre una superficie orientada normalmente a la direccin de los rayos solares y situada fuera de la atmsferaFlujo Radiante

terrestre a la distancia astronmica unidad igual a 1.495x1011m que es la distancia media Sol-Tierra. No es una verdadera constante pues vara ligeramente, 0.1% a 0.2%, respecto de su valor central, Se aceptara a partir de ahora como ISC=1370 W/m2. La radiacin solar es una manifestacin electromagntica de energa que presenta una amplia distribucin espectral (gran variedad de componentes elementales de distintas longitudes de onda que van desde 0,2 a 2,6mm). DISTRIBUCIN ESPECTRAL: La distribucin espectral de la constante solar est tabulada y representada grficamente. De estos datos cabe destacar la existencia de un mximo para longitudes de onda en torno a los 460nm y que en el intervalo de 0 a 1.1mm, que corresponde a las radiaciones que pueden ser convertidas por la fotovoltaica, la irradiacin integrada representa aproximadamente el 75% del total. Hay que tener en cuenta que la caracterizacin de la radiacin solar incidente en la tierra no es algo sencillo, debido a tres razones fundamentalmente: 1.- La aleatoriedad de la radiacin solar, que hace



imposible determinar dicha radiacin de una forma definitiva o exacta. 2.- El movimiento relativo Sol - Tierra regido por unas ecuaciones muy complejas, que determinan en todo momento la posicin relativa del Sol conEspectro Radiante

respecto a cualquier punto de la superficie terrestre. 3.- La variedad de modelos existentes para caracterizar la radiacin, la cual obliga al usuario a elegir en funcin de las necesidades en cada caso.

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[02]-MOVIMIENTO TIERRA-SOL

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La Tierra rbita alrededor del Sol con dos movimientos diferentes que lleva a cabo al mismo tiempo: - Uno de rotacin, alrededor de un eje que pasa porMovimiento de la Tierra

los polos llamado, eje polar y con una velocidad aproximada de una vuelta por da. - Y otro de traslacin, alrededor del Sol describiendo una rbita elptica en la que este ocupa uno de los focos. El plano que contiene esta rbita se llama plano de la elptica y tarda un ao en recorrerlo por completo. El eje polar o eje de rotacin terrestre sobre el que jira la Tierra, mantiene una direccin aproximadamente constante y forma un ngulo de 23.45 con el plano de la elptica, denominado oblicuidad de la elptica. Debido a esta oblicuidad el ngulo formado por el plano ecuatorial de la Tierra con la eclptica, es decir, la recta que une los centros de la Tierra y el Sol est cambiando permanentemente entre +23.45 y -23.45. Este ngulo se conoce como DECLINACIN SOLAR (). En un solo da se considera que la declinacin solar solo puede variar como mximo en 0.5, aunque para facilitar los clculos se considera constante para cada da del ao.

Ver el movimiento de la tierra

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[03]-LA ESFERA CELESTE Y EL VALOR DE LA DECLINACIN

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Una forma clsica de representacin del cielo consiste en imaginar una esfera con la Tierra fija en su centro. Esta esfera se conoce con el nombre de esfera celeste y cada uno de sus puntos representa una direccin del cielo vistaEsquema de la Esfera Celeste

desde la Tierra. Su interseccin con el plano del ecuador terrestre define el ecuador celeste. Los puntos de interseccin con el eje polar terrestre se llaman polos celestes. El movimiento de la Tierra alrededor del Sol puede describirse, utilizando esta forma de representacin, como un movimiento del Sol alrededor de la Tierra; siendo el mximo el circulo cuando forma un ngulo de 23.45 con el ecuador celeste y que se denomina elptica. El Sol recorre este circulo una vez al ao y la esfera celeste gira una vez al da alrededor de la

Declinacin Solar

Tierra que permanece fija. De esta forma, el Sol describe diariamente y alrededor de la Tierra, un circulo cuyo dimetro cambia de da a da y es mximo en los equinoccios y mnimo en los solsticios. Los sentidos de giro del Sol sobre la elptica y de la esfera celeste alrededor de la Tierra son contrarios. Existe una expresin que permite calcular el valor de la declinacin solar (en grados) para cualquier da del ao de una manera precisa. Esta expresin es la ecuacin que mostramos a continuacin:


Curso de Energa Solar Fotovoltaica dn = da del ao, comenzando a contar a partir del 1 de Enero y considerando que febrero tiene 28 das, con lo que el 365 corresponde siempre al 31 de Diciembre.

(1)

En esta expresin, en radianes, se conoce como ngulo diario a:

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[04]-DISTANCIA SOL-TIERRA

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La pequea excentricidad de la elptica (0.01673) hace que la distancia entre el Sol y la Tierra vare de acuerdo con la ecuacin que mostramos a continuacin:Distancia Sol-Tierra

(2)siendo: r = distancia entre el sol y la tierra r0= 1.496x108 Km que es el valor medio de la distancia sol-tierra y suele denominarse unidad astronmica (UA).

Las expresiones (1) y (2) tienen en cuenta el hecho de que la velocidad angular de la Tierra en su camino sobre la elptica es variable y se ajusta a la conocida ley de Kepler, segn la cual, los planetas barren reas iguales en tiempos iguales. Sin embargo, para la mayora de las aplicaciones de la ingeniera, la aproximacin de considerar que la Tierra gira alrededor del Sol con velocidad angular constante es muy cmoda y conduce a una exactitud suficiente. En este caso, las ecuaciones (1) y (2) pueden sustituirse por unas ms sencillas de manejar, que son:



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[05]-CALENTAMIENTO DE LA TIERRA Y DURACIN DEL DA Y LA NOCHE

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La oblicuidad de la elptica permite explicar, por un lado el distinto calentamiento de la Tierra en funcin de su posicin en la rbita (las estaciones del ao: Primavera, Verano, Otoo eCalentamiento de la Tierra

Invierno) y por otro, lado distinta duracin del da y de la noche a lo largo del ao. La declinacin solar se anula en los equinoccios de Primavera (22/23 de Septiembre) y de Otoo (20/21 de Marzo). En estos das el Sol se encuentra en el ecuador, y la duracin del da es igual a la de la noche en toda la Tierra, adems, las posiciones de salida y de puesta del Sol coinciden con el Este y con el Oeste, respectivamente. En el solsticio de verano (21/22 de Junio) la declinacin es de +23.45 y el Sol se encuentra en el Trpico de Cncer lo que en el hemisferio Norte se traduce en el da ms largo y la noche ms corta. En el solsticio de invierno (21/22 de Diciembre) la declinacin es de -23.45 y el Sol se encuentra en el trpico de capricornio lo que se traduce en el hemisferio Norte en el da ms corto y la noche ms larga del ao. En el hemisferio Sur ocurrira lo contrario.

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[06]-EL TIEMPO SOLAR

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Debido a que la Tierra, en su trayectoria alrededor del Sol, no sigue un perfecto movimiento circular uniforme, el tiempo transcurrido hasta que el Sol pasa dos veces consecutivas por una misma posicin angular en la bveda celeste no es constante e igual a 24 horas, sino que varia a lo largo del ao. Prestemos atencin a estas definiciones:Trayectoria

- Da Solar: Tiempo que tarda el Sol en pasar dos veces por el meridiano del observador. Variable. (24h aproximadamente) - Da Civil: Tiempo de rotacin terrestre. (24h) Como la hora civil o la que marcan los relojes, debe ser uniforme lgicamente, se produce un desfase variable a lo largo del ao, entre el tiempo civil y el tiempo solar. Este desfase, mximo 16 minutos, se refleja perfectamente en la denominada ecuacin del tiempo (ET), la cual, mide la diferencia entre el tiempo solar (LST) y el tiempo de los relojes (LCT).

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[07]-POSICIN DEL SOL. COORDENADAS POLARES

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A la hora de estudiar la inclinacin ms adecuada con la que se debe orientar los generadores fotovoltaicos, es necesario precisar la posicin del Sol en cada instante para optimizar su rendimiento. El sistema ms apropiado para definir cada una de estas posiciones es la de coordenadas polares. En este sistema el origen est situado en la posicin delPosicin del Sol

receptor. El plano fundamental es el horizontal, tangente a la superficie terrestre. La perpendicular a este plano en direccin a la semiesfera celeste superior define la posicin del ZENIT del lugar o zenit local. En la direccin opuesta, a travs de la Tierra, se sita el NADIR. Las direcciones principales sobre el plano horizontal son la Norte-Sur, interseccin con el plano meridiano del lugar, y la perpendicular a ella Este-Oeste, interseccin con el plano denominado primer vertical. Respecto al sistema anteriormente descrito, la posicin del Sol se define mediante los siguientes parmetros: - LATITUD DEL LUGAR (): Es la complementaria del ngulo formado por la recta que une el zenit y el nadir con el eje polar. Es positivo hacia el Norte y negativo hacia el Sur. - MERIDIANO DEL LUGAR: Circulo mximo de la esfera terrestre que pasa por el lugar, por el zenit y por el nadir. - DISTANCIA ZENITAL(zs): Es el ngulo formado por el radio vector punto-Tierra y la vertical del lugar. Es positivo a partir del zenit. - ALTURA SOLAR (s): ngulo que forman los rayos



solares sobre la superficie horizontal. ngulo complementario de la distancia zenital. - NGULO ACIMUTAL (s): ngulo formado por la proyeccin del Sol sobre el plano del horizonte con la direccin Sur. Positivo 0 a 180 hacia el Oeste y negativo hacia el Este 0 a -180. - HORIZONTE: Lugar geomtrico de los puntos con altura 0.[subir] [referencias]


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[08]-NATURALEZA DE LA RADIACIN SOLAR

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La radiacin extraterrestre que procedente directamente del Sol, es reflejada al entrar en la atmsfera por la presencia de las nubes, el vapor de agua, etc.. y dispersada por las molculas de agua, el polvo en suspensin, etc.. Por todo esto la radiacin solar que llega a una superficie terrestre procede de tresComponentes de la Radiacin Solar

componentes: - RADIACIN DIRECTA (B): Formada por los rayos procedentes del Sol directamente es decir, que no llegan a ser dispersados. - RADIACIN DIFUSA (D): Aquella procedente de toda la bveda celeste excepto la que llega del Sol. Originada por los efectos de dispersin mencionados anteriormente. - RADIACIN DEL ALBEDO (R): Procedente del suelo, debida a la reflexin de parte de la radiacin incidente sobre montaas, lagos,

Ver las componentes de la Radiacin que llegan a la superficie de la tierra.

edificios, etc. Depende muy directamente de la naturaleza de estos elementos. Esta se obtiene del cociente entre la radiacin reflejada y la

Programa de clculo de la radiacin media mensual sobre una superficie arbitrariamente inclinada.Realizado por: Grupo IDEA

JavaScript:

incidente sobre una superficie. La suma de estas tres componentes da lugar a la RADIACIN GLOBAL:[referencias]

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RADIACIN SOLAR

CLCULO DE LA RADIACIN MEDIA MENSUAL SOBRE SUPERFICIE ARBITRARIAMENTE ORIENTADAS E INCLINADAS.INSTRUCCIONES: 1.-En este apartado se puede calcular el valor de la irradiacin diaria media mensual a cualquier inclinacin de los paneles y con cualquier orientacin de estos. Para ello es preciso tener en cuenta las siguiente instruccciones:En la tabla de abajo en las celdas correspondientes a los meses se ha de introducir el valor de la irradiacin diaria media mensual, medido en Wh/m2. 2.-En la celda de latitud, se deber introducir esta expresada en grados. 3.-En el apartado de inclinacin se introducir esta expresada en grados teniendo en cuenta que cero grados es una superficie horizontal. 4.-En Reflexividad, se debe introducir un valor de entre cero y uno, ya que esta este valor expresa la cantidad de radiacin que llega al entorno del panel y es reflejada por el suelo paredes, etc. Si no se conoce con exactitud se puede considerar cero. Un valor orientativo puede ser 0.2 5.-En el apartado acimut se introducir la orientacin del panel, sabiendo que un acimut de ce grados es una orientacin al sur, un acimut de +90 es una inclinacin al oeste y un valor de -90 nos indica una orientacin al este. 6.-Todas las medidas calculadas vienen expresadas en Wh/m2

ENERO MARZO MAYO JULIO SEPTIEMBRE NOVIEMBRE

2600 4700 6700 7600 5700 2900

FEBRERO ABRIL JUNIO AGOSTO OCTUBRE DICIEMBRE

3300 5400 7400 7000 4000 2100

Inclinacin de los paneles (B) Considerar como LATITUD del Lugar Ejemplo: Latitud de Jan = 37.5 REFLEXIVIDAD ACIMUT(a)

65 37.5 0.2 0

CALCULAR

RESET

IRRADIACIN DIARIA MEDIA ANUAL R. DIRECTA ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO R. DIFUSA R. ALBEDO R. GLOBAL

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RADIACIN SOLAR

JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBREGRUPO IDEA 2004 I+D en Energa Solar y Automtica.

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[09]-POSICIN RELATIVA SOL SUPERFICIE HORIZONTAL

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Para conocer cual es la posicin del Sol en cada momento es necesario y suficiente conocer las coordenadas que la definen, distancia zenital y acimut, con respecto a un punto de una latitud determinada O. Esto puede calcularse mediante las expresiones:

Posicin relativa del Sol.

W = Es el tiempo solar verdadero. Puede utilizarse para calcular el ngulo de salida del sol, sabiendo que en ese momento Dz es 90.

El ngulo de puesta de Sol es igual a -W(salida) y la Latitud del da es:

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[referencias]



[10]-POSICIN RELATIVA SOL

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La posicin de una superficie arbitrariamente inclinada se describe mediante dos parmetros: - PENDIENTE o INCLINACIN (): Es el ngulo de elevacin sobre el horizonte. - ACIMUT (): Es el ngulo formado por las proyecciones sobre el plano horizontal de la normal de la superficie y del meridiano del lugar. Origen hacia el Sur, positivo hacia elngulo de Incidencia

Este y negativo hacia el Oeste. Con ello el ngulo de incidencia (s) del Sol sobre una determinada superficie se puede calcular con la formula:

[subir]

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[01]-PRINCIPIOS FUNDAMENTALES

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EL TOMO: En esencia la constitucin del tomo, refirindonos a su aspecto elctrico, consta de un determinado numero de protones con carga positiva en el ncleo y una cantidad igual de electrones, con cargaEstructura del tomo

negativa, girando en diferentes rbitas del espacio, denominada envoluta. El nmero mximo de electrones que se pueden alojar en cada rbita es de 2n2, siendo "n" el nmero de rbitas. Los electrones giran en rbitas casi elpticas, en cada una de las cuales y segn su proximidad al ncleo, solo pueden existir un numero mximo de electrones. Atendiendo a la carga elctrica como inicialmente mencionbamos, los tomos, se pueden clasificar en positivos, negativos y neutros. Los tomos de elementos simples, cuando estn completas sus rbitas son neutros, hay igual cantidad de electrones que de protones; pero dado que los electrones de la ltima rbita son los ms alejados del ncleo y por tanto, perciben menos su fuerza de atraccin, pueden salirse de dicha rbita denominada de valencia, dejando al tomo cargado positivamente por contener ms protones que electrones, si por el contrario en el ltimo orbital del tomo hubiese alojado un electrn libre exterior al tomo habra adquirido carga negativa, a estas dos situaciones se les denomina iones. TOMOS ESTABLES E INESTABLES: Se llama tomo estable al que tiene completa de electrones su ltima rbita o al menos dispone en ella de ocho electrones. Los tomos inestables, que son los que no tienen llena su rbita de valencia ni tampoco ocho electrones en ella,

Estructura Cristalina del Si Cortesa de [email protected] (c) Copyright C.R.Wie

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Curso de Energa Solar Fotovoltaica 1997-1998.

tienen una gran propensin a convertirse en estables, bien desprendindose de los electrones de valencia o bien absorbiendo del exterior electrones libres hasta completar la ltima rbita; en cada caso realizaran lo que menos energa suponga. CUERPOS CONDUCTORES Y AISLANTES: Los cuerpos conductores son aquellos cuyos tomos permiten fcilmente el paso de electrones a su travs. Un buen ejemplo de conductor es el Cobre (Cu) que dispone de un electrn inestable en su cuarta rbita con una gran tendencia a desprenderse. CUERPOS SEMICONDUCTORES INTRINSECOS: Mientras que los cuerpos buenos conductores ofrecen escasa resistencia al paso de electrones, los aislantes la ofrecen elevadsima, y entre ambos extremos, se encuentran los semiconductores que presentan una resistencia intermedia. Un ejemplo de elemento semiconductor es el Silicio (Si), la caracterstica fundamental de los cuerpos semiconductores es la de poseer cuatro electrones en su rbita de valencia. Con esta estructura el tomo es inestable, pero para hacerse estable se le presenta un dilema: y es que le cuesta lo mismo desprenderse de cuatro electrones y quedarse sin una rbita, que absorber otros cuatro electrones para hacerse estable al pasara tener ocho electrones. En estas especiales circunstancias, ciertos elementos como el Silicio y el Germanio (Ge) agrupan sus tomos de manera muy particular, formando una estructura reticular en la que cada tomo queda rodeado por otros cuatro iguales, propiciando la formacin de los llamados enlaces covalentes. En estas circunstancias, la estructura de los cuerpos semiconductores, al estabilizarse, debera trabajar como buen aislante, pero no es as a causa de la



Applet Java:

temperatura. Canto mayor es la temperatura aumenta la agitacin de los electrones y por consiguiente enlaces covalentes rotos, dando lugar a electrones libres y huecos (falta de electrn). SEMICONDUCTORES EXTRNSECOS: Comoquiera que las corrientes que se producen en el seno de un semiconductor intrnseco a la temperara ambiente son insignificantes, dado el bajo valor de portadores libres, para aumentarlos se les aaden otro cuerpos, que se denominan impurezas. De esta forma es como se obtienen los semiconductores extrnsecos tan importantes en la energa solar fotovoltaica.

Vista en 3D de la estructura cristalina del Si, Ge, AsGa, etc...Cortesa de [email protected] (c) Copyright C.R.Wie 1997-1998.

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[02]-TEORIA DE SEMICONDUCTORES

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SEMICONDUCTORES EXTRNSECOS TIPO N: en la figura se presenta la estructura cristalina del Silicio (Si) dopado con Antimonio (Sb) al introducirse un tomo de impurezas de este elemento, hecho por el que recibe el nombre de semiconductor extrnseco. Como se aprecia el tomo de Sb no solo cumple con los cuatro enlaces covalentes, sino que an le sobraEstructura Semiconductor Tipo N

un electrn, que tiende a salirse de su rbita para que quede estable el tomo de Sb. Por cada tomo de impurezas aadido aparece un electrn libre en la estructura. Aunque se aadan impurezas en relacin de uno a un milln, en la estructura del silicio adems de los 1010 electrones y 1010 huecos libres que existen por cm3, a la temperatura ambiente, hay ahora que sumar una cantidad de electrones libres equivalente a la de tomos de impurezas. En estas condiciones el Si con impurezas de Sb alcanza 1016 electrones libres y 1010 huecos libres por cm3, siendo en consecuencia el numero de portadores elctricos negativos mucho mayor que el de los positivos, por lo que los primeros reciben la denominacin de portadores mayoritarios y los segundos la de portadores minoritarios y, por el mismo motivo, se le asigna a este tipo de semiconductores extrnsecos la clasificacin de SEMICONDUCTOR EXTRNSECO TIPO N. SEMICONDUTORES EXTRNSECOS TIPO P: en la figura se presenta la estructura cristalina del Silicio (Si) dopado con Aluminio (Al). Por cada tomo de impurezas trivalente que se aade al semiconductor intrnseco aparece en la estructura un hueco, o lo que es lo mismo, la falta de un electrn.



Aadiendo un tomo de impurezas trivalente por cada milln de tomos de semiconductor existen: 1016 huecos libres y 1010 electrones libres por cm3, a la temperatura ambiente. Como en este semiconductor hay mayor numero de cargas positivas o huecos, se les denomina a estos, portadores mayoritarios; mientras que los electrones libres, nicamente propiciados por los efectos de laEstructura Semiconductor Tipo P

agitacin trmica son los portadores minoritarios. Por esta misma razn el semiconductor extrnseco as formado recibe el nombre de SEMICONDUCTOR EXTRNSECO TIPO P, siendo neutro el conjunto de la estructura, al igual que suceda con el TIPO N. UNION DEL SEMICONDUCTOR P CON EL N: Al colocar parte del semiconductor TIPO P junto a otra parte del semiconductor TIPO N, debido a la ley de difusin los electrones de la zona N, donde hay alta concentracin de estos, tienden a dirigirse a la zona P, que a penas los tiene, sucediendo lo contrario con los huecos, que tratan de dirigirse de la zona P, donde hay alta concentracin de huecos, a la zona N. Eso ocasiona su encuentro y neutralizacin en la zona de unin. Al encontrarse un electrn con un hueco desaparece el electrn libre, que pasa ocupar el lugar del hueco, y por lo tanto tambin desaparece este ltimo, formndose en dicha zona de la unin una estructura estable y neutra. Como quiera que la zona N era en principio neutra y

Estructura unin PN

al colocarla junto a la zona P pierde electrones libres, hace que cada vez vaya siendo ms positiva, mientras que la zona P, al perder huecos, se hace cada vez ms negativa. As aparece una diferencia de potencial entre las zonas N y P, separadas por la



zona de unin que es neutra. La tensin que aparece entre las zonas, llamada barrera de potencial, se opone a la ley de difusin, puesto que el potencial positivo que se va creando en la zona N repele a los huecos que se acercan de P, y el potencial negativo de la zona P repele a los electrones de la zona N. Cuando ambas zonas han perdido cierta cantidad de portadores mayoritarios que se han recombinado, la barrera de potencial creada impide la continuacin de la difusin y por tanto la igualacin de las concentraciones de ambas zonas. La barrera de potencial es del orden de 0.2V cuando elBanda de Energa Prohibida

semiconductor es de Ge y de unos 0.5V cuando es de Si.

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[03]-EL EFECTO FOTOVOLTAICO

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Las aplicaciones de la energa solar fotovoltaica estn basadas en el aprovechamiento del efecto fotovoltaico queEl Efecto Fotovoltaico

tiene mucho que ver con lo explicado anteriormente. De forma muy resumida y desde el punto de vista elctrico, el efecto fotovoltaico se produce al incidir la radiacin solar (fotones) sobre los materiales que definimos al principio como semiconductores extrnsecos. La energa que reciben estos provenientes de los fotones, provoca un movimiento catico de electrones en el interior del material. Al unir dos regiones de un semiconductor al que artificialmente se haba dotado de concentraciones diferentes de electrones, mediante los elementos que denominbamos dopantes, se provocaba un campo electrosttico constante que reconduca el movimiento de electrones. Recordemos que este material formado por la unin de dos zonas de concentraciones diferentes de electrones la denominbamos unin PN, pues la clula solar en definitiva es esto; una unin PN en la que la parte iluminada ser la tipo N y la no iluminada ser la tipo P. De esta forma, cuando sobre la clula solar incide la radiacin, aparece en ella una tensin anloga a la que se produce entre las bornas de una pila. Mediante la colocacin de contactos metlicos en cada una de las caras puede extraerse la energa elctrica, que se

El Fotn en el Efecto Fotovoltaico



Ver el efecto fotovoltaico

utilizar para alimentar una carga. Para que se produzca el efecto fotovoltaico debe cumplirse que:

Por otro lado y dando una explicacin desde un punto de vista cuntico, su funcionamiento se basa en la capacidad de transmitir la energa de los fotones de la radiacin solar a los electrones de valencia de los materiales semiconductores, de manera que estos electrones rompen su enlace queEl Efecto Fotovoltaico

anteriormente los tena ligado a un tomo. Por cada enlace que se rompe queda un electrn y un hueco (falta de electrn 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 elctrico como veremos posteriormente) genera una corriente elctrica en el semiconductor la cual puede circular por un circuito externo y liberar la energa cedida por los fotones para crear los pares electrn-hueco. El campo elctrico necesario al que hacamos referencia anteriormente, se consigue con la unin de dos semiconductores de diferente dopado, como vimos al principio de esta seccin: Un semiconductor tipo P (exceso de huecos) y otro tipo N (exceso de electrones). Que al unirlos crea el campo elctrico E.



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[04]-LA CLULA SOLAR

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Una clula solar es un dispositivo capaz de convertir la energa proveniente de la radiacin solar en energa elctrica. La gran mayora de las clulas solares que actualmente estn disponibles comercialmente son de Silicio mono o policristalino. El primer tipo se encuentra msEstructura de la clula solar

generalizado y aunque su proceso de elaboracin es ms complicado, suele presentar mejores resultados en cuanto a su eficiencia. Por otra parte, la experimentacin con materiales tales como el Telurio de Cadmio o el Diseleniuro de Indio-Cobre est llevando a las clulas fabricadas con estas sustancias a situaciones prximas ya a aplicaciones comerciales, contndose con las ventajas de poderse trabajar con tecnologas de lminas delgadas. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA CELULA SOLAR: Cuando conectamos una clula solar a una carga y la clula est iluminada, se produce una diferencia de potencial en extremos de la carga y circula una corriente por ella (efecto fotovoltaico). La corriente entregada a una carga por una clula solar es el resultado neto de dos componentes internas de corriente que se oponen. Estas son: Corriente de iluminacin: debida a la generacin de portadores que produce la iluminacin.

Principios de funcionamiento de la clula solar.



Corriente de oscuridad: debida a la recombinacin de portadores que produce el voltaje externo necesario para poder entregar energa a la carga.

Los fotones sern los que formaran, al romper el enlace, los pares electrn-hueco y, debido al campo elctrico producido por la unin de materiales en la clula de tipo P y N, se separan antes de poder recombinarse formndose as la corriente elctrica que circula por la clula y laCaracterstica I-V de la clula.

carga aplicada. Algunos fotones pueden no ser aprovechados para la creacin de energa elctrica por diferentes razones: - Los fotones que tienen energa inferior al ancho de banda prohibida del semiconductor atraviesan el semiconductor sin ceder su energa para crear pares electrn-hueco. - Aunque un fotn tenga una energa mayor o igual al ancho de banda prohibida puede no ser aprovechado ya que una clula no tiene la capacidad de absorberlos a todos. - Adems, los fotones pueden ser reflejados en la superficie de la clula. CURVA CARACTERSTICA I-V DE ILUMINACIN REAL: La curva I-V de una clula fotovoltaica representa pares de valores



de tensin e intensidad en los que puede encontrarse funcionando la clula. Los valores caractersticos son los siguientes: TENSIN DE CIRCUITO ABIERTO (Voc): queCircuito equivalente.

es el mximo valor de tensin en extremos de la clula y se da cuando esta no est conectada a ninguna carga. CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO (Isc): definido como el mximo valor de corriente que circula por una clula fotovoltaica y se da cuando la clula est en cortocircuito. La siguiente ecuacin representa todos los pares de valores (I/V) en que puede trabajar una clula fotovoltaica.

e: es la carga del electrn e igual a 1.6021x10-19 C. m: es un parmetro constructivo de la clula, normalmente igual a 1. K: es la constante de Boltzman. T: Temperatura en K.

Tambin se puede expresar con:

PUNTO DE MAXIMA POTENCIA "PMP" (PM): Es el producto del valor de tensin mxima (VM) e intensidad mxima (IM) para los que la potencia entregada a una carga es mxima. FACTOR DE FORMA (FF): Se define como el cociente de potencia mxima que se puede entregar a una carga entre el producto de la tensin de circuito abierto y la intensidad de cortocircuito, es decir:



El factor de forma suele tomar valores entre 0.7-0.8 para las clulas mas habituales (silicio y arseniuro de galio).

EFICIENCIA DE CONVERSIN ENERGTICA O RENDIMIENTO: Se define como el cociente entre la mxima potencia elctrica que se puede entregar a la carga (PM) y la irradiancia incidente (PL) sobre la clula que es el producto de la irradiancia incidente G por el rea de la clula S:

Dichos parmetros se obtienen en unas condiciones estndar de medida de uso universal segn la norma EN61215.Circuito Equivalente de La Clula Solar.

Irradiancia: 1000W/m2 (1 KW/m2) Distribucin espectral de la radiacin incidente: AM1.5 (masa de aire) Incidencia normal. Temperatura de la clula: 25C Otro parmetro es la TONC o Temperatura de Operacin Nominal de la Clula. Dicho parmetro se define como la temperatura que alcanzan las clulas solares cuando se someten a las siguientes condiciones de operacin: Irradiancia: 800W/m2 Distribucin espectral de la radiacin incidente: AM1.5 (masa de aire) Incidencia normal

Applet Java:

Con el siguiente programa (Java applet) es posible obtener la grfica I-V de una clula fotovoltaica dadas unas condiciones de irradiancia (W/m2) y temperatura ambiente (C).Realizado por: Grupo IDEA


Curso de Energa Solar Fotovoltaica JavaScript:

Temperatura ambiente: 20C Velocidad del viento: 1m/s INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA EN LOS PARMETROS BSICOS DE UNA CLULA FOTOVOLTAICA: Al aumentar la temperatura de la clula empeora el funcionamiento de la misma: - Aumenta ligeramente la Intensidad de cortocircuito. - Disminuye la tensin de circuito abierto, aprox: -2.3 mV/C - El Factor de Forma disminuye. - El rendimiento decrece.

Clculo de los parmetros bsicos de la clula en cualquier condicin de operacin.Realizado por: Grupo IDEA

Influencia de la Temperatura.

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Documento sin ttulo

CLCULO DE PARMETROS BSICOS DE UNA CLULA EN CUALQUIER CONDICIN DE OPERACIN.ISC: Corriente De Cortocircuito Medida En Condiciones Estandar. Voc: Tensin De Circuito Abierto Medidas En Condiciones Estandar. TONC: Temperatura De Operacin Nominal De La Clula. Irradiancia: Temperatura Ambiente: (AMPERIOS) (VOLTIOS) (C) W/cm2 (C)

CALCULARCORRIENTE DE CORTOCIRCUITO EN LAS NUEVAS CONDICIONES: TENSIN DE CIRCUITO ABIERTO EN LAS NUEVAS CONDICIONES: TEMPERATURA DE LA CLULA EN LAS NUEVAS CONDICIONES: (AMPERIOS) (VOLTIOS) (C)

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[05]-TECNOLOGA DE FABRICACIN DE LA CLULA SOLAR

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La tecnologa del Silicio como material de base para la fabricacin de clulas fotovoltaicas, est sujeta a constantes variaciones, experimentando diferencias importantes segn los distintos fabricantes. PROCESO DE FABRICACIN: De forma muy resumida, el proceso de fabricacin de una clula mono o policristalina se puede dividir en las siguientes fases:Detalle Clula Solar.

PRIMERA FASE: OBTENCIN DEL SILICIO A partir de las rocas ricas en cuarzo (formadas principalmente por SiO2, muy abundantes en la naturaleza) y mediante el proceso de reduccin con carbono, se obtiene Silicio con una pureza aproximada del 99%, que no resulta suficiente para usos electrnicos y que se suele denominar Silicio de grado metalrgico. La industria de semiconductores purifica este Silicio por procedimientos qumicos, normalmente destilaciones de compuestos colorados de Silicio, hasta que la concentracin de impurezas es inferior al 0.2 partes por milln. El material as obtenido suele ser llamado Silicio grado semiconductor y aunque tiene un grado de pureza superior al requerido en muchos casos por las clulas solares, ha constituido la base del abastecimiento de materia prima para aplicacionesProceso Fabricacin de la Clula.

solares, representando en la actualidad casi las tres cuartas partes del abastecimiento de las industrias de fabricacin de clulas. Sin embargo, para usos especficamente solares, son suficientes (dependiendo del tipo de impureza y de la tcnica de cristalizacin), concentraciones de impurezas



del orden de una parte por milln. Al material de esta concentracin se le suele denominar Silicio grado solar. Existen actualmente tres posibles procedimientos en distintas fases de experimentacin para la obtencin del Silicio grado solar, que proporcionan un producto casi tan eficaz como el del grado semiconductor a un coste sensiblemente menor. SEGUNDA FASE: CRISTALIZACINMineral de Silicio.

Una vez fundido el Silicio, se inicia la cristalizacin a partir de una semilla. Dicha semilla es extrada del silicio fundido, este se va solidificando de forma cristalina, resultando, si el tiempo es suficiente, un monocristal. El procedimiento ms utilizado en la actualidad es el convencional mtodo Czochralsky, pudindose emplear tambin tcnicas de colado. El Silicio cristalino as obtenido tiene forma de lingotes. Tambin se plantean otros mtodos capaces de producir directamente el Silicio en lminas a partir de tcnicas basadas en la epitaxia, en crecimiento sobre soporte o cristalizacin a partir de Si mediante matrices. Se obtienen principalmente dos tipos de estructuras: una la monocristalina (con un nico frente de cristalizacin) y la otra la policristalina (con varios frentes de cristalizacin, aunque con unas direcciones predominantes). La diferencia principal radica en el grado de pureza del silicio durante el crecimiento/ recristalizacin. TERCERA FASE: OBTENCIN DE OBLEAS

Obtencin de los Lingotes de Si.

El proceso de corte tiene gran importancia en la produccin de las lminas obleas a partir del lingote, ya que supone una importante perdida de material (que puede alcanzar el 50%). El espesor de las obleas



resultantes suele ser del orden de 2-4mm. CUARTA FASE: FABRICACIN DE LA CLULA Y LOS MDULOS Una vez obtenida la oblea, es necesario mejorar su superficie, que presenta irregularidades y defectos debidos al corte, adems de retirar de la misma los restos que puedan llevar (polvo, virutas), mediante el proceso denominado decapado. Con la oblea limpia, se procede al texturizado de la misma (siempre para clulas monocristalinas, ya que las clulas policristalinas no admiten este tipo de procesos), aprovechando las propiedades cristalinas del Silicio para obtener una superficie que absorba con ms eficiencia la radiacin solar incidente. Posteriormente se procede a la formacin de unLingotes y Obleas de Si.

unin PN mediante deposicin de distintos materiales (compuestos de fsforo para las partes N y compuestos de boro para las partes P, aunque normalmente, las obleas ya estn dopadas con boro), y su integracin en la estructura del silicio cristalino. El siguiente paso es la formacin de los contactos metlicos de la clula , en forma de rejilla en la cara iluminada por el Sol, y continuo en la cara posterior. La formacin de los contactos en la cara iluminada se realiza mediante tcnicas serigrficas, empleando ms reciente mente la tecnologa lser para obtener contactos de mejor calidad y rendimiento. El contacto metlico de la cara sobre la cual incide la radiacin solar suele tener forma de rejilla, de modo que permita el paso de la luz y la extraccin de corriente simultneamente. La otra cara est totalmente recubierta de metal.



Una clula individual normal, con un rea de unos 75cm2 y suficientemente iluminada es capaz de producir una diferencia de potencial de 0.4V y una potencia de 1W. Finalmente, puede procederse a aadir una capa antirreflexiva sobre la clula, con el fin de mejorar las posibilidades de absorcin de la radiacin solar.Difusin para obtener la unin PN.

Una vez concluidos los procesos sobre la clula, se procede a su comprobacin, previamente a su encapsulado, interconexin y montaje en los mdulos. En cuanto a la eficiencia de las diferentes tecnologas fotovoltaicas se pueden indicar ciertos valores aproximados. Para el caso del Silicio monocristalino sta se sita en, aproximadamente entre un 16 y un 25% mientras que en el policristalino actualmente es del 12-13% siendo posible que se eleve a corto plazo en un nivel similar al alcanzado ya para el monocristalino. Como resumen, en relacin a la tecnologa solar del silicio mono o policristalino, se puede indicar que su situacin es madura, pero no obstante existe un amplio aspecto de posibles mejoras, muchas de ellas analizadas y verificadas en profundidad en laboratorios.Evolucin de la Tecnologa.

Otros posibles materiales para la fabricacin de clulas solares es el Silicio amorfo. Esta tecnologa permite disponer de clulas de muy delgado espesor, lo cual presenta grandes ventajas. Adicionalmente su proceso de fabricacin es, al menos tericamente, ms simple y sustancialmente ms barato. La eficiencia es comparativamente algo menor que en los casos anteriores (6-8%) y todava no se dispone de datos suficientes en cuanto a su estabilidad. Su principal



campo de aplicacin en la actualidad son los relojes, juguetes, calculadoras y otras aplicaciones de consumo. Dentro de las aplicaciones energticas equivalentes a las de la tecnologa del Silicio cristalino, su versatilidad es muy adecuada para la confeccin de mdulos semitransparentes empleados en algunas instalacionesTecnologas de las Clulas solares.

integradas en edificios.

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[referencias]


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0_Presentacin CURSOLAR

[01]-EL PANEL FOTOVOLTAICO

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[01][02][03]

Un panel solar esta constituido por varias clulas iguales conectadas elctricamente entre si, en serie y/o en paralelo, de forma que la tensin y corriente suministrada por el panel se incrementa hasta ajustarse al valor deseado. La mayor parte de los paneles solares se construyen asociando primero clulas en serie hastaEjemplo vista panel fotovoltaico

conseguir el nivel de tensin deseado, y luego asociando en paralelo varias asociaciones serie de clulas para alcanzar el nivel de corriente deseado. Adems, el panel cuenta con otros elementos a parte de las clulas solares, que hacen posible la adecuada proteccin del conjunto frene a los agentes externos; asegurando una rigidez suficiente, posibilitando la sujecin a las estructuras que lo soportan y permitiendo la conexin elctrica. Estos elementos son: - Cubierta exterior de cara al Sol. Es de vidrio que debe facilitar al mximo la transmisin de la radiacin solar. Se caracteriza por su resistencia mecnica, alta transmisividad y bajo contenido en hierro. - Encapsulante. De silicona o ms frecuentemente EVA (etilen-vinil-acetato). Es especialmente importante que no quede afectado en su transparencia por la continua exposicin al sol, buscndose adems un ndice de refraccin similar al del vidrio protector para no alterar las condiciones de la radiacin incidente. - Proteccin posterior. Igualmente debe dar rigidez y una gran proteccin frente a los agentes atmosfricos. Usualmente se emplean lminas formadas por distintas capas de materiales, de diferentes caractersticas. - Marco metlico. De Aluminio, que asegura una

Estructura panel fotovoltaico

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suficiente rigidez y estanqueidad al conjunto, incorporando los elementos de sujecin a la estructura exterior del panel. La unin entre el marco metlico y los elementos que forman el modulo est realizada mediante distintos tipos de sistemas resistentes a las condiciones de trabajo del panel. - Cableado y bornas de conexin. Habituales en las instalaciones elctricas, protegidos de la intemperie por medio de cajas estancas. - Diodo de proteccin. Su misin es proteger contra sobre-cargas u otras alteraciones de las condiciones de funcionamiento de panel. Los Panel solares tienen entre 28 y 40 clulas, aunque loElementos panel fotovoltaico

ms tpico es que cuenten con 36. La superficie del panel o modulo puede variar entre 0.1 y 0.5m2 y presenta dos bornas de salida, positiva y negativa, a veces tienen alguna intermedia para colocar los diodos de proteccin. Normalmente, los paneles utilizados, estn diseados para trabajar en combinacin con bateras de tensiones mltiplo de 12V, como veremos en la seccin dedicada al acumulador.

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[02]-CARACTERSTICAS ELCTRICAS DEL PANEL FOTOVOLTAICOVer documentoHoja de caractersticas modulo fotovoltaico. Cortesa de ATERSA

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[01][02][03]

La fabricacin, comportamiento y caractersticas elctricas y mecnicas del mdulo fotovoltaico, vienen determinadas en la hoja de caractersticas del producto que proporciona el fabricante. Al Igual que en la clula solar son importantes los siguientes parmetros: - Potencia mxima o potencia pico del mdulo (PmaxG). Si se conecta una cierta carga al panel, el punto de trabajo vendr determinado por la corriente I y la tensin V existentes en el circuito. Estos habrn de ser menores que los IscG y VocG que definiremos ms

Detalle hoja de caractersticas Cortesa de ATERSA

adelante. La potencia P que el panel entrega a la carga est determinada por la ecuacin genrica:

A su valor mas alto se le llama potencia mxima o potencia pico del mdulo. Los valores de la corriente y de la tensin correspondiente a este punto se conocen respectivamente como: - IPmax Intensidad cuando la potencia es mxima o corriente en el punto e mxima potencia. - VPmax la tensin cuando la potencia tambin es mxima o tensin en el punto de mxima potencia. Otros parmetros son: - Corriente de cortocircuito (IscG), que se obtiene al cortocircuitar los terminales del panel (V=0) que al recibir la radiacin solar, la intensidad que circulara por



el panel es de corriente mxima. - Tensin de circuito abierto (VocG), que se obtiene de dejar los terminales del panel en circuito abierto (I=0), entre ellos aparece al recibir la radiacin una tensin que ser mxima. Dichos parmetros se obtienen en unas condicionesDetalle hoja de caractersticas Cortesa de ATERSA

estndar de medida de uso universal segn la norma EN61215. Establecidas como sigue y que el fabricante debe especificar: Irradiancia: 1000W/m2 (1 KW/m2) Distribucin espectral de la radiacin incidente: AM1.5 (masa de aire) Incidencia normal. Temperatura de la clula: 25C Otro parmetro que debera ser suministrado es la TONC o Temperatura de Operacin Nominal de la Clula. Dicho parmetro se define como la temperatura que alcanzan las clulas solares cuando se somete al mdulo a las siguientes condiciones de operacin: Irradiancia: 800W/m2 Distribucin espectral de la radiacin incidente: AM1.5 (masa de aire) Incidencia normal Temperatura ambiente: 20C Velocidad del viento: 1m/s

Detalle hoja de caractersticas Cortesa de ATERSA



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[referencias]


01Mdulos fotovoltaicos Photovoltaic modules Modules photovoltaques

Nuestros mdulos solares fotovoltaicos han sido diseados segn los estndares de calidad ms exigentes. Se caracterizan por su gran eficiencia, por su robusta construccin mecnica y por las cualidades de impermeabilidad y estanqueidad que avalan su larga vida, permitiendo el perfecto funcionamiento de los sistemas incluso en las condiciones climticas ms duras. Our solar photovoltaic modules have been designed in accordance with the most demanding standards of quality. They are characterised by their high efficiency and their robust mechanical construction, together with qualities of waterproofing and sealing that lead to a long-life, thus permitting perfect operation of the systems, even under the most extreme weather conditions. Nos modules solaires photovoltaques ont t conus selon les standards de qualit les plus exigeants. Ils sont caractriss par leur grande efficience, par une construction mcanique robuste et par des qualits dimpermabilit et dtanchit qui garantissent leur longue vie, permettant le fonctionnement parfait des systmes, y compris dans les conditions climatiques les plus dfavorables.

5

ATERSA ofrece una amplia gama de modelos desde 5 a 150 Wp, as como mdulos especiales cuando la instalacin lo requiera.

ATERSA offers a wide range of modules from 5 to 150 Wp, together with special modules for customising those installations that required it.

ATERSA offre un grand choix de modles de 5 150 Wc, ainsi que des modules spciaux quand linstallation le requiert.

Los modelos de pequea potencia (A-5, A-10 y A-20) son idneos para cualquier aplicacin en que se necesite un mdulo de tamao reducido, compacto, fiable y de elevado rendimiento por unidad de espacio.

The low-power models (A-5, A-10 and A-20) are ideal for any application that requires a small, compact, reliable module that provides high-performance per unit of space.

Les modles de faible puissance (A-5, A-10 y A20) sont adapts tout type dapplications dans lesquelles est ncessaire un module de taille rduite, compact, fiable et de rendement lev par unit despace.

Those providing higher power are characterised Los de mayor potencia se caracterizan por ser paneles profesionales, tanto para pequeos sistemas como para grandes instalaciones. Estn construidos con clulas de silicio monocristalino que garantizan la produccin elctrica desde el amanecer hasta el atardecer. The outside junction boxes with the positive and Las cajas de conexiones intemperie con terminales positivo y negativo, incorporan diodos de derivacin (by-pass) cuya misin es evitar la posibilidad de rotura del circuito elctrico en el interior del mdulo por sombreados parciales de alguna clula. ATERSA is commencing the incorporation of the latest technology in cell manufacture into the ATERSA empieza a incorporar la ltima tecnologa en fabricacin de clulas en los mdulos fotovoltaicos APex. Elaboradas con silicio multicristalino, las clulas APex presentan la estabilidad y duracin a la que estn acostumbrados los usuarios de productos fotovoltaicos. production of cells for the APex modules. The APex cells are manufactured from multicrystalline silicon and show the stability and duration to which the users of photovoltaic products are accustomed. ATERSA commence incorporer la dernire technologie la fabrication de cellules dans les modules photovoltaques APex. Elabores partir de silicium multicristallin, les cellules APex offrent la stabilit et la dure auxquelles les utilisateurs de produits photovoltaques sont habitus. negative terminals incorporate bypass diodes that have the function of preventing any possibility of the electrical circuit inside the module being broken due to the partial shading of a cell. Les botiers de connexions intemprie avec des bornes positive et ngative, incorporent des diodes de drivation (by-pass) dont le rle est dviter la possibilit de rupture du circuit lectrique lintrieur du module par ombrages partiels de cellule. by being professional panels, both for small systems and large installations. They are constructed using mono-crystalline silicon cells that guarantee the production of electricity from dawn to dusk. Ceux de plus grande puissance se caractrisent par le fait quil sagit de panneaux professionnels, aussi bien pour de petits systmes que pour de grandes installations. Ils sont fabriqus partir de cellules de silicium monocristallin qui garantissent la production lectrique du matin au soir.

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CONSTRUCCIN DEL MDULO MODULE CONSTRUCTION MODULE CONSTRUCTION

1

Cristal de vidrio templado Tempered glass front Cristal de verre tremp Etileno-vinil-acetato (EVA) Ethylene vinyl acetate (EVA) thylne vinyle actate (EVA) Clulas de alto rendimiento High-efficiency solar cells Cellules dhaut rendement Capa de TEDLAR (TPE) Back sheet of TEDLAR (TPE) Couche de TEDLAR (TPE) Caja de conexiones (con diodos de proteccin) Junction box (Bypass diodes) Bote de connections (avec des diodes de protection) Marco de aluminio anodizado Anodized aluminium frame Cadre daluminium anodis

2

3

4

5

6

B

CCARACTERSTICAS FISICAS PHYSICAL SPECIFICATIONS CARACTRISTIQUES PHYSIQUES Mod. A A-5 A-10 A-20 303 384 492 638 700 778 1200 1476 1618 mm B 206 290 400 527 660 660 527 660 814 C 38 38 38 35 35 35 35 35 35 1.0 1.8 2.8 4.5 4.5 6.5 8.2 11.9 14.8 kg

A

A-38 A-45 A-50/A-55/A-60 A-65/A-75 A-110/A-120 A-130/A-150

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Mdulos estndar Standard modules Modules standardCARACTERISTICAS ELECTRICAS Modle N de cellules ELECTRICAL SPECIFICATIONS Courant au point de puissance max. Maximum power point current CARACTRISTIQUES LECTRIQUES Courant de court-circuit Short circuit current Tension de circuit ouvert Open circuit voltage

Puissance en test 10% Power under test 10% Potencia en prueba 10% 5W 10 W 20 W 38 W 45 W 50 W 55 W 60 W 65 W 75 W 110 W 120 W 130 W 150 W

Tension au point de puissance max. Maximum power point voltage

Model

No. of cells

Modelo A-5 A-10 A-20 A-38 A-45 A-50 A-55 A-60 A-65 A-75 A-110 A-120 A-130 A-150

N de clulas 36 1/6 de 3.3 36 1/3 de 3.3 36 de 4 36 de 5 32 de 6 36 de 6 36 de 6 36 de 6 36 de 5 36 de 5 36 de 6 36 de 6 72 de 5 72 de 5

Corriente en punto Tensin en punto de de mxima potencia mxima potencia 0.29 A 0.59 A 1.18 A 2.20 A 3.00 A 3.13 A 3.40 A 3.55 A 4.00 A 4.40 A 6.79 A 7.10 A 4.00 A 4.40 A 17.0 V 17.0 V 17.0 V 17.2 V 15.0 V 16.0 V 16.2 V 16.9 V 16.3 V 17.0 V 16.2 V 16.9 V 32.6 V 34.0 V

Corriente de cortocircuito 0.34 A 0.69 A 1.40 A 2.38 A 3.20 A 3.50 A 3.70 A 3.85 A 4.60 A 4.80 A 7.40 A 7.70 A 4.60 A 4.80 A

Tensin de circuito abierto 21.6 V 21.6 V 21.6 V 21.3 V 18.0 V 20.0 V 20.5 V 21.0 V 20.5 V 21.0 V 20.5 V 21.0 V 41.0 V 43.4 V

Especificaciones en condiciones de pruebas estndar de: 1.000 W/m, temperatura de la clula 25C y masa de aire de 1,5 (Segn normativa EN 61215) Specifications under standard testing conditions of: 1,000 W/m, cell temperature: 25C and air mass of 1.5 (In accordance with EN 61215 norm) Caractristiques en conditions de test standard de: 1.000 W/m, temprature de la cellule 25C et masse dair de 1,5 (En accord avec la norme EN 61215)

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[03]-COMPORTAMIENTO DEL PANEL FOTOVOLTAICO

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[01][02][03]

Una vez conocidos estos parmetros, podemos determinar como afectan diferentes factores a los paneles fotovoltaicos.Estructura del panel fotovoltaico.

- La intensidad aumenta con la radiacin, permaneciendo ms o menos constante el voltaje. Es importante conocer este efecto ya que los valores de la radiacin cambian a lo largo de todo el da en funcin del ngulo del Sol con el horizonte, por lo que, es importante la adecuada colocacin de los paneles existiendo la posibilidad de cambiar su posicin a lo largo del tiempo, bien segn la ora del da o la estacin del ao. Un medioda a pleno sol equivale a una radiacin de 1000 W/m2. Cuando el cielo est cubierto, la radiacin a penas alcanza los 100 W/m2. - La exposicin al Sol de las clulas provoca su calentamiento, lo que lleva aparejados cambios en la produccin de electricidad. Una radiacin de 1000 W/m2 es capaz de calentar una clula unos 30C por encima de la temperatura del aire circundante. A medida que aumenta la temperatura, la tensin generada es menor, por lo que es recomendable montar los paneles de tal manera que estn bien aireados y, en el caso de que sea usual alcanzar altas temperaturas, plantearse la posibilidad de instalar paneles con un mayor nmero de clulas. Este factor condiciona enormemente el diseo de los sistemas de concentracin, ya que las temperaturas que se alcanzan son muy elevadas, por lo que las clulas, deben estar diseadas para trabajar en ese rango de

Comportamiento de los paneles.



temperatura o bien, contar con sistemas adecuados para la disipacin de calor. - El nmero de clulas por modulo afecta principalmente al voltaje puesto que cada una de ellas produce 0.4V. La Voc del mdulo aumenta en esa proporcin. Un panel solar fotovoltaico se disea para trabajar a una tensin nominal Vpn, procurando que los valores de VPmax en las condiciones de iluminacin y temperatura ms frecuentes coincidan con Vpn. Los parmetros bajo los que operan los paneles fotovoltaicos, para una determinada localizacin, hacen que la caracterstica de voltaje DC de salida vare dentro de un margen considerable a lo largo de todo el ao. La radiacin y la temperatura ambiente experimentan adems otro tipo de variacin debidos a factores diurnos y estacionarios.[subir] [referencias]


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[01]-LAS BATERIAS

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[01][02]

En las instalaciones fotovoltaicas lo ms habitual es utilizar un conjunto de bateras asociadas en serie o paralelo para almacenar la energa elctrica generada durante las horas de radiacin, para su utilizacin posterior en los momentos de baja o nula insolacin. Hay que destacar que la fiabilidad de la instalacin global de electrificacin depende en gran medida de la del sistema de acumulacin, siendo por ello un elemento al que hay que dar la gran importancia queATERSA Ejemplo de bateria fotovoltaica.

le corresponde. De cara a su empleo en instalaciones de electrificacin fotovoltaica, es necesario conocer los siguientes conceptos: - Capacidad: Es la cantidad de electricidad que puede obtenerse mediante la descarga total de una batera inicialmente cargada al mximo. La capacidad de un acumulador se mide en Amperios-hora (Ah), para un determinado tiempo de descarga, es decir una batera de 130Ah es capaz de suministrar 130A en una hora o 13A en diez horas. Para acumuladores fotovoltaicos es usual referirse a tiempos de descarga de 100 horas. Tambin al igual que para mdulos solares puede definirse el voltaje de circuito abierto y el voltaje en carga. Las bateras tiene un voltaje nominal que suele ser de 2, 6, 12, 24V, aunque siempre vare durante los distintos procesos de operacin. Es importante el voltaje de carga, que es la tensin necesaria para vencer la resistencia que opone el acumulador a ser cargado. - Eficiencia de carga: Que es la relacin entre la energa empleada para cargar la batera y a realmente almacenada. Una eficiencia del 100%

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0_Presentacin CURSOLAR Asociacin de las baterias.

significa que toda la energa empleada para la carga puede ser remplazada para la descarga posterior. Si la eficiencia de carga es baja, es necesario dotarse de un mayor numero de paneles para realizar las mismas aplicaciones. - Autodescarga: Es el proceso por el cual el acumulador, sin estar en uso, tiende a descargarse. - Profundidad de descarga: Se denomina profundidad de descarga al valor en tanto por ciento de la energa que se ha sacado de un acumulador plenamente cargado en una descarga. Como ejemplo, si tenemos una batera de 100Ah y la sometemos a una descarga de 20Ah, esto representa una profundidad de descarga del 20%. A partir de la profundidad de descarga podemos encontrarnos con descargas superficiales (de menos del 20%) o profundas (hasta 80%). Ambas pueden relacionarse con ciclos diarios y anuales. Es necesario recalcar que cuanto menos profundos sean los ciclos de carga/descarga, mayor ser la duracin del acumulador. Tambin es importante saber que, para la mayora de los tipos de bateras, un acumulador que queda totalmente descargado, puede quedar daado seriamente y perder gran parte de su capacidad de carga. Todos estos parmetros caractersticos de los acumuladores pueden variar sensiblemente con las condiciones ambientales, tal como ocurra en los mdulos fotovoltaicos.

Reaccin qumica en las baterias. Cortesa M.A Ejido. Instituto Energa Solar. Madrid

[subir]

[referencias]

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[02]-TIPOS DE BATERIASVer documentoHoja de caractersticas de baterias. Cortesa de ATERSA

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[01][02]

En diferentes fases de desarrollo se encuentran bateras de distintos tipos, algunos de los cuales son: - Plomo cido (Pb-cido) - Nquel-Cadmio (Ni-Cd) - Nquel-Zinc (Ni-Zn) - Zn-Cloro (Zn-Cl2) De todos los acumuladores ms del 90% del mercado corresponde a las bateras de plomo cido, que en general, y siempre que pueda realizarse un mantenimiento, son las que mejor se adaptan a los sistemas de generacin fotovoltaica. Dentro de las de plomo cido se encuentran las de Plomo-Calcio (Pb-Ca) y las de Plomo-Antimonio (Pb-Sb). Las primeras tienen a su favor una menor autodescarga, as como un mantenimiento mas limitado, mientras que las de Pb-Sb de tipo abierto y tubular se deterioran menos con la sucesin de ciclos y presentan mejores propiedades para niveles de baja carga. Este segundo tipo de bateras soporta grandes descargas y siempre tienen, atendiendo a las condiciones de uso, una vida media de diez o quince aos. Por su implantacin a nivel comercial tiene tambin cierta importancia los acumuladores de Nquel-Cadmio, que entre otras ventajas frente a las de plomo cido presentan la posibilidad de ser empleados sin elemento regulador, la posibilidad de permanec

IDEA (c) 2005 - Curso de Energía Solar Fotovoltaica -

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