PROYECTO:

“PILA FOTOVOLTAICA”

DANIEL ARAMBURO

GRELY GÓMEZ

PRESENTADO AL

ING. LUIS GARCÍA

GRUPO 1

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA

ENERGÍAS ALTERNATIVAS

FACULTAD DE INGENIERÍAS

BOGOTÁ, D.C.

2012

INTRODUCCIÓN

La energía útil es un bien estratégico, al igual que su uso racional, sin embargo, en la actualidad

este uso a sido despilfarrado provocando fenómenos medioambientales no deseados tales como

el calentamiento global, efecto invernadero y la lluvia ácida.

Existen experiencias de fuerte desarrollo de energías alternativas tales como biomasa, eólica, solar

térmica y fotovoltaica, entre otras, en diversos países como: España, Francia, Estados Unidos,

entre otros con un éxito notable, por lo que si en algunos otros, se continúa apoyando a las

fuentes fósiles como único medio para la creación de energía útil, en especial si dichas fuentes no

son autóctonas, la situación no mejorará, por lo tanto, la postura más inteligente es contemplar a

las fuentes energéticas como un todo, dando mayor importancia a unos tipos de energía que a

otros , en función de las posibilidades del país en cuestión.

En el presente avance se expone:

En que consiste una de las energías alternativas que se viene desarrollando en sistemas

aislados o donde los tendidos eléctricos no están suficientemente desarrollados como lo

son las células o pilas fotovoltaicas.

Inicio, desarrollo y avances en la actualidad de esta energía alternativa

Como se desarrolla y pautas para el proyecto a nivel laboratorio de una pila fotovoltaica

MARCO TEÓRICO

La energía solar fotovoltaica se basa en la captación de energía solar y su transformación en

energía eléctrica [1], para conseguirlo, se requiere un material que absorba la luz del Sol y sea

capaz de transformar la energía radiante absorbida en energía eléctrica [2], estos sistemas se

caracterizan por un grado de autonomía respecto al clima, lugar geográfico y otras condiciones

que pocas fuentes energéticas pueden alcanzar. Las localizaciones geográficas caracterizadas por

recibir un alto nivel de radiación solar son las más propicias para su utilización. [3]

Las células fotovoltaicas en su forma más común, están compuestas casi de forma principal de

silicio [4], el elemento más abundante existente en la naturaleza, siendo capaces de generar cada

una de 2 a 4 Amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48 V [*], utilizando como materia prima la

radiación solar. Al carecer de elementos mecánicos en movimiento puede, al menos en teoría,

aunque no en la práctica, funcionar indefinidamente sin desgaste y su salida directa es la

electricidad, probablemente la forma más útil de energía conocida hasta la fecha. [4*]

La energía solar se puede transformar de dos maneras:

1. Utilizar una parte del espectro electromagnético de la energía del sol para producir calor.

A la energía obtenida se le llama energía solar térmica. La transformación se realiza

mediante el empleo de colectores térmicos

2. Utilizar la otra parte del espectro electromagnético de la energía del sol para producir

electricidad. A la energía obtenida se le llama energía solar fotovoltaica. La transformación

se realiza por medio de módulos o paneles solares fotovoltaicos.[5]

En 2009, se calcula que las nuevas células fotovoltaicas instaladas en todo el mundo generaron un

volumen máximo de electricidad de 7,4 GW, de los que 5,8 GW corresponden a Europa. Un año

más estas cifras muestran el liderazgo de la UE, donde se instalaron más de las tres cuartas partes

de los nuevos sistemas fotovoltaicos. [6]

FIGURA 1. INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS TOTALES DE 2000 A 2009

FUENTE: www.ec.europa.eu/dgs/jrc/downloads/jrc_20100906_newsrelease_pv_es.pdf

En la Figura 1. se puede observar notablemente el avance progresivo de la tecnología fotovoltaica

de los países europeos, siendo el líder en energías renovables Alemania seguido de España ya que

se benefician de la legislación que los rige en materia de las energías renovables, el cual fomentan

el uso de la energía procedente de fuentes renovables, por lo tanto, la Directiva 2009/28/CE del

Parlamento Europeo y del Consejo establece un marco común de uso de energía procedente de

fuentes renovables con el fin de limitar las emisiones de gases de efecto invernadero y fomentar

un transporte más limpio. A tal efecto, se definen los planes de acción nacionales así como las

modalidades de uso de los biocarburantes. [7]

HISTORIA

El término fotovoltaico procede del griego foto (Luz), y voltio (Alejandro Volta), unidad de la fuerza

electromotriz causante del movimiento de los electrones. Alejandro Volta de cuyo nombre viene la

palabra voltio fue el inventor de la batería. La energía fotovoltaica trata, por tanto, de la

transformación de la energía luminosa en energía eléctrica de modo directo.

El descubrimiento de la energía fotovoltaica es atribuido a Becquerel que en 1839 publicó un

estudio describiendo sus experimentos con una batería húmeda, en el curso del cual encontró que

cuando unas láminas de plata eran expuestas a la luz del sol aumentaban su tensión eléctrica. El

primer informe sobre el efecto fotovoltaico apareció en 1877, cuando Adams y Day describieron la

variación de las propiedades del Selenio cuando era expuesto a la luz del sol.

En 1948, Bardeen Brattain, también de los laboratorios Bell, produjeron otro dispositivo

revolucionario que conoció el nombre de transistor. Los transistores se fabrican a partir de

semiconductores (generalmente de silicio) en forma cristalina extremadamente pura, dentro de la

cual unas pequeñas cantidades de impurezas, tales como el Boro o Fósforo, has sido

deliberadamente difundida. Este proceso recibe el nombre de dopado, y altera radicalmente el

comportamiento eléctrico del semiconductor en la forma útil que describiremos más adelante.

En 1958, las células solares se utilizan ya en los pequeños transmisores de radio utilizados en los

satélites artificiales, con el Vanguard I. A partir de este éxito inicial se uso en los aparatos

aeroespaciales ha resultado casi ininterrumpido.

En las últimas décadas se ha realizado un notable progreso tanto en eficiencia como en reducción

del coste. Su uso en aplicaciones terrestres es aún relativamente moderno, en especial en

telecomunicaciones, iluminación y otras aplicaciones en localizaciones remotas, donde un

suministro de energía por el método convencional resultaría demasiado costoso.

Una única célula o pila FV produce tan sólo 1,5 W, de forma que para obtener más potencia

tendremos que agrupar las células en forma de paneles rectangulares, por lo tanto, se unirán una

junto a otra en forma de un módulo.

En ciertos países como: USA, Alemania, Italia, España y Suiza existe un cierto número de parques

FV que logran obtener varios MW de electricidad que se conectan a la red eléctrica.

CELDA SOLAR

La célula solar es el elemento elemental de la tecnología fotovoltaica. Las células solares están hechas de materiales semiconductores, tales como el silicio. Una de las propiedades de los semiconductores que las hace más útil es que su conductividad puede ser fácilmente modificada mediante la introducción de impurezas en su red cristalina. [9] Al incidir los rayos del sol en un semiconductor, algunos de los electrones de la banda de valencia absorben energía de los fotones y pasan a la banda de conducción donde pueden ser llevados fácilmente a un circuito externo generando por tanto una corriente electrónica. Al dejar su lugar los electrones, provocan en el material “huecos”, considerados como una partícula de signo positivo, los cuales también se “mueven” como una corriente en sentido opuesto a la electrónica. Este movimiento se asemeja al desplazamiento de una burbuja en el agua. Para que los electrones y huecos generados por la luz solar no se recombinen dentro del semiconductor se debe contar con un campo eléctrico interno, en cuyo sentido se moverán los electrones. Este campo eléctrico es producido en general por una juntura similar a la del diodo semiconductor. El elemento más importante en la estructura de una celda es el semiconductor. La estructura física, o arreglo atómico, de los semiconductores se puede dividir en tres grupos: Cristal simple, policristalino y amorfo. La estructura de cristal simple se caracteriza por un ordenamiento periódico de átomos obteniendo una forma geométrica tridimensional de un paralelepípedo. Tal

es el caso del Silicio el cual comparte cada uno de sus cuatro electrones de valencia en una unión covalente con cada átomo vecino de silicio, el sólido por lo tanto, consiste en una unidad básica de 5 átomos de silicio, el átomo original más los cuatro átomos con los que comparte sus electrones de valencia, así como lo muestra la Figura 2.

FIGURA 2. ÁTOMO DE SILICIO

Fuente: http://web.ing.puc.cl/~power/paperspdf/pereda.pdf

Un material policristalino esta compuesto de varias subsecciones cada una de ellas con forma

cristalina, estas subsecciones tienen una orientación independiente y regularmente, en sus

interfaces se producen discontinuidades. Un material amorfo no tiene una regularidad en su

arreglo atómico. [10]

FIGURA 3. DIFERENCIAS ENTRE LOS PANELES SEGÚN LA TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN.

Fuente: http://www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/8448171691.pdf

OTROS TIPOS DE CÉLULAS

Teluro de Cadmio (CdTe): es otro material policristalino de lámina delgada importante. Con un gap de 1,44 eV también posee un elevado coeficiente de absorción. Uno de sus problemas es su elevada resistividad eléctrica, solventada mediante la adición de una capa de ZnTe entre el CdTe y el contacto.

Arseniuro de Galio: es un componente semiconductor mezcla de dos elementos. Tiene la ventaja sobre el silicio, que trabaja mejor a altas temperaturas, hecho de gran importancia para células que trabajan en sistemas concentradores de radiación. [11]

EVOLUCIÓN DE LA EFICIENCIA DE DISPOSITIVOS FOTOVOLTAICOS

FIGURA 4. EVOLUCIÓN DE LA EFICIENCIA DE CONVERSIÓN DE CELDAS SOLARES BASADAS EN Si-

CRISTALINO, Si-AMORFO, CdTe Y CuInSe2

Fuente:

En la Figura 4. se observa la eficiencia (%) definida como la potencia de salida de la celda / potencia de la radiación incidente, con respecto a esto se puede decir que el aumento en la eficiencia de las celdas se ha logrado mediante la introducción de nuevos conceptos en la estructura de los dispositivos, por lo tanto, en la Figura mostrada anteriormente se ve claramente que el material que tiene una mayor eficiencia es el Silicio-Cristalino la cual presenta una estructura completamente ordenada, cuyo comportamiento uniforme lo convierte en óptimo semiconductor, pero de fabricación onerosa. Es fácilmente reconocible por su monocromía azulada oscura y metálica, el Silicio amorfo difiere de las demás estructuras cristalinas por

presentar un alto grado de desorden en la estructura de los átomos, con lo cual contiene un gran número de defectos estructurales y de enlaces con respecto a las células cristalinas tienen un proceso de fabricación más simple y por tanto un coste muy inferior pero presenta menor eficiencia como se puede observar en la Figura 3. [12]

FOTOVOLTAICA DE SILICIO: PRINCIPIOS BÁSICOS

Las células fotovoltaicas constan, en esencia, de la unión de dos finas capas de materiales

semiconductores distintos, formando lo que se denomina unión p-n, es decir de tipos de

semiconductores p (positivo) y n (negativo). Estos semiconductores se obtienen a partir del silicio

aunque las células FV pueden también fabricarse con otros materiales.

La luz puede considerarse que consta de pequeñas partículas de energía, llamadas fotones.

Cuando los fotones procedentes de la luz de una adecuada longitud de onda cae dentro de la

unión p-n, pueden transferir su energía a alguno de los electrones del material, promoviéndolos a

un nivel de energía más elevado. Normalmente estos electrones ayudan a mantener el material

unido y forman lo que se llama la banda de valencia donde los átomos se encuentran tan juntos

que no pueden moverse. En su estado <<excitado>>, sin embargo, los electrones quedan libres

para conducir la corriente eléctrica moviéndose a través del material. Además, cuando los

electrones se mueven dejan atrás agujeros en el material, los cuales también pueden moverse.

FIGURA 5. ESQUEMA BÁSICO DEL FUNCIONAMIENTO DE LAS CELDAS SOLARES [*]

[*]www.google.com.co/imgres?q=esquema+de+una+celda+solar+fotovoltaica&hl=es&biw=1440&bih=797&gbv=2&tbm=isch&tbnid=d6eNaG_ArFE4XM:

&imgrefurl=http://www.monografias.com/trabajos61/energia-fotovoltaica/energia-

fotovoltaica.shtml&docid=ZAR24isB75nXfM&imgurl=http://www.monografias.com/trabajos61/energia-

fotovoltaica/Image27062.gif&w=300&h=253&ei=xn6uT_QgwaeDB_3KvM0J&zoom=1&iact=hc&vpx=363&vpy=482&dur=3173&hovh=202&hovw=240&tx=

173&ty=149&sig=107582213033971936631&page=1&tbnh=130&tbnw=154&start=0&ndsp=28&ved=1t:429,r:22,s:0,i:115

CÉLULAS FOTOELECTROQUÍMICAS

Consigue producir electricidad barata a partir de la energía solar y ha sido llevada a cabo por

científicos suizos. Los dispositivos fotoelectroquímicos no son fotovoltaicos: este término implica

un dispositivo de estado sólido. Los dispositivos fotoelectroquímicos, sin embargo, usan líquidos.

Consta esencialmente de dos láminas de cristal, ambas cubiertas por una delgada lámina

transparente de óxido de estaño y eléctricamente conductora. A esa lámina se le añade una

delgada capa de un semiconductor, el dióxido de titanio (TiO2). La superficie de TiO2 es tratada

para darle una rugosidad extremadamente alta, reforzando así las propiedades de absorbancia de

la luz.

Después de la superficie rugosa de TiO2, existe una capa de tinte sensitizador de tan sólo una

molécula de grosor, hecha de una <<transición compleja de metal>> basada en rutenio u osmio,

situada entre este TiO2 sensitizado y la otra placa de cristal es una placa gruesa del electrolito

basado en yodo.

Al absorber un fotón de una adecuada longitud de onda, la capa sensitizadora inyecta un electrón

en la banda de conducción de dióxido de titanio. Los electrones así generados se mueven a un

fondo de la capa conductora eléctricamente (electrodo) pasando a través de un circuito donde

puede funcionar. Pudiendo entonces entrar de nuevo a través del electrodo superior, donde

conduce un proceso de oxidación-reducción en la solución yodada, lo que suministra electrones a

la capa de TiO2 sensitizada con el fin de permitir que el proceso continúe.

El equipo investigador suizo declara conseguir eficiencia del 10% a plena luz del sol y sus células

son estables durante largos períodos, aunque algunos investigadores no estén totalmente

convencidos de ellos. Las células FV basadas en esta tecnología están siendo fabricadas a pequeña

escala por STI en Australia. [4*]

ELEMENTOS DE UNA INSTALACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA (ISF)

FIGURA 6. COMPONENTES DE LA INSTALACIÓN

Fuente: www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/8448171691.pdf

ELEMENTOS DE UNA ISF

MÓDULO FOTOVOLTAICO

REGULADOR DE CARGA

BATERÍA

INVERSOR

REGULADOR DE CARGA: Es necesario instalar un sistema de regulación de carga en la unión entre

los paneles solares y las baterías, tiene como misión evitar situaciones de carga y sobredescarga

de la batería, con el fin de alargar su vida útil.

BATERÍA: Las baterías son dispositivos capaces de transformar la energía química en eléctrica. El

funcionamiento en una instalación fotovoltaica es la siguiente:

Como misión en las instalaciones fotovoltaica son:

1. Almacenar energía durante un determinado número de días

2. Proporcionar una potencia instantánea elevada

3. Fijar la tensión de trabajo de la instalación

INVERSOR: El inversor se encarga de convertir la corriente continua de la instalación en corriente alterna, igual a la utilizada en la red eléctrica: 220V de valor eficaz y una frecuencia de 50 Hz. Es un elemento imprescindible en las instalaciones, su esquema se ve representado en la Figura 7.

FIGURA 7. ESQUEMA GENERAL DE UNA INSTALACIÓN CON UN INVERSOR

Fuente: www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/8448171691.pdf

CÁLCULOS PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS Y RENDIMIENTOS Para diseñar los dispositivos para la transformación de energía y determinar la orientación que se les debe dar según los cambios de radiación durante el año, la correlación empírica que más se usa es la de Ángstrom, la cual se utiliza en ausencia de datos experimentales o de mapas. Esta correlación incluye el valor de la radiación solar promedio (I) en el lugar y en un tiempo dado, la radiación solar para una atmósfera completamente despejada (I0) en el lugar para el mismo período de tiempo, y el brillo solar promedio (n) para las mismas condiciones espacio temporales, todo esto con la suposición de la incidencia de las radiaciones sobre una superficie horizontal. Además, involucra la duración promedio del día en esa latitud (N) y dos constantes, a y b, que en ausencia de brillo solar, la constante a relaciona la fracción de radiación global terrestre con la extraterrestre, y la constante b representa la variación de I/I0, con respecto a la variación n/N:

(1) El brillo solar (n) es el tiempo durante el cual se tiene una intensidad de radiación solar superior a 120 W/m2 (v.g. en Medellín varía entre 150 y 200 horas por mes). A manera de ejemplo en la Tabla 1 se citan ciertos valores promedios de I0 y las constantes a y b para el mes de enero en varias ciudades del país [GONZÁLEZ y LEAL, 1997].

Tabla 1. Valores promedio de las variables en la evaluación solar en Colombia [GONZÁLEZ y LEAL, 1997]

La radiación solar incidente (I) puede expresarse en W/m2, dividiendo el valor obtenido con la ecuación (1), por el número de horas sol por día. En cuanto a la energía radiante del sol que absorbe una placa de un colector de placa plana (S) y de concentración, se puede calcular como en (2):

(2) Siendo:

La reflactancia especular se define como la fracción de energía solar directa incidente que se refleja hacia el receptor, según las leyes de la reflexión, de forma que el ángulo de incidencia y el reflejado, ambos respecto a la normal en un punto cualquiera de la superficie reflectora, sean iguales. Las pérdidas por reflexión son iguales a 1- . La tramitancia y la absortancia tienen el mismo significado que en los colectores de placa plana, aunque los valores difieren dado que las condiciones de diseño también son diferentes, considerándose las siguientes:

Si el concentrador no tiene cubierta =1.

Si el receptor es de cavidad, el valor de tiende a la unidad, con una emitancia elevada.

El factor de interceptación Fj representa la fracción de energía reflejada en el concentrador, que es interceptada a su vez por el receptor de energía. Este factor es una propiedad del concentrador y de su sistema de orientación al producir la imagen solar, del receptor y de su posición en el colector, al interceptar una parte de dicha imagen solar. Se halla como:

(3) Además depende de las imperfecciones del material reflectante, lo que provoca que algunos rayos no intercepten al tubo absorbente durante la trayectoria después de ser reflejados. Un valor típico de este parámetro óptico es 95%. RB depende de la latitud (positiva para el norte), la declinación (posición angular del sol al medio día con respecto al plano del ecuador, siendo positiva para el norte), la inclinación de la superficie (ángulo formado por la superficie y la horizontal), y el ángulo horario (positivo para el día y negativo para la tarde).

(4) La declinación se obtiene de la ecuación de Cooper:

(5) En el caso de colectores de concentración, la energía absorbida por una superficie localizada en le foco del concentrador se calcula de la misma manera que en el caso anterior (ecuación 2), sólo que a esa expresión se multiplica por el factor de concentración (fc):

(6) El factor de concentración es un número mayor que 1 y da cuenta de la capacidad del sistema de concentrar rayos solares en un punto deseado. Este valor depende de la geometría del concentrador y del área de superficie especular con que se diseñe el equipo. Una vez conocida la radiación que absorbe la placa o el tubo, se puede determinar el área de colector requerido (En este caso la radiación que absorbe la placa, S, debe expresarse en W/m2)

(7) La energía útil se calcula de acuerdo con el sistema de calentamiento deseado:

Para calentamiento de agua:

Para calentamiento de aire:

Para generar vapor:

Donde es el calor latente de evaporación, Cp, k es el calor específico a presión constante de la especie k., Tf es la temperatura final que se desea, Ti es la temperatura inicial del fluido. De otro lado, las pérdidas se evalúan considerando las pérdidas en el recinto interno del colector donde existe aire, en la cubierta, a través del aislamiento y paredes del colector.

La evaluación de las pérdidas no es una tarea fácil y por lo tanto se recurre a utilizar el valor de la eficiencia del colector ( ) que la da el fabricante del equipo. En consecuencia el área de colector se evalúa como en la ecuación (8).

(8) Las pérdidas de energía se expresan en términos del coeficiente de transferencias de calor (UL), temperatura de entrada al colector (Te) y la temperatura ambiente (Tamb):

Los valores típicos de coeficiente de transferencias de calor (UL) varía entre 4 y 4.5 W/ m2 K, con respecto al factor de eficiencia (FR), los valores típicos son del orden entre 0.7 y 0.85. Como datos de diseño típicos se tiene que la relación entre área del colector en m2 requerida (A) y consumo de agua caliente en litros/día (G) tiene que estar: De otro lado, el volumen de almacenamiento en el tanque de agua se requiere que la relación volumen (V) a área de colector (A) sea:

El área de captación solar para calentamiento de aire se estima en: 20-60 m3/h/m2

APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR EN LA INDUSTRIA Las aplicaciones de la energía solar que podrían tener cabida en Colombia se relacionan con:

Calentamiento de agua y otros fluidos industriales.

Secado de productos agrícolas y de maderas.

Centrales solares de potencias (térmicas y fotovoltaicas).

Uso eficiente y racional de energía

Motores térmicos solares.

Conversión fotoquímica y termoquímica.

Producción de hidrógeno.

Refrigeración y aire acondicionado solar.

Sistemas fotovoltaicos aislados de la red.

Los sistemas de generación de energía eléctrica se utilizan en zonas excluidas de la red de distribución eléctrica, pudiendo trabajar en forma independiente o combinada con sistemas de generación eléctrica convencional [SOLARTRONIC, 2004]. Sus principales aplicaciones son:

Electrificación de inmuebles rurales: Luz, TV, telefonía, comunicaciones, bombas de agua.

Electrificación de alambrados para el sector ganadero.

Alumbrado exterior.

Balizado y señalización.

Protección catódica.

Náutica, casas rodantes, etc.

Boyas marinas, teléfonos de emergencia en carreteras y autopistas.

El diseño de sistemas solares para la generación de energía térmica y de sistemas solares integrados a sistemas convencionales de respaldo depende de las condiciones de operación del proceso industrial, de los materiales disponibles para la construcción de los sistemas, de las características de los sistemas solares y de las condiciones ambientales. Por lo tanto, en el momento de diseñar un sistema para el aprovechamiento de la energía solar, no se debe olvidar analizar estos cuatros aspectos. Es importante anotar que la energía solar no es constante durante el día y, por ende, no es fácil suministrar un recurso caliente a una temperatura constante, lo cual exigirá que los sistemas solares sean integrados a sistemas convencionales de respaldo, a sistemas de almacenamiento de energía solar y a un estricto sistema de control, lo cual trae como consecuencia un incremento en los costos de instalación. En cuanto a los materiales utilizados para la construcción de sistemas solares deben ser cuidadosamente seleccionados para evitar la corrosión y mejorar la transferencia de energía. [13]

EN LA ACTUALIDAD

El estado actual de difusión de la tecnología fotovoltaica es muy significativo para el área de

América Central debido a los siguientes factores:

Existen organismos internacionales y regionales que promueven el uso sostenible de las

energías renovables

Los precios de los equipos fotovoltaicos se han reducido considerablemente en años

recientes. Por ejemplo, para un sistema fotovoltaico típico para aplicaciones rurales, los

costos en el año 2000 se han reducido en un 29% con respecto del año 1997. La Figura 8.

muestra la evolución de los costos promedios de un sistema fotovoltaico doméstico de

pequeña capacidad (75 Wp) en El Salvador en los últimos años.

Igualmente se están haciendo importantes avances en la reducción de su precio, tal como es el

caso de un equipo coreano del Instituto de Ciencia y Tecnología Gwangju, que ha creado celdas

con una eficiencia del 6.5% (con expectativas de elevarla a 15%) a un precio de 0.1 dólares (1.1

MXN*) por watt, se espera que esta tecnología llegue al mercado en un periodo dentro tres a

cinco años. Sin embargo, este tipo de celdas ha sido criticado debido a que se fabrican con

plásticos derivados del petróleo, lo que en realidad no representa un problema muy grave, ya que

si se migra a energías alternativas, se podría utilizar el que ahora se está quemando, pero esto

representa de todas formas una dependencia al petróleo; por otro lado, este inconveniente podría

ser solucionado con la síntesis de los plásticos a partir de carbón o de gas de síntesis obtenido a

partir de CO2 con otro tipo de celdas u otras energías alternativas tal como la eólica, geotérmica o

el soplete de plasma. [5*]

FIGURA 8. Evolución del precio de un pequeño sistema fotovoltaico (75 Wp) en El Salvador.

Fuente: www.bun-ca.org/publicaciones/FOTOVOLT.pdf

FIGURA 9. PRONÓSTICO DEL PRECIO DEL WATT FOTOVOLTAICO COMO FUNCIÓN DE LA

EFICIENCIA Y DEL COSTO DEL MATERIAL, PARA TRES GRUPOS DIFERENTES DE CELDAS SOLARES: I,

SI MONO Y POLICRISTALINO VOLUMÉTRICO; II: LÁMINAS DELGADAS Y III DE ALTA EFICIENCIA.

Fuente: www.revista.unam.mx/vol.8/num12/art89/Dic_art89.pdf

En la Figura 9. muestra el pronóstico del precio del watt fotovoltaico (no con el barril costando

$100 dólares) que puede obtenerse como función de la eficiencia y del costo por área del material

con que se producen las celdas solares. Tres diferentes grupos de celdas solares destacan: el grupo

I, constituido por las celdas solares en base a Si volumétrico mono y policristalino, con eficiencias

cercanas al 20% y costos del material del orden de $350 dólares, permite alcanzar precios del watt

fotovoltaico por debajo de los $3.50 dólares. Las celdas solares fabricadas en base a películas

delgadas -designadas como grupo II- poseen un costo menor por área, al utilizar menos material, y

aunque poseen una eficiencia menor que las del grupo I, el costo del watt fotovoltaico puede

llegar a disminuir hasta 1 dólar. Las prometedoras celdas de alta eficiencia constituyen el grupo III,

con las cuales se esperan costos de alrededor de 0.20 dólares por watt fotovoltaico. En la

actualidad, varias son las instituciones encargadas en desarrollar celdas solares de alta eficiencia,

destacándose el proyecto de la Universidad de Delaware para obtener eficiencias de conversión

del 50%. [14]

First Solar es fabricante de módulos solares de capa fina, con plantas de producción en

Alemania, Malasia y EE.UU. y proveedor de plantas fotovoltaicas a escala industrial. First

Solar es el mayor fabricante de módulos solares a nivel mundial, con una capacidad de

producción en el año 2011 superior a 2.4 Giga vatios (GW). En 2012 se prevé llegar a una

capacidad anual de producción de 2.5 GW. En Europa, First Solar produce módulos

fotovoltaicos en Frankfurt Oder (Alemania) desde el año 2007, donde ha duplicado su

capacidad de producción durante el año 2011. First Solar posee una tecnología propia, que

utiliza una capa semiconductora de Telururo de Cadmio (CdTe) para generar electricidad por

medio del efecto fotovoltaico. Aunque esta tecnología tiene en laboratorio una eficiencia de

conversión menor que las células convencionales de silicio, su coste de fabricación es muy

inferior, y además, gracias a su bajo coeficiente térmico, su instalación es ideal en multitud

de zonas climáticas, en especial en aquellas con mayor irradiación solar. Estudios de campo

demuestran que módulos fotovoltaicos de CdTe pueden tener resultados iguales o mejores

que módulos fotovoltaicos basados en silicio. First Solar fue la primera empresa solar que

logró reducir sus costes de producción a menos de un dólar USA por vatio. El coste de

producción actual (Febrero 2012) es de 0.73 dólares USA por Vatio. La tecnología de CdTe

el Telururo de cadmio (CdTe) es un compuesto estable de Cadmio y Telurio (residuos de

minería) que forma una capa semiconductora que transforma la energía solar en energía

eléctrica. En la fabricación de módulos First Solar se aplica una capa absorbente de Telururo

de cadmio sobre una lámina de vidrio, que queda encapsulado herméticamente con ayuda

de otra lámina de vidrio posterior. El promedio de la eficiencia de transformación de estos

módulos de 11.8%, se encuentra por debajo del rendimiento de módulos convencionales de

silicio. Sin embargo, en condiciones normales de operación, los módulos de CdTe funcionan

mejor que aquellos basados en silicio. [15]

A partir del 31 de julio del presente año comenzará a operar en Chile la mayor planta

generadora de energía solar fotovoltaica, que será también la primera en construirse sólo

con capitales privados (sin subsidios estatales). La central, ubicada en las cercanías de

Vicuña, en la IV Región, demandará una inversión aproximada de US$ 2,4 millones y será

ejecutada por la empresa chilena Kaltemp, en colaboración con la alemana juwi, una de las

más grandes a nivel mundial en el mercado de las Energías Renovables No Convencionales

(ERNC).

Tambo Real contará con una capacidad instalada de 1.200 kw y la energía producida podrá

ser inyectada al Sistema Interconectado Central (SIC) para abastecer, en promedio, 1.260

hogares cada mes, o bien destinarse al riego de más de 500 hectáreas orientadas a la

producción de clementinas y paltas. Para ello, constará con más de 5.000 módulos

policristalinos que estarán distribuidos en menos de dos hectáreas que actualmente se

encontraban en desuso, y que contribuirán a reducir 800 toneladas de CO2 al año.

Gustavo Boetsch, gerente general de Kaltemp, explica que “partimos el proyecto con el fin

de impulsar los sistemas de riego en los campos y reducir sus costos energéticos, pero dado

los valores de energía que está teniendo el mercado spot y la escasez que existe, estamos

pensando conectar la producción al SIC y ofrecerla a terceros”.

Según el ejecutivo, la iniciativa podrá llevarse a cabo gracias a la reducción que en los

últimos dos años ha experimentado el precio de los paneles solares fotovoltaicos a nivel

mundial y, por ende, la instalación de centrales de este tipo (sus valores estimados están

entre US$ 1,7 y US$ 2,3 por kilowatt de energía), lo que está motivando a los privados a

destinar recursos propios a la producción de energías renovables. “Los fabricantes de

paneles solares han llegado a un punto de equilibrio y ahora el formato es económicamente

viable y los precios son razonables para inversionistas como nosotros, que podemos invertir

sin recurrir a subsidios como ocurre en Europa y EEUU”, dice. [16]

China seguido de India se presenta como los mercados con mayores posibilidades de

crecimiento para el sector fotovoltaico para los próximos años. En total se quieren instalar

unos 70 GW de energía solar fotovoltaica hasta el 2020 en estos dos países. Sin embargo, el

alcanzar esta cifra presenta importantes retos, principalmente relacionados no solamente a

los sistemas de tarifas, sino también a las infraestructuras de transmisión existentes en las

redes eléctricas de estos dos países. A la vez, se espera que países como Filipinas e

Indonesia introduzcan programas de incentivos para el desarrollo de la energía solar

fotovoltaica en el corto plazo. Estos países se sumarían a las políticas ya establecidas en

otros países asiáticos como ser Tailandia, Corea, Taiwán y Malasia, que han sido

fundamentales en el crecimiento economías emergentes asiáticas como se ve en la Figura

10. Las estimaciones de acuerdo a la consultora especializada en el mercado fotovoltaico

Solarbuzz, indican que durante el primer trimestre del año 2012 se han instalado unos 3,8

GW en Asia y donde el pipeline se compone de la siguiente manera: A pesar de reducir

potencialmente el retorno de la inversión y a la existencia de mayores barreras de entrada

en la industria fotovoltaica, existe una gran oportunidad para el desarrollo de nuevos

mercados en el continente asiático, lo que está cambiando los planes estratégicos de

expansión en los principales fabricantes de módulos fotovoltaicos. [17]

FIGURA 10. PAISES EN DESARROLLO DE LA ENERGÍA FOTOVOLTAICA

Fuente: www.energiasolaresp.com/2012/04/asia-el-futuro-de-la-energia-solar-en.html

Recientemente se ha popularizado el desarrollo celdas fotovoltaicas de polímeros (también

llamadas celdas orgánicas) como alternativa a las de silicio, estas celdas están basadas en

polímeros y suelen contener fullerenos que le ayudan a generar los portadores de carga.

Actualmente existe una extensa investigación en este tipo de celdas cuyo principal problema

es su baja eficiencia (alrededor del 6%), sin embargo se ha logrado obtener eficiencias del

10% en laboratorio usando técnicas de nanoestructuración con la formación de microtorres

para aumentar la superficie de captación de luz o la adición de nanotubos de carbono para

transportar mejor los electrones. [18]

DESARROLLO EXPERIMENTAL

I. SELECCIÓN DEL MATERIAL

Se usará el cobre como material de construcción de la celda fotovoltaica, por el óxido cuproso

(cu2o) el cual es un semiconductor usado en la fabricación de diodos antes que el silicio, aunque el

silicio es el segundo elemento más abundante después del oxígeno este no se encuentra libre, por

lo tanto, se debe realizar métodos de separación lo cual su adquisición es aún más costosa que el

cobre.

Recipiente de 2 L o más de boca ancha

Caimanes eléctricos

Sal

Voltímetro

Agua

II. PROCEDIMIENTO

DESARROLLO DEL PROYECTO

RESULTADOS

Para evidenciar la construcción y funcionamiento de la pila fotovoltaica de nuestro

proyecto es anexado el link de un vídeo demostrativo de su funcionamiento:

..\Vídeo0000.3gp

Al igual que se quiere observar el comportamiento de la pila a diferentes días, horas del

día con respecto al la intensidad y el voltaje que se genera, los datos son demostrados en

la siguiente tabla:

TOMA DE DATOS No.1 MIERCOLES 2 DE MAYO SOL CON NUBOSIDAD

HORA DEL DÍA V A

10 am 200 mV 210 A

10:10 am 110.5 mV 107.5 A

10:20 am 109.5 mV 108 A

TOMA DE DATOS No.2 JUEVES 3 DE MAYO

HORA DEL DÍA V A

12:30 pm 95.7 mV 94.5 A

12:40 pm 85.4 mV 85.3 A

12:50 pm 86.7 mV 85.3 A

TOMA DE DATOS No.3 JUEVES 10 DE MAYO

HORA DEL DÍA V A

11: 50 am 106.5 mV 104.5 A

12:00 pm 99.7 mV 98.4 A

12: 20 pm 86.7 mV 85.4 A

0

50

100

150

200

250

200 110,5 109,5

mV (TENSIÓN)

A (

CO

RR

IEN

TE

)

May-02

May-03

May-10

En la gráfica anterior se observa como anteriormente se dijo el comportamiento y la

relación que tiene la corriente y la tensión en diferentes días y horas, hay que tener en

cuenta que el clima influye en los valores tanto en la tensión como en la corriente

generada en la pila.

Si se desea calcular los valores de Vm (Tensión máxima) y para esto debemos encontrar un

punto en el cual se interceptan y se vuelven una misma línea, en nuestra obtendríamos el

valor de 110.5 mV.

Ya teniendo el valor de mV hallamos Im (Intensidad máxima) la cual la calculamos con el

valor de mV y haciéndola cruzar por cada una de las rectas de los diferentes días por el eje

y así que los valores son los siguientes:

Mayo 2 Mayo 3 Mayo 10

0,000109 A 0,000085 A 0,0001 A

Fuente: www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/8448171691.pdf

La potencia hallada es de:

Mayo 2 Mayo 3 Mayo 10

1,20445E-05 W 9,3925E-06 W 0,00001105

HORA DEL DÍA Vs. VOLTAJE

0

50

100

150

200

250

12:00

AM

2:24 AM 4:48 AM 7:12 AM 9:36 AM 12:00

PM

2:24 PM

HORA

VO

LT

AJE

(m

V)

May-02

May-03

May-10

HORA DEL DÍA Vs. VOLTAJE

0

50

100

150

200

250

12:00

AM

2:24 AM 4:48 AM 7:12 AM 9:36 AM 12:00

PM

2:24 PM

HORA

A (

mic

roA

)

May-02

May-03

May-10

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Energía Solar Fotovoltaica

www.miliarium.com/Bibliografia/Monografias/Energia/EnergiasRenovables/EnergiaSolarF

otovoltaica.asp

[2] Centro de Investigaciones energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (Ciemat)

www.energiasrenovables.ciemat.es/suplementos/sit_actual_renovables/fotovoltaica.htm

[3] La Energía rincondelvago.com/energia-fotovoltaica_1.html

[4]

[5] PNUD; GEF y BUN-CA. Manuales sobre energía renovable: Solar Fotovoltaica. San José,

Costa Rica. Septiembre 2002. ISBN: 9968-9708-9-1.

www.bun-ca.org/publicaciones/FOTOVOLT.pdf

[6] JRC EUROPEAN COMMISSIONS, NEWS RELEASE. BRUSELAS. SEPTIEMBRE 2010. Tres

cuartas partes de los sistemas fotovoltaicos instalados en todo el mundo en 2009 se

ubicaron en la UE

www.ec.europa.eu/dgs/jrc/downloads/jrc_20100906_newsrelease_pv_es.pdf

[7] FOMENTO DEL USO DE ENERGÍA PROCEDENTE DE FUENTES RENOVABLES

www.europa.eu/legislation_summaries/energy/renewable_energy/en0009_es.htm

[8]

[9] PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY 2009 ISBN 978-92-79-10644-6

http://ec.europa.eu/energy/publications/doc/2009_report-solar-energy.pdf

[10] CELDAS FOTOVOLTAICAS EN GENERACION DISTRIBUIDA. ISIDRO ELVIS PEREDA SOTO

http://web.ing.puc.cl/~power/paperspdf/pereda.pdf 2005

[11] Lamaison Urioste, Rafael M. Energía Solar fotovoltaica – ESF MODULO 3: CÉLULAS,

PANELES Y GENERADORES F.V. Dep. D’Enginyeria Electrònica-UPC

tec.upc.es/esf/M3_disp-FV_BN.pdf

[12]

[13] CHEJNE JANNA, FARID. ET ALI. TECNOLOGÍAS DE CONVERSIÓN Y RECUPERACIÓN DE ENERGÍA: Convencionales y nuevas tendencias. FACULTAD DE MINAS UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Medellín, Colombia – 2007. ISBN 978-958-44-1376-5 SOLARTRONIC. Energía Renovable. www.solartronic.com/Sistemas_Fotovoltaicos/ Curso/Brevel/Introducción. GONZALEZ, Julio y LEAL, Hildebrando. Energía solar Fotovoltaica. En Energía: sus perspectivas, su conversión y utilizaciones en Colombia. TM Editores e impresores Ltda. 1997. 401 p. [14] DR. HERNÁNDEZ GARCÍA, LUIS MANUEL. ENERGÍA, ENERGÍA FOTOVOLTAICA Y CELDAS SOLARES DE ALTA EFICIENCIA. REVISTA DIGITAL UNIVERSITARIA. VOLUMEN 8 NÚMERO 12. 10 DE DICIEMBRE 2007. ISSN: 1067-6079. www.revista.unam.mx/vol.8/num12/art89/Dic_art89.pdf [15] First Solar. Internet: [es.wikipedia.org/wiki/First_Solar] [16] Noticia. Construcción de una planta solar en Chile. www.portalminero.com/noti/noticias_ver_ch.php?codigo=16974&fecha=4 [17] Noticia. Asia, el futuro de la energía solar en 2012. www.energiasolaresp.com/2012/04/asia-el-futuro-de-la-energia-solar-en.html [18] Noticia. Nuevas Tecnologías en Paneles Solares Orgánicos. cimiento.bligoo.com/content/view/107335/Nuevas-tecnologias-en-paneles-solares-organicos.html