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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANASEDE QUITO

FACULTAD DE INGENIERIAS

CARRERA DE INGENIERIA ELECTRICA

Tesis previa a Ia obtención del Título de:INGENIERO ELECTRICO

TEMA: ESTUDIO DE FACTIBILIDAD PARA LA FABRICACIÓN

DE PANELES SOLARES EN EL ECUADOR PARA LA

GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA.

AUTOR: Luis Edwin Juiña Quishpe

DIRECTOR: Ing. Benigno Santos

Quito, Septiembre 2009

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Los conceptos desarrollados, análisis realizados y las conclusiones del presente

trabajo, son de exclusiva responsabilidad del Sr. Luis Edwin Juiña Quishpe.

Quito, Julio-29-2009.

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Ing. Benigno Santos

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DEDICATORIA

El presente trabajo, dedico a mis padres,

hermanos y novia por su apoyo total para el

desarrollo de esta tesis.

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AGRADECIMIENTO

Dejo constancia de mi eterno agradecimiento a todos

quienes de una u otra manera apoyaron para llegar a la

culminación de mi carrera.

A mis padres, hermanos y amigos que siempre me han

apoyado incondicionalmente.Mi gratitud a la Universidad Politécnica Salesiana por

brindarme su sabiduría y conocimientos para hacer de

mí un ser útil a la sociedad.

Así también dejo expresado mi gratitud al Ing. Benigno

Santos, director de esta tesis por sus sugerencias dadas.

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INDICE GENERAL

CAPITULO I

ASPECTOS GENERALES…………….…………………………………………1

1.1 . Introducción…...………………..………………………………………...........1

1.2. Antecedentes……………………………………………………………….......2

1.3. Planteamiento del Problema………...…………………………………….......3

1.4. Justificación...…………………………….…………………………………….4

1.5. Alcance………………………………………………………………………….5

1.6. Objetivos…………………………………….…………………………………..6

1.6.1. Objetivos Generales…...…………….………………………………6

1.6.2. Objetivos Específicos……………………………………………......6

1.7. ENERGIA SOLAR……………………...…………………………...................7

1.7.1. Introducción……………………….………………………………….7

1.7.2. Energía Solar Fotovoltaica…………………………...……………...9

1.7.2.1. Teoria de Max Planck………………………………….…………10

1.7.3. Energía Solar Térmica………………………………………..……..18

1.7.4. Evaluación del recurso………………………………………………19

1.7.5. Radiación Directa……………………………………………………19

1.7.6. Radiación Difusa…………………………………………………….19

1.8. YACIMIENTOS Y OBTENCION DE SILICIO……………………………20

1.8.1. Introducción…………………………………………………………20

1.8.2. Silicio…………………………………………………………………20

1.8.3. Historia……………………………………………………………....21

1.8.4. Características Principales………………………………………...26

1.8.5. Abundancia y Obtención……………………………………...........22

1.8.6. Métodos de obtención del Silicio……...…………………………....221.8.7. Yacimientos de Silicio……………………………………………….24

1.8.8. Mapa de Yacimientos de Silicio del Ecuador…...…………………25

1.8.9. Aplicaciones………………………………...……………………….26

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CAPITULO IV

PERSPECTIVAS DE DESARROLLO DE SISTEMAS DE PANELES

SOLARES EN EL ECUADOR……………………………………………………59

4.1. Consideraciones geográficas y climáticas…...…………………………….....59

4.2. Mapa de insolación difusa promedio del Ecuador año 2008………………..62

4.2.1. Diseño del sistema de módulos solares.............................………….63

4.2.1.1. Calculo Práctico de Numero de Paneles solares……………...….64

4.3. ANALISIS LEGAL……………………………………………………...........67

4.3.1. Legislación Minera………...………………………………………...67

4.4. Leyes del sector eléctrico ecuatoriano para energías no convencionales......69

4.5. Tendencias futuras……...……………………………………………………..72

4.5.1. Programas Internacionales de Energías renovables…...………….72

4.5.1.1. Programa Eurosolar………...…………………………………….72

4.6. PRODUCTORES MUNDIALES DE ENERGÍA FOTOVOLTAICA……76

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES….………………….……………78

ANEXOS……………………………………………………………………………81

BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………...……96

GLOSARIO…………………………………………………………………….......98

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RESUMEN

Debido a la importancia que ha tomado en la actualidad la utilización de energías no

convencionales, se ha realizado el presente estudio en el que se prueba la factibilidad

de fabricar celdas solares en el Ecuador.

La investigación es encausada por los lineamientos de la planificación didáctica que

se inicia con el estudio de los requerimientos técnico y económico que representa el

fabricar celdas solares.

La infraestructura existente puede ser combinada para el aprovechamiento de

recursos energéticos renovables como es la Energía Solar Fotovoltaica, que aporta

con una energía limpia.

El estudio realizado puede ser un instrumento pedagógico con el cual se puede

mostrar las posibilidades de desarrollo y aplicaciones de este tipo de tecnologías, e

incentivar a desarrollar estudios o proyectos similares que ayuden a fortalecer y

mejorar la propuesta realiza en este estudio.

A futuro la aplicación de una legislación que regule y controle la fabricación de

celdas solares en el Ecuador, para generar energía eléctrica a través de sistemas

fotovoltaicos nacionales.

Se abre una nueva realidad en el campo de la producción de energía eléctrica, que

fomenta de forma activa la participación de todos ciudadanos en la protección delmedio ambiente, así como permite el reparto democrático de sus beneficios

económicos entre la sociedad más necesitada.

Gracias al presente estudio se proyecta un bosquejo que a futuro se promulgue la

implementación de un laboratorio para el estudio y experimentación de fabricar

celdas solares, el cual consta de varias aéreas desde el acopio de materia prima hasta

la obtención de módulos fotovoltaicos.

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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA INGENIERIA ELETRICALUIS EDWIN JUIÑA Q.

1

CAPITULO I

ASPECTOS GENERALES

1.1. Introducción.

La fuente primaria fundamental de la energía limpia, con bajo impacto ambiental, es

por excelencia, la energía solar. En la obtención de esta energía, desempeñan un

importante rol los paneles fotovoltaicos, los cuales están formados por arreglos de

celdas solares. Las celdas constituyen la unidad básica del panel, y garantizan la

potencia eléctrica deseada, según las diversas aplicaciones.

Las celdas solares de silicio disponibles comercialmente en la actualidad tienen una

eficiencia de conversión en electricidad de la luz solar que cae sobre ellas de cerca

del 18%, a una fracción del precio de hace treinta años. En la actualidad existen una

gran variedad de métodos para la producción práctica de celdas solares de silicio

(amorfas, monocristalinas o policristalinas), silicio que el Ecuador posee en gran

cantidad.

La energía generada por medio de la conversión fotovoltaica de la radiación solar ha

encontrado una gran diversidad de aplicaciones, y tiene un gran potencial para

sustituir en el mediano plazo a los combustibles fósiles como fuente de energía, de

forma que no se contamine al medio ambiente. El crecimiento del mercado mundial,

para los sistemas fotovoltaicos en aplicaciones tales como iluminación y sistemas de

respaldo en casas o habitación, etc. ha sido en promedio mayor al 20% anual en losúltimos 10 años. Este es un ritmo de crecimiento importante.

Sin embargo, para mantener o incluso aumentar la velocidad de crecimiento de esta

fuente de energía eléctrica limpia en el futuro, es fundamental la reducción de

costos de fabricación de celdas solares y módulos fotovoltaicos. Este objetivo puede

lograrse mejorando paulatinamente la relación eficiencia/costo de las celdas solares

que constituyen los módulos fotovoltaicos.

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2

En el Ecuador los costos de instalación de un sistema de paneles solares son

elevados, debido a que todos los componentes de este sistema son importados de

otros países. Por esta razón se debe generar campañas para que tanto el Gobierno,

como empresas privadas, inviertan en la ejecución de proyectos como el de este

estudio.

La explotación adecuada de la arena silícica, ayudará a que los costos de

implementación de sistemas fotovoltaicos desciendan de manera sustancial, por lo

tanto serán mas económicos.

1.2. Antecedentes.

La aplicación tradicional más común de la energía solar ha sido a través de la

utilización térmica, por ejemplo para secado de granos y destilación de agua. Estos

aprovechan la energía que durante el día incide sobre superficies de captación y

transfieren a un fluido de trabajo para calentarlo o evaporar agua.

La radiación solar puede también aprovecharse convirtiéndola en electricidad a

través del efecto fotoeléctrico en las llamadas celdas fotovoltaicas. Los

componentes comerciales más conocidos de los mencionados compuestos son

derivados del silicio en sus varias formas.

El estudio PETROGRAFICO realizado en el año 2004 por varios profesores de la

ESPOL muestra que en las costas ecuatorianas existen yacimientos de grava donde

su principal componente es el cuarzo así lo muestra la Tabla I. El cuarzo es

componente principal de la arena silícea de donde se obtiene el silicio para fabricarceldas solares.

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3

Tabla 1. Resultados del Análisis Petrográfico

Constituyentes Porcentajes (%)

Cuarzo 33.6

Arenisca 29.3

Pedernal 22.9

Fragmentos de conchas 7

Óxidos de hierro 4.3

Grauwaca 2.9

Fuente: Revista Tecnológica. Vol. 17, No.1. Junio 2004. ESPOL

1.3. Planteamiento del Problema.

La energía es necesaria para el desarrollo de toda sociedad, para la producción, para

el transporte de bienes y personas, la prestación de servicios y también para la

satisfacción de las necesidades personales.

No hay que olvidar que al utilizar combustibles fósiles como el petróleo y sus

derivados para la generación eléctrica y el transporte, estos recursos naturales se van

agotando, a la vez que contaminan irremediablemente el medio ambiente.

El gobierno y los institutos superiores como universidades o escuelas politécnicas

deben concienciar, la necesidad de cambio y de revertir la herencia negativa que

deja la quema de dichos combustibles fósiles que está provocando el cambio

climático a nivel local y mundial, razón por la cual se está promoviendo la

explotación de energía renovable que tiene el país con nuevas tecnologías que

eviten la emisión de residuos y gases tóxicos, para evitar el efecto invernadero que

actualmente se está produciendo en la atmósfera, para de esta manera no poner en

riesgo a todo ser vivo.

El desconocimiento de la tecnología de energía fotovoltaica, por la mayor parte de

la sociedad, provoca que se utilice medios convencionales que perjudican tanto el

medio ambiente como la salud de todo ser vivo.

El Ecuador es poseedor de grandes fuentes de materia prima (arena silícica) para la

fabricación de paneles solares, los cuales no son aprovechados correctamente. Este

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tipo de material al ser tratado y procesado correctamente puede llegar a ser una

potencial fuente de materia prima para la fabricación de paneles solares.

En nuestro país actualmente el Ministerio de Electricidad y de Energía Renovable

(MEER), aun no ha establecido leyes ni normativas que regulen los sistemas de

generación eléctrica solar fotovoltaica que incentiven y que soporten este tipo de

generación eléctrica y menos a la fabricación de dichos paneles.

1.4. Justificación.

La materia prima (arena silícea) que posee el Ecuador para fabricar paneles solares

tanto en la región subandina como en la región oriental y en especial en la región

costa donde existen grandes yacimientos que no son aprovechados adecuadamente.

El contribuir con nuevas alternativas de generación de energía eléctrica, como la

energía fotovoltaica. Conocer su tecnología y fortalecer la presencia de dicha

tecnología en el campo de la generación de energía eléctrica en el Ecuador.

La Universidad Politécnica Salesiana y todos sus estudiantes son grandes

generadores de conocimientos garantizados por su nivel académico, que pueden ser

transmitidos hacia toda la sociedad, dando a conocer el beneficio que trae consigo la

fabricación de paneles solares en el Ecuador para generar energía eléctrica.

Ayudar a la sociedad con este tipo de tecnología (generación de energía fotovoltaica

con paneles solares fabricados en el Ecuador) a implementar nuevas formas de

generación eléctrica de bajas potencias que mejoren la calidad de vida de

comunidades que lo necesiten y contribuir también a preservar el medio ambiente.

Las células fotovoltaicas con las cuales se forman paneles solares se fabrican con

silicio, elemento obtenido de la arena, muy abundante en la naturaleza y de la que

no se requieren cantidades significativas.

Por lo tanto, en la fabricación de los paneles solares no se producen alteraciones en

las características litológicas, topográficas o estructurales del terreno.

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La generación de HTenergía solar fotovoltaicaTH convierte directamente la radiación del

sol en electricidad. Es una energía limpia, renovable y de un poder incalculable, se

estima que con la cantidad de HTradiación solar TH que nos llega en media hora, la

humanidad tendría suficiente energía para todo un año.

Los sistemas fotovoltaicos son fáciles de instalar ya que estos son simples y

silenciosos. Además son altamente fiables y tienen una duración de muchos años.

1.5. Alcance.

El estudio sobre la fabricación de paneles solares en el Ecuador para la generación

de energía eléctrica y el análisis del costo y la factibilidad de elaborar los paneles

solares con materia prima (arena silícea) y tecnología existente en el Ecuador.

La aplicación de estos paneles en sistemas energéticos en zonas rurales para mejorar

la calidad de vida de sus habitantes, es en el fondo la meta principal por la cual se

propone el desarrollo de este estudio, con lo cual se estaría cubriendo una gran

demanda energética por parte de un sector de la población con dificultades de

conexión convencional a la red nacional de electricidad, y lo mejor del caso es que

se lo realizaría de una manera limpia y con menores costos de producción, debido a

que una mayor demanda y mejor eficiencia exigida a este tipo de soluciones

energéticas por parte de los usuarios, hace posible pensar y analizar en la

factibilidad de fabricar paneles solares, que es una buena respuesta a la demanda

considerando que nuestra región presenta facilidades naturales y geográficas para su

fabricación e instalación.

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1.6. Objetivos.

1.6.1. Objetivos Generales.

Determinar los fundamentos técnicos y aspectos económicos que deben ser

aplicados para la fabricación de paneles solares en el Ecuador.

1.6.2. Objetivos Específicos.

• Establecer bases para la solución del desabastecimiento de energía eléctrica que

no llega a lugares donde no existe la infraestructura eléctrica básica o donde no

llegan las empresas eléctricas distribuidoras debido a las dificultades que

presenta su geografía. Esto se podrá solucionar con la implementación de

paneles solares fabricados en el Ecuador.

• Promover la elaboración de proyectos de generación de energía eléctrica a

través de paneles solares fabricados en el Ecuador.

• Demostrar que en el Ecuador se puede fabricar paneles solares para la

generación de energía solar fotovoltaica, sin emisión de residuos y gases tóxicos

que contaminen el medio ambiente.

• Efectuar un estudio del marco técnico, económico y legal sobre las ventajas

político-legales de la generación eléctrica fotovoltaica con paneles solares

fabricados en el Ecuador.

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1.7. ENERGIA SOLAR

1.7.1. Introducción.

El Sol, fuente de vida y origen de las demás formas de energía que el hombre ha

utilizado desde los albores de la historia, puede satisfacer todas nuestras

necesidades.

Si aprendemos a cómo aprovechar de forma racional la luz que continuamente

derrama sobre el planeta. Ha brillado en el cielo desde hace unos cinco mil millones

de años, y se calcula que todavía no ha llegado ni a la mitad de su existencia.

La energía solar que existe en el espacio puede ser utilizada para generar energía

eléctrica a gran escala para satisfacer la demanda de consumo en la tierra.

Producir electricidad a partir de la luz solar del espacio no es nada nuevo, pues

cientos de satélites espaciales ya utilizan esta tecnología. La novedad de este

concepto es que la radiación capturada en el espacio puede ser convertida en

microondas y transportada a una antena terrestre que la transformaría en energía

eléctrica.

Esta opción de generación tiene la capacidad de resolver los problemas sociales,

económicos y medio ambientales asociados al agotamiento de recursos naturales de

nuestro planeta, con la ventaja que el proceso de producción de energía se realizaría

fuera de los límites terrestres sin provocar contaminación ni impactos sobre el

medio ambiente.

Es preciso, no obstante, señalar que existen algunos problemas que debemos

afrontar y superar. Aparte de las dificultades que una política energética solar

avanzada conllevaría por sí misma, hay que tener en cuenta que esta energía está

sometida a continuas variaciones más o menos bruscas. Así, por ejemplo, la

radiación solar es menor en invierno, precisamente cuando más la solemos

necesitar.

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Es de vital importancia proseguir con el desarrollo de la incipiente tecnología de

captación, acumulación y distribución de la energía solar, para conseguir las

condiciones que la hagan definitivamente competitiva, a escala planetaria.

Básicamente, recogiendo de forma adecuada la radiación solar, podemos obtener

calor y electricidad.

El calor se logra mediante los captadores o colectores térmicos, y la electricidad, a

través de los llamados módulos fotovoltaicos. Ambos procesos nada tienen que ver

entre sí, ni en cuanto a su tecnología ni en su aplicación. El calor recogido en los

colectores puede destinarse a satisfacer numerosas necesidades. Por ejemplo, se

puede obtener agua caliente para consumo doméstico o industrial, o bien para dar

calefacción a nuestros hogares, hoteles, colegios, fábricas, etc. Incluso podemos

climatizar las piscinas y permitir el baño durante gran parte del año.

También, y aunque pueda parecer extraño, otra de las más prometedoras

aplicaciones del calor solar será la refrigeración durante las épocas cálidas

.precisamente cuando más soleamiento hay. En efecto, para obtener frío hace falta

disponer de una fuente cálida, la cual puede perfectamente tener su origen en unos

colectores solares instalados en el tejado o azotea. En los países árabes ya funcionan

acondicionadores de aire que utilizan eficazmente la energía solar.

Las aplicaciones agrícolas son muy amplias. Con invernaderos solares pueden

obtenerse mayores y más tempranas cosechas; los secaderos agrícolas consumen

mucha menos energía si se combinan con un sistema solar, y, por citar otro ejemplo,

pueden funcionar plantas de purificación o desalinización de aguas sin consumirningún tipo de combustible.

Las células solares, dispuestas en paneles solares, ya producían electricidad en los

primeros satélites espaciales. Actualmente se perfilan como la solución definitiva al

problema de la electrificación rural, con clara ventaja sobre otras alternativas, pues,

al carecer los paneles de partes móviles, resultan totalmente inalterables al paso del

tiempo, no contaminan ni producen ningún ruido en absoluto, no consumen

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combustible y no necesitan mantenimiento. Además, y aunque con menos

rendimiento, funcionan también en días nublados, puesto que captan la luz que se

filtra a través de las nubes.

La electricidad que así se obtiene puede usarse de manera directa (por ejemplo para

sacar agua de un pozo o para regar, mediante un motor eléctrico), o bien ser

almacenada en acumuladores para usarse en las horas nocturnas. También es posible

inyectar la electricidad generada en la red general, obteniendo un importante

beneficio.

Si se consigue que el precio de las células solares siga disminuyendo, iniciándose su

fabricación a gran escala, es muy probable que, para la segunda década del siglo,

una buena parte de la electricidad consumida en los países ricos en sol tenga su

origen en la conversión fotovoltaica.

La energía solar puede ser perfectamente complementada con otras energías

convencionales, para evitar la necesidad de grandes y costosos sistemas de

acumulación. Así, una casa bien aislada puede disponer de agua caliente y

calefacción solares, con el apoyo de un sistema convencional a gas o eléctrico que

únicamente funcionaría en los periodos sin sol.

1.7.2. Energía Solar Fotovoltaica

La energía solar fotovoltaica es un procedimiento mediante el cual se transforma la

luz solar en electricidad, haciendo uso de los paneles fotovoltaicos que pueden ser

conectados a la red eléctrica o instalada directamente en los inmuebles querequieren el suministro.

Es una energía ideal para ser aplicada en el ámbito domestico y su índice de

contaminación es prácticamente nulo. La producción de electricidad se hace posible

gracias al efecto fotoeléctrico del silicio, que es uno de los componentes de las

placas fotovoltaicas. Muchos de los sistemas poseen mecanismos de seguimiento

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que les permite orientarse según la trayectoria del sol para capturar la mayor

cantidad posible de radiación.

Desde que se descubrió el efecto fotoeléctrico lo único en lo que se han centrado los

científicos es en conseguir los mejores rendimientos en la transformación de la

energía solar, la transformación susodicha se basa en la consideración de la energía

luminosa como cuantos de energía llamados fotones y en la teoría cuántica de Max

Planck.

1.7.2.1. Teoria de Max Planck (Filosofia de la ciencia Tde Jorge A. Serrano - 1980 - 287T).

“A mediados del siglo XIX la ciencia descubrió que la luz proporcionaba a cada

elemento químico una especie de «huellas digitales». Se puede utilizarse la luz para

distinguir un elemento de otro.

Si se calienta un elemento hasta la incandescencia, la luz que emite estará

constituida por ondas de diversas longitudes. El grupo de longitudes de onda que

produce el elemento difiere del de cualquier otro elemento.

Cada longitud de onda produce un efecto diferente en el ojo y es percibida, por

tanto, como un color distinto de los demás. Supongamos que la luz de un elemento

dado es descompuesta en sus diversas ondas. Este grupo de longitudes de onda, que

es característico del elemento, se manifiesta entonces en la forma de un patrón de

colores también singular.

Pero ¿cómo se puede desglosar la luz de un elemento incandescente en ondaselementales?

Una manera consiste en hacer pasar la luz por una rendija y luego por un trozo

triangular de vidrio que se denomina prisma. El prisma refracta cada onda en

medida diferente, según su longitud, y forma así imágenes de la rendija en los

colores que se hallan asociados con las longitudes de onda del elemento. El

resultado es un «espectro» de rayas de color cuya combinación difiere de la de

cualquier otro elemento.

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Este procedimiento lo elaboró con detalle el físico alemán Gustav Robert Kirchhoff

en 1859. Kirchhoff y el químico alemán Robert Wilhelm von Bunsen inventaron el

espectroscopio —el instrumento descrito anteriormente— y lo emplearon para

estudiar los espectros de diversos elementos. Y, de paso, descubrieron dos

elementos nuevos al hallar combinaciones de rayas que no coincidían con las de

ningún elemento conocido.

Otros científicos detectaron más tarde la huella de elementos terrestres en los

espectros del Sol y las estrellas. Por otro lado, el elemento helio fue descubierto en

el Sol en 1868, mucho antes de ser detectado en la Tierra. Estos estudios de los

espectros demostraron finalmente que la materia que constituye el universo es en

todas partes la misma.

El hallazgo más importante de Kirchhoff fue éste: que cuando un elemento es

calentado hasta emitir luz de ciertas longitudes de onda, al enfriarse tiende a

absorber esas mismas longitudes de onda.

El concepto de cuerpo negro

Un objeto que absorbiera toda la luz que incide sobre él no reflejaría ninguna y,

por consiguiente, parecería negro. Un objeto de estas características cabría

llamarlo «cuerpo negro».

¿Qué ocurriría al calentar hasta la incandescencia un cuerpo negro? Según el

hallazgo de Kirchhoff debería emitir luz de todas las longitudes de onda posibles,

pues con anterioridad las ha absorbido todas. Ahora bien, existen muchas más

longitudes de onda en el extremo ultravioleta invisible del espectro

electromagnético (el sistema de todas las posibles longitudes de onda) que en todo

el espectro visible (las longitudes de onda que producen la luz visible). Por

consiguiente, si un cuerpo negro es capaz de radiar luz de todas las longitudes de

onda, la mayor parte de la luz provendría del extremo violeta y ultravioleta del

espectro.

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Lord Rayleigh, un físico inglés, halló en la última década del siglo pasado una

ecuación basada en el comportamiento que se le atribuía por entonces a la luz. Sus

resultados parecían demostrar que cuanto más corta era la longitud de onda, más

luz debería emitirse. Las longitudes de onda más cortas de la luz estaban en el

extremo violeta y ultravioleta del espectro, por lo cual la luz debería ser emitida

por el cuerpo negro en un violento estallido de luz violeta y ultravioleta: una

«catástrofe violeta».

Pero esa catástrofe violeta jamás había sido observada. ¿Por qué? Quizá porque

ningún objeto ordinario absorbía realmente toda la luz incidente sobre él. De ser

así, no podría llamarse cuerpo negro a ningún objeto, aunque los físicos trabajasen

en la teoría con ese concepto. Quizá, si existiese realmente un verdadero cuerpo

negro, podría observarse la catástrofe violeta.

Hacia la época en que Rayleigh estableció su ecuación, el físico alemán Wilhelm

Wien creyó haber averiguado cómo fabricar un cuerpo negro. Para ello construyó

una cámara provista de un pequeño agujero. Según él, la luz de cualquier longitud

de onda, al entrar por el orificio, sería absorbida por las paredes rugosas de la

cámara; y si parte de la luz era reflejada, chocaría contra otra de las paredes y

sería absorbida allí.

Es decir, que una vez que la luz entraba en la cámara, no sobrevivía para salir de

nuevo por el orificio. El agujero sería un absorbente total y actuaría por tanto

como un verdadero cuerpo negro. Calentando entonces la cámara hasta poner el

interior incandescente, la luz radiada hacia afuera a través del agujero sería

radiación del cuerpo negro.

Por desgracia, la luz no radiaba en la forma de una catástrofe violenta. Wien

estudió la radiación emergente y comprobó que se hacía más intensa al acortarse

las longitudes de onda (tal y como predecía la ecuación de Rayleigh). Siempre

había alguna longitud de onda para la cual la radiación alcanzaba intensidad

máxima. Pero después, y a pesar de que la longitud de onda seguía decreciendo,

disminuía la intensidad de la radiación. Cuanto más calentaba Wien la cámara,

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más corta era la longitud de onda a partir de la cual se iniciaba el descenso en la

intensidad de radiación; pero en ningún caso se producía la catástrofe violeta.

Wien intentó hallar una ecuación que describiera cómo su «cuerpo negro» radiaba

las longitudes de onda largas y cortas, pero los resultados fueron insatisfactorios.

El problema fue abordado en 1899 por otro físico alemán, Max Planck. Planck

pensó que la luz quizá era radiada sólo en porciones discretas. Como no sabía qué

tamaño podrían tener estas porciones, las llamó quanta (en singular quantum), que

en latín significa «cuánto».

Hasta entonces se creía que todas las formas de energía, entre ellas la luz, existían

en cantidades tan pequeñas como uno quisiera imaginar. Lo que Planck sugería

ahora era lo contrario, que la energía, al igual que la materia, existía

exclusivamente en la forma de partículas de tamaño discreto y que no podían existir

porciones de energía más pequeñas que lo que él llamó «cuantos». Los cuantos

eran, por consiguiente, «paquetes» de energía, lo mismo que los átomos y las

moléculas eran «paquetes» de materia.

Planck supuso además que el tamaño del cuanto de energía variaba con la longitud

de onda de la luz: cuanto más corta la longitud de onda, más grande el cuanto.

Aplicó esta idea al problema del cuerpo negro y supuso que éste radiaba ondas

luminosas en la forma de cuantos. Al cuerpo negro le sería fácil reunir suficiente

energía para formar cuantos pequeños; por eso, radiaría fácilmente longitudes de

onda largas, que son las que requieren cuantos más modestos. Las longitudes de

onda cortas, por el contrario, no podrían ser radiadas a menos que se acumularan

cuantos mayores, que serían más difíciles de reunir.

Es como si nos encontráramos en unos grandes almacenes y nos dijeran que

podíamos comprar lo que quisiéramos, con tal de pagar en monedas. Comprar un

artículo de una peseta no plantearía problemas; pero en cambio sería gravoso (en

los dos sentidos de la palabra) adquirir algo por valor de diez mil pesetas, porque

lo más probable es que no pudiéramos acarrear el peso de tantas monedas.

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Planck logró hallar una ecuación que describía la radiación del cuerpo negro en el

lenguaje de los cuantos. La ecuación concordaba con la observación de Wien de

que había una longitud de onda para la cual la radiación alcanzaba máxima

intensidad. Para longitudes de ondas más cortas que ella, el cuerpo negro se las

vería y desearía para producir los grandes cuantos que requería el caso.

Es cierto que calentando la cámara del cuerpo negro a temperaturas más altas

habría más energía disponible, con lo cual se podrían producir longitudes de onda

más cortas, compuestas de cuantos más grandes. Pero, aun así, siempre habría una

longitud de onda que fuese demasiado corta, incluso para un cuerpo negro

fuertemente calentado; y entonces sería imposible emitir los grandes cuantos que

eran necesarios. Por consiguiente, nunca podría haber una catástrofe violeta, que

sería como decir que siempre habría un artículo demasiado caro para la cantidad

de monedas que pudiésemos acarrear.

La «teoría de los cuantos» o «teoría cuántica» de Planck fue publicada en 1900, y

al principio no despertó demasiada expectación. Pero ésta se estaba ya gestando,

porque los físicos empezaban ya por entonces a estudiar el peculiar

comportamiento de las partículas menores que los átomos (partículas subatómicas).

Parte de este comportamiento era inexplicable con los conocimientos existentes.

Por ejemplo, cuando la luz incidía sobre ciertos metales ¿por qué las partículas

subatómicas llamadas «electrones» se comportaban como lo hacían? La luz era

capaz de arrancar electrones de los átomos situados en la superficie del metal.

Pero estos electrones sólo eran emitidos si la longitud de onda de la luz incidente

era más corta que cierto valor, y este valor crítico dependía de la naturaleza del

metal. ¿Cómo podía explicarse este fenómeno, llamado el «efecto fotoeléctrico»?

Albert Einstein halló en 1905 la explicación del efecto fotoeléctrico, y para ello

utilizó la teoría cuántica. Según él, cuando sobre un metal incidían longitudes de

onda largas, los cuantos de estas longitudes de onda eran demasiado pequeños

para arrancar ningún electrón. Sin embargo, al decrecer cada vez más la longitud

de onda, llegaba un momento en que los cuantos eran suficientemente grandes para

llevarse por delante a los electrones.

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Einstein explicó así por qué los electrones no salían despedidos de la superficie del

metal hasta que la longitud de onda de la luz incidente era más corta que cierta

magnitud crítica.

La solución al problema del efecto fotoeléctrico fue una gran victoria para la

teoría cuántica, y tanto Einstein como Planck obtuvieron el Premio Nobel por su

labor.

La teoría cuántica demostró de nuevo su valía en la investigación sobre la

estructura del átomo. Los físicos estaban de acuerdo en que el átomo consistía en

un núcleo central relativamente pesado, alrededor del cual se movían uno o más

electrones en trayectorias circulares llamadas órbitas. Según las teorías físicas de

la época, los electrones, al girar en su órbita, tenían que radiar luz, perder energía

y precipitarse finalmente hacia el núcleo del átomo, cuando lo cierto es que los

electrones giraban y giraban alrededor del núcleo sin chocar contra él. Era

evidente que las teorías al uso no podían explicar el movimiento de los electrones.

En 1913, el físico danés Niels Bohr aplicó la teoría cuántica a la estructura

atómica. Bohr afirmó que un electrón sólo podía emitir energía en cantidades fijas

y discretas, es decir en cuantos enteros. Al emitir energía, el electrón ocupaba una

nueva órbita, más próxima al núcleo del átomo. De manera análoga, el electrón

sólo podía absorber cuantos enteros, ocupando entonces nuevas órbitas más

alejadas del núcleo. El electrón no podía jamás precipitarse hacia el núcleo,

porque nunca podría acercarse a él más allá de la órbita más cercana permitida

por su estado de energía.

Soluciones y comprensión

Estudiando las distintas órbitas permitidas, los físicos lograron comprender por

qué cada elemento radiaba sólo ciertas longitudes de onda luminosas y por qué la

luz absorbida era siempre igual a la emitida. Así quedó explicada, por fin, la regla

de Kirchhoff, que era la que había desencadenado toda esta revolución.

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16

Posteriormente, el físico austríaco Erwin Schrödinger elaboró en 1927 las

matemáticas del átomo en el marco de la mecánica cuántica. La explicación de

Schrödinger tenía en cuenta prácticamente todos los aspectos del estudio del

átomo, y su trabajo fue crucial para la investigación atómica. Sin él sería imposible

entender siquiera cómo el átomo almacena y libera la energía.

La mecánica cuántica es hoy tan importante que el nacimiento de la física moderna

se sitúa en 1900, cuando Planck publicó la teoría cuántica. La física anterior a

1900 se llama física clásica. La idea de Planck, que en sí es relativamente simple,

logró cambiar por completo el rumbo de la ciencia de la materia y del

movimiento”.

El efecto fotoeléctrico ocurre cuando un material en concreto es irradiado con

energía luminosa y genera corriente eléctrica. En un diodo luminoso o Led como el

de la Fig 1 ocurren los dos efectos tanto el de crear luz con electricidad como el de

crear electricidad con la luz.

Fig. 1. Fenómeno de la teoría cuántica

Durante muchos años se ha buscado la mejor forma de generar corriente eléctrica, a

partir del efecto fotoeléctrico, buscando materiales con estas propiedades. Parece

ser que el silicio convenientemente modificado es el mejor candidato para esto.

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17

Cuando se dice convenientemente modificado se habla de lo que se conoce como el

dopado del silicio. Se ha descubierto que construyendo diodos semiconductores de

silicio los rendimientos ascienden por encima del 30%. Un diodo está formado,

como su nombre indica por dos partes, una parte positiva y la otra negativa.

En la positiva el material se encuentra falto de electrones y a la negativa le sobran.

Cuando estas dos partes se unen forman lo que se llama diodo semiconductor. Las

características principales de éste elemento son que la corriente eléctrica sólo puede

circular en un sentido, por eso se llama semiconductor.

El silicio por sí solo no tiene ni electrones de más ni de menos, tiene cuatro

electrones en la última capa.

Se llega a tener un silicio positivo y otro negativo a través del dopado. El dopado

consiste en introducir otros materiales contaminantes en menor cantidad o

impurezas en un material madre como es en este caso el silicio. Así si introducimos

fósforo en el silicio conseguiremos tener un electrón de más cada vez, puesto que el

fósforo tiene cinco electrones en la última capa y obtendremos silicio negativo.

Por el contrario si introducimos aluminio tendremos un electrón menos o hueco ya

que el aluminio tiene tres electrones en la última capa.

Éste proceso podríamos compararlo con una mesa de billar. Las bolas de billar

(incluida la negra) serían los electrones del silicio y los electrones sobrantes de los

materiales dopantes; el tapete verde sería la línea que une el silicio positivo con el

negativo; a través de los agujeros iríamos a parar a la corriente eléctrica y unos

guisantes representan los fotones de la luz. Ver Fig. 2. Pues bien el efectofotoeléctrico es como si cogiese guisantes (agente externo que ayuda al

desplazamiento) y los hiciésemos chocar contra las bolas de billar para intentar que

se desplazaran hasta el agujero o hueco más cercano e incorporarse así a la corriente

eléctrica.

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18

3BFig. 2 Efecto fotoeléctrico. Fuente: Física Moderna Edicion Revisada, NORNA ESTHELA FLORES-JORGE

ENRIQUE FIGUEROA

1.7.3. Energía Solar Térmica

La energía solar térmica se basa en el aprovechamiento de la radiación solar para el

calentamiento de agua de uso domestico e industrial. Este proceso se lleva a cabo

utilizando unos aparatos denominados colectores solares que están fabricados con

materiales de gran absorción y transmisión de calor.

Otras de las aplicaciones comunes de estos sistemas son la calefacción de espacios,

el calentamiento de piscinas y los métodos de secado. Adicionalmente, la Energía

Solar Térmica puede utilizarse para alimentar una máquina de refrigeración que

funciona por absorción, para producir frio y acondicionar el aire.

Una instalación solar térmica está constituida por varios subestaciones para lacaptación y acumulación del calor, así como adecuaciones para el bombeo del

líquido.

En un clima como el nuestro, el uso de la energía solar térmica puede generar una

importante reducción en el consumo de energía eléctrica y de gas.

Existen tres técnicas diferentes entre sí en función de la HTtemperaturaTH que puede

alcanzar la superficie captadora. De esta manera, los podemos clasificar como:

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19

PF

1FP“Baja temperatura, captación directa, la HTtemperaturaTH del fluido es por debajo del

punto de ebullición.

Media temperatura, captación de bajo índice de concentración, la HTtemperaturaTH del

fluido es más elevada de 100ºC.

Alta temperatura, captación de alto índice de concentración, la HTtemperaturaTH del

fluido es más elevada de 300ºC”.

1.7.4. Evaluación del recurso.

Para poder fabricar una celda solar en cualquier material es necesario tener gran

conocimiento sobre los factores que pueden limitar su eficiencia tanto técnica como

económica. Es esto lo que ha tomado un buen número de años de investigación con

el silicio.

En el Ecuador existe grandes yacimientos de arena silícea de gran calidad, que

deben ser explotados adecuadamente, esta arena es la materia prima de las celdas

solares.

1.7.5. Radiación Directa

Es aquella que llega directamente del HTSolTH sin haber sufrido cambio alguno en su

dirección. Este tipo de radiación se caracteriza por proyectar una sombra definida de

los objetos opacos que la interceptan.

1.7.6. Radiación Difusa.

Parte de la radiación que atraviesa la atmósfera es reflejada por las nubes o

absorbida por éstas. Esta radiación, que se denomina difusa, va en todas direcciones,

como consecuencia de las reflexiones y absorciones, no sólo de las nubes sino de las

partículas de polvo atmosférico, montañas, árboles, edificios, el propio suelo, etc.

Este tipo de radiación se caracteriza por no producir sombra alguna respecto a los

objetos opacos interpuestos. Las superficies horizontales son las que más radiación

P

1P M. Ibáñez Plana, Energías Renovables, Tecnología Solar.

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20

difusa reciben, ya que ven toda la bóveda celeste, mientras que las verticales reciben

menos porque sólo ven la mitad.

1.8. YACIMIENTOS Y OBTENCION DE SILICIO

1.8.1. Introducción

El silicio constituye un 28% de la corteza terrestre. No existe en estado libre, sino

que se encuentra en forma de dióxido de silicio y de silicatos complejos. Los

minerales que contienen silicio constituyen cerca del 40% de todos los minerales

comunes, incluyendo más del 90% de los minerales que forman rocas volcánicas. El

mineral cuarzo, sus variedades (cornalina, crisoprasa, ónice, pedernal y jaspe) y los

minerales cristobalita y tridimita son las formas cristalinas del silicio existentes en

la naturaleza. El dióxido de silicio es el componente principal de la arena. Los

silicatos (en concreto los de aluminio, calcio y magnesio) son los componentes

principales de las arcillas, el suelo y las rocas, en forma de feldespatos, anfíboles,

piroxenos, micas y ceolitas, y de piedras semipreciosas como el olivino, granate,

zircón, topacio y turmalina.

1.8.2. Silicio

PF

2FPEl silicio, a diferencia del carbono, no existe libre en la naturaleza. Como dióxido

se encuentra en varias formas de cuarzo: Cristal de roca, Amatista, Cuarzo

ahumado, Cuarzo rosa, y cuarzo lechoso. La arena es en gran parte dióxido de

silicio (sílice). El ópalo es una variedad hidratada de cuarzo. La mayoría de las

rocas corrientes, salvo calizas o dolomitas, contiene silicio: por ejemplo, elfeldespato SiR3ROR8RKAl; el asbesto (SiOR3R)R4RMgR3RCa; la mica (SiOR4R)3HR2RKAlR3R; etc.

El silicio amorfo es un polvo pardo, mas activo químicamente que la variedad

cristalina. Se une con el flúor a temperaturas ordinarias, y con oxigeno, cloro,

bromo, azufre, nitrógeno, carbono y boro a temperaturas progresivamente más altas.

P

2P http://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%ADlice

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21

Con ciertos metales, el silicio se combina formando siliciuros, por ejemplo MgR2RSi.

La silicona es la descomposición de los haluros de alkisilicio en alcoholes.

1.8.3. Historia.

El nombre Silicio deriva del latín silex (pedernal). Los compuestos del silíceo

fueron ya de gran importancia en la prehistoria Las herramientas y las armas hechas

de pedernal; una de las variedades del dióxido de silicio fueron los primeros

utensilios del hombre Aunque Davy creyó que la sílice no era un elemento, no pudo

descomponerlo. En 1823 Berzelius obtuvo silicio amorfo al hacer reaccionar

tetrafluoruro de silicio sobre potasio fundido. Al lavar el producto con agua, obtuvo

un polvo pardo que era silicio amorfo.

1.8.4. Características Principales

Sus propiedades son intermedias entre las del HTcarbonoTH y el HTgermanioTH. En forma

cristalina es muy duro y poco soluble y presenta un brillo metálico y color grisáceo.

Aunque es un elemento relativamente inerte y resiste la acción de la mayoría de los

HTácidosTH, reacciona con los HThalógenosTH y HTálcalisTH diluidos. El silicio transmite más del

95% de las HTlongitudes de ondaTH de la HTradiación infrarrojaTH.

Se prepara en forma de polvo amorfo amarillo pardo o de cristales negros-grisáceos.

Se obtiene calentando sílice, o HTdióxido de silicioTH (SiO2), con un agente reductor,

como carbono o magnesio, en un horno eléctrico. El silicio cristalino tiene una

dureza de 7, suficiente para rayar el vidrio, de dureza de 5 a 7. El silicio tiene un

punto de fusión de 1.410 °C, un punto de ebullición de 2.355 °C y una densidadrelativa de 2,33. Su masa atómica es 28,086.

PF

3FP“Se disuelve en ácido fluorhídrico formando el gas tetrafluoruro de silicio, SiF4, y

es atacado por los ácidos nítrico, clorhídrico y sulfúrico, aunque el dióxido de silicio

formado inhibe la reacción. También se disuelve en hidróxido de sodio, formando

silicato de sodio y gas hidrógeno. A temperaturas ordinarias el silicio no es atacado

P

3P http://Célula fotovoltaica - silicio - Solarpedia.mht

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22

por el aire, pero a temperaturas elevadas reacciona con el oxígeno formando una

capa de sílice que impide que continúe la reacción. A altas temperaturas reacciona

también con nitrógeno y cloro formando nitruro de silicio y cloruro de silicio

respectivamente.”

1.8.5. Abundancia y Obtención.

El silicio es uno de los componentes principales de los HTaerolitosTH, una clase de

HTmeteoroidesTH.

Medido en peso el silicio representa más de la cuarta parte de la corteza terrestre y

es el segundo elemento más abundante por detrás del HToxígenoTH. El silicio no se

encuentra en estado nativo; HTarenaTH, HTcuarzoTH, HTamatistaTH, HTágataTH, HT pedernalTH, HTópaloTH y HT jaspeTH

son algunas de los HTmineralesTH en los que aparece el óxido, mientras que formando

HTsilicatosTH se encuentra, entre otros, en el HTgranitoTH, HTfeldespatoTH, HTarcillaTH, HThornablendaTH y

HTmicaTH.

El silicio comercial se obtiene a partir de HTsíliceTH de alta pureza en horno de arco

eléctrico reduciendo el óxido con electrodos de carbón.

El silicio líquido se acumula en el fondo del horno de donde se extrae y se enfría. El

silicio producido por este proceso se denomina metalúrgico y tiene una pureza

superior al 99%. Para la construcción de dispositivos HTsemiconductoresTH es necesario

un silicio de mayor pureza, silicio ultra puro, que puede obtenerse por métodos

físicos o químicos.

1.8.6. Métodos de obtención del Silicio. (EDUARDO CAPELLO, TECNOLOGIA DE LA

FUNDICION)

Los métodos físicos de purificación del silicio metalúrgico se basan en la mayor

solubilidad de las impurezas en el silicio líquido, de forma que éste se concentra en

las últimas zonas solidificadas. El primer método, usado de forma limitada para

construir componentes de HTradar TH durante la HTSegunda Guerra MundialTH, consiste en

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23

moler el silicio de forma que las impurezas se acumulen en las superficies de los

granos; disolviendo éstos parcialmente con HTácidoTH se obtenía un polvo más puro.

La fusión por zonas, el primer método usado a escala industrial, consiste en fundir

un extremo de la barra de silicio y trasladar lentamente el foco de calor a lo largo de

la barra de modo que el silicio va solidificando con una pureza mayor al arrastrar la

zona fundida gran parte de las impurezas. El proceso puede repetirse las veces que

sea necesario hasta lograr la pureza deseada bastando entonces cortar el extremo

final en el que se han acumulado las impurezas.

Los métodos químicos, usados actualmente, actúan sobre un compuesto de silicio

que sea más fácil de purificar descomponiéndolo tras la purificación para obtener el

silicio. Los compuestos comúnmente usados son el triclorosilano (HSiClR3R), el

tetracloruro de silicio (SiClR4R) y el silano (SiHR4R).

En el proceso Siemens, las barras de silicio de alta pureza se exponen a 1150°C al

triclorosilano, gas que se descompone depositando silicio adicional en la barra

según la siguiente reacción:

2 HSiClR3R → Si + 2 HCl + SiClR4R

El silicio producido por éste y otros métodos similares se denominan silicio

HT policristalinoTH.

El método Dupont consiste en hacer reaccionar tetracloruro de silicio a 950°C con

vapores de HTcincTH muy puros:

SiClR4R + 2 Zn→ Si + 2 ZnClR2R Este método, está plagado de dificultades (el cloruro de cinc, sub producto de la

reacción, solidifica y obstruye las líneas) por lo que eventualmente se ha

abandonado en favor del proceso Siemens.

Una vez obtenido el silicio metalúrgico es necesario obtener silicio monocristal,

para lo que se utiliza el HT proceso CzochralskiTH. Ver Anexo 1

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24

1.8.7. Yacimientos de Silicio.

Ecuador dispone de variados recursos de minerales no metálicos siendo los más

importantes la caliza, el mármol, arcilla, el yeso, la piedra pómez, arena silícea, la

baritina y bentonita.

PF

4FP“En la zona subandina, región costa (playas) y la región oriental, se cuenta con

grandes yacimientos de arena silícea. Importantes minas se hallas actualmente en

explotación para abastecer pequeñas fábricas de envases de vidrio, cerámica y como

correctores del PH de la caliza destinada a la producción de cemento.”

P

4P

http://www.minasypetroleos.gov.ec/mmp-portwar/

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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA LUIS EDWIN JUIÑA Q.

2525

1.8.8. Mapa de Yacimientos de Silicio del Ecuador

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26

1.8.9. Aplicaciones

Se utiliza en HTaleacionesTH, en la preparación de las HTsiliconasTH, en la industria de la

HTcerámica técnicaTH y, debido a que es un material HTsemiconductor TH muy abundante,

tiene un interés especial en la industria HTelectrónicaTH y HTmicroelectrónicaTH como

material básico para la creación de obleas o HTchipsTH que se pueden implantar en

HTtransistoresTH, HT pilas solares TH y una gran variedad de circuitos electrónicos. El silicio es

un elemento vital en numerosas industrias. El HTdióxido de silicioTH (HTarenaTH y HTarcillaTH) es

un importante constituyente del HThormigónTH y los HTladrillosTH, y se emplea en la

producción de HTcemento portlandTH. Por sus propiedades HTsemiconductorasTH se usa en la

fabricación de HTtransistoresTH, HTcélulas solaresTH y todo tipo de dispositivos

semiconductores.

Otros importantes usos del silicio son:

• Como material HTrefractarioTH, se usa en HTcerámicasTH, HTvidriadosTH y HTesmaltadosTH.

• Como elemento HTfertilizanteTH en forma de mineral primario rico en silicio, para la

HTagriculturaTH.

• Como elemento de HTaleaciónTH en HTfundicionesTH.

• Fabricación de HTvidrioTH para ventanas y HTaislantesTH.

• El HTcarburo de silicioTH es uno de los HTabrasivosTH más importantes.

• Se usa en HTláseresTH para obtener una luz con una longitud de onda de 456 n HTmTH.

• La HTsiliconaTH se usa en HTmedicinaTH en HTimplantes de senoTH y HTlentes de contactoTH.

Se utiliza en la industria del acero como componente de las aleaciones de silicio-

acero. Para fabricar el acero, se desoxida el acero fundido añadiéndole pequeñas

cantidades de silicio; el acero común contiene menos de un 0,03% de silicio. El

acero de silicio, que contiene de 2,5 a 4% de silicio, se usa para fabricar los núcleosde los transformadores eléctricos.

Existe una aleación de acero, el durirón, que contiene un 15% de silicio y es dura,

frágil y resistente a la corrosión; el durirón se usa en los equipos industriales que

están en contacto con productos químicos corrosivos. El silicio se utiliza también en

las aleaciones de cobre, como el bronce y el latón.

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El silicio es un semiconductor; su resistividad a la corriente eléctrica a temperatura

ambiente varía entre la de los metales y la de los aislantes. La conductividad del

silicio se puede controlar añadiendo pequeñas cantidades de impurezas llamadas

dopantes. La capacidad de controlar las propiedades eléctricas del silicio y su

abundancia en la naturaleza han posibilitado el desarrollo y aplicación de los

transistores y circuitos integrados que se utilizan en la industria electrónica.

La sílice y los silicatos se utilizan en la fabricación de vidrio, barnices, esmaltes,

cemento y porcelana, y tienen importantes aplicaciones individuales. La sílice

fundida, que es un vidrio que se obtiene fundiendo cuarzo o hidrolizando

tetracloruro de silicio, se caracteriza por un bajo coeficiente de dilatación y una alta

resistencia a la mayoría de los productos químicos.

El gel de sílice es una sustancia incolora, porosa y amorfa; se prepara eliminando

parte del agua de un precipitado gelatinoso de ácido silícico, SiOR2R·HR2RO, el cual se

obtiene añadiendo ácido clorhídrico a una disolución de silicato de sodio. El gel de

sílice absorbe agua y otras sustancias y se usa como agente desecante y decolorante.

El silicato de sodio (NaR2RSiOR3R), también llamado vidrio, es un silicato sintético

importante, sólido amorfo, incoloro y soluble en agua, que funde a 1088 °C. Se

obtiene haciendo reaccionar sílice (arena) y carbonato de sodio a alta temperatura, o

calentando arena con hidróxido de sodio concentrado a alta presión. La disolución

acuosa de silicato de sodio se utiliza para conservar huevos; como sustituto de la

cola o pegamento para hacer cajas y otros contenedores; para unir gemas

artificiales; como agente incombustible, y como relleno y adherente en jabones y

limpiadores. Otro compuesto de silicio importante es el carborundo, un compuestode silicio y carbono que se utiliza como abrasivo.

El monóxido de silicio, SiO, se usa para proteger materiales, recubriéndolos de

forma que la superficie exterior se oxida al dióxido, SiO R2R. Estas capas se aplican

también a los filtros de interferencias.

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28

CAPITULO II.

ASPECTOS TECNICOS

2.1. ESPECIFICACIONES TECNICAS

Las especificaciones podrán ser aplicadas de acuerdo al tipo de horno que se utilice

para la obtención del silicio metalúrgico.

Para el propósito de este estudio las especificaciones serán referidas a los hornos

eléctricos, que es el medio para obtener el silicio metalúrgico, del cual se obtiene el

silicio ultra puro de donde se fabrican las celdas solares fotovoltaicas.

2.2. HORNOS ELECTRICOS

2.2.1 Introduccion.

En comparación con los demás métodos de fundición de acero y otros tipos

materiales, tal como el silicio metalúrgico motivo de este estudio, la fundición por

medio de hornos eléctricos tiene una serie de ventajas, tales como la posibilidad de

obtener una temperatura alta, lo cual permite tener escorias muy calcáreas que

aseguran la eliminación casi completa del fosforo y del azufre, y además, la rebaja

considerable de la quema del metal y de los elementos especiales (adicionales),

debido a que no existe llama oxidante.

Los elementos que se adicionan a estos hornos son el carbón y oxigeno para obtenerun silicio de mejor calidad al momento de su fundición.

2.2.2. Ventajas y desventajas de los hornos eléctricos

Ventajas:

a) Eficiencia: El coeficiente de conversión de electricidad en calor es prácticamente

100%, lo que no ocurre con el uso de combustibles comunes, donde parte de la

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energía es consumida en el calentamiento del aire y de los gases calientes que son

expulsados a la atmósfera.

b) Limpieza: No hay contaminación por los productos de combustión. No hay

chimeneas, gases, suciedad, polvos o cenizas en hornos a resistencia o inducción.

c) Facilidad de Control: el control de la calidad de calor suministrado al sistema es

mucho más simple y más preciso que en cualquier otra forma de calentamiento.

d) Control de la Temperatura: mucho más exacto.

e) Altas Temperaturas: facilidad de obtención de altas temperaturas imposibles de

conseguir económicamente en otros hornos.

Desventajas:

a) Alta inversión inicial

b) Necesita mano de obra calificada.

c) Elevado consumo eléctrico.

2.3. CLASIFICACION DE LOS HORNOS ELECTRICOS

Para la obtención del silicio metalúrgico los hornos eléctricos más utilizados son:

• Horno eléctrico de inducción.

• Horno de arco eléctrico.

2.3.1. HORNO ELECTRICO DE INDUCCION

Es un horno eléctrico en el que el calor es generado por calentamiento por la

inducción eléctrica de un medio conductivo, un HTmetalTH en un HTcrisolTH alrededor del cual

se encuentran enrolladas bobinas magnéticas.

Los hornos de inducción no es más que un gran transformador en el cual el circuitosecundario está constituido por material a elaborar. En ellos la corriente de las líneas

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que circula en las bobinas es de poca intensidad y de gran voltaje, mientras que la

corriente inducida en el circuito secundario, formado por el material metálico

colocado en la solera o crisol del horno y es de poco voltaje y gran intensidad de

corriente.

Es esta fuerte corriente lo que determina en el horno este fuerte aumento de

temperatura que funde la arena silícea colocada en el crisol.

Como se trata de un solo espiral las corrientes inducidas tienen una intensidad

elevada y por esta razón el calentamiento de la masa metálica viene con rapidez y

puede alcanzar temperaturas entre 2800 y 3000 o C).

T0BHORNO DE INDUCCION. WILDI,T TThéodoreT, TNAVARRO SALAS,T TRodolfo, TMáquinaseléctricas y sistemas de potencia

La ventaja del horno de inducción es que es limpio, eficiente desde el punto de vista

energético, y es un proceso de fundición de metales más controlable que la mayoría

de los demás modos de fundición de metales.

Las fundidoras del Ecuador utilizan este tipo de horno y cada vez más fundidoras

están sustituyendo los HTaltos hornosTH por los de inducción, debido a que aquellos

generaban mucho HT polvoTH entre otros contaminantes.

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31

El rango de capacidades de los hornos de inducción abarca desde menos de un

kilogramo hasta cien toneladas y son utilizados para fundir HThierroTH y HTaceroTH, HTcobreTH,

HTaluminioTH, arena silícea y metales preciosos.

2.3.1.1. CARACTERISTICAS ELECTRICAS.

• FRECUENCIA. Los horno de inducción pueden clasificarse por su en:

Hornos de baja frecuencia o frecuencia industrial: 50 ó 60 Hz ; 150 ó 180

Hz; 200 Hz.

Hornos de media frecuencia: 200 a 10000 Hz.

Hornos de alta frecuencia: sobre 10000 Hz.

• POTENCIA. Está definida de acuerdo a la frecuencia que se escoja, y van

determinado por:

Los hornos de baja frecuencia normalmente son de gran capacidad, de

unas 6 a 60 tons. Con potencias de 1000 a 17000 KW.

Los hornos de media frecuencia varían desde pocos kilogramos (ej. 2 Kg)

a 10000 Kg, con frecuencias entre 200 Hz a 10000 Hz, y potencias desde

unos pocos KW (ej. 3 KW) a 3000 KW o más.

Para hornos de inducción de media frecuencia, el consumo de energía

para la fusión de diversas aleaciones aproximadamente es:

Aleación KWh/ton.

Acero 620

Silicio metalúrgico 620

Aluminio 580

Bronce 420

Tabla 3. TESIS DE MAESTRIA EN MATERIALES, DISEÑO Y PRODUCCION, PROCESOS DE MANUFACTURA

EN MATERIALES METALICOS, VICTOR CARDENAS, ESCUELA POLITECNICA NACIONAL

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32

2.3.2. HORNOS DE ARCO ELECTRICO

En este tipo de hornos se forma un arco voltaico entre dos electrodos o entre el

electrodo y la carga a fundir. El flujo de la corriente eléctrica se da a través del aire

ionizado y las partículas de carbono que volatilizándose por la alta temperatura, 3500

°C, forman un plasma proporcionando, de esta forma, el arco voltaico.

2.3.2.1. CLASIFICACION DE LOS HORNOS DE ARCO ELECTRICO

Existen dos tipos de horno de arco:

• horno de arco indirecto

• horno de arco directo.

2.3.2.1.1. Horno de Arco Indirecto.

En estos hornos el calentamiento directo es por radiación. Los hornos pueden ser del

tipo Basculante rotativo o Basculante oscilante, siendo el más común el oscilante.

Debido al esfuerzo de flexión y choques mecánicos a que están sujetos los

electrodos, estos hornos tienen una capacidad limitada a un máximo de 2000 Kg.

carga sólida a 4000 Kg. carga líquida.

T1BHORNO DEARCO INDIRECTO. WILDI,T TThéodoreT, TNAVARRO SALAS,T TRodolfo,T

Máquinas eléctricas y sistemas de potencia

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33

• Características Operacionales:

La potencia es del orden de 50 a 1000 kVA. En la fusión de acero se gasta, en

promedio, 10 - 12 Kg de electrodo por tonelada, en un tiempo de fusión que varía de

50 a 90 minutos.

El arco se obtiene por la aproximación de los electrodos (manualmente en los hornos

más pequeños, hidráulicamente en los más grandes). El horno se precalienta, y luego

se carga.

En la medida que ocurre la fusión del metal cargado, se recarga. Sólo después que

todo está líquido se inicia la oscilación para transferir mejor el calor de las paredes al

metal y evitar que se enfríe el fondo.

2.3.2.1.2. Horno de Arco Directo

T2BHORNO DE ARCO ELECTRICO DIRECTO. WILDI,T TThéodoreT, TNAVARROSALAS,T TRodolfo, TMáquinas eléctricas y sistemas de potencia

Son los hornos de arco más usados en la industria del acero y fundición.

La capacidad de estos hornos varía desde 1000 Kg a 400 Ton. La potencia de los

transformadores y hornos empleados varía con el tamaño de los hornos desde 1000 a

120000 KVA.

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34

El consumo de energía eléctrica varía desde unos 800 a 650 KW/Ton de silicio

metalúrgico, dependiendo de la capacidad de fusión.

Los hornos de arco directo utilizan electrodos de grafito con un consumo de 1 a 3

Kg/Ton de acero común y 3 a 6 Kg/Ton de silicio metalúrgico. Durante la fusión, los

electrodos están en constante movimiento de modo de seguir la fusión de la carga,

mantener la corriente eléctrica en condiciones de máxima eficiencia.

El proceso de horno de arco eléctrico a avanzado enormemente en los últimos años y

de ser de un horno dedicado a la producción de aceros especiales o para funciones

tradicionales, se ha convertido en una unidad de producción de acero en gran escala,

y para otros tipos de materiales como el silicio metalúrgico que es extraída del la

arena silícea.

Es el más versátil de todos los hornos para obtener el silicio metalúrgico. No

solamente puede proporcionar altas temperaturas, hasta 1.930ºC, sino que también

puede controlarse eléctricamente con un alto grado de precisión.

2.3.2.1.3 PF

5FPPartes del horno de arco eléctrico

En un horno eléctrico de arco se pueden distinguir 3 partes fundamentales:

• Parte mecánica

Compuesta de:

Cuba.

Anillos de bóveda. Plataforma.

Mecanismo de basculación.

Brazos porta electrodos y columnas.

Mecanismo de accionamiento de electrodos.

Superestructura.

Vigas de suspensión de bóveda.

TP

15PT TESIS DE MAESTRIA EN MATERIALES, DISEÑO Y PRODUCCION, PROCESOS DE MANUFACTURA EN MATERIALES METALICOS, VICTOR

CARDENAS, ESCUELA POLITECNICA NACIONAL

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35

Mecanismo de elevación y giro de bóveda.

• Parte eléctrica

Compuesta de:

Seccionador de entrada.

Interruptor general.

Transformador de potencia, (reductor de tensión).

Paneles de mando y control.

Embarrado secundario.

Batería de condensadores.

• Elementos complementarios

Circuito hidráulico.

Equipo de regulación.

Los hornos de inducción se encuentran mayoritariamente distribuidos en el Ecuador,

en la industria siderúrgica, en laboratorios de fundición de Escuelas Politécnicas, etc.

En las Escuelas Politécnicas es donde podemos encontrar los hornos de inducción

que son: EPN, ESPOCH, ESPOL.

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36

Horno de Inducción, Escuela Politécnica Nacional

Los hornos de inducción se encuentran en varias empresas fundidoras, que se

distribuyen por todo el Ecuador, en Quito podemos encontrar como por ejemplo:

fundi-aliaciones, fundiciones JCB, etc. En Cuenca este tipo de horno se encuentra en

los talleres Mejía.

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37

Horno de Inducción, Fundiciones JCB, Sangolqui

Los hornos de Arco Eléctrico son muy escasos en el Ecuador debido a sus altos

costos, las únicas empresas que los poseen son: ADELCA y NOVACERO.

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Horno de arco Eléctrico trifásico, NOVACERO Planta Laso-Latacunga

Características Técnicas

Marca Brown Boveri – Unistara

Año de Fabricación 2007País de Origen México – Italia

Capacidad Nominal 50 Ton de acero líquido

Peso Neto 100 Ton

Tipo de electrodos Grafito diámetro 18”

Temperatura del líquido 1650°C

Tiempo de residencia del aire 2.5 Seg

Enfriamientodel Transformador OF-WF (Oil forced – Water

forced)

Tipo de Aceite Shell K5 (Libre PCV)

Diámetro 4580 mm

Control de nivel electrodos Automatizado

Características técnicas, Horno de arco eléctrico, NOVACERO, Planta Laso-

Latacunga

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39

2.4. Proceso de obtención del silicio

Como se menciona en el capítulo 1 el silicio es el elemento, tras el oxígeno, más

abundante del planeta, y por ende en nuestro país existen varios yacimientos, pero

no se encuentra en estado puro o nativo sino combinado con oxígeno. El silicio para

uso industrial es parte de la cuarcita que es en un 90% óxido de silicio SiO R2R (arena

silícea).

2.5. Obtención del silicio metalúrgico

El silicio se separa de la cuarcita (arena silícea) en un proceso metalúrgico de

reducción, introduciéndola en hornos de arco eléctrico junto al carbón para romper

los enlaces entre el silicio y el oxígeno.

Horno de arco eléctrico, Electrodos fundiendo cuarcita y carbón para obtener silicio metalúrgico, Energía solar presente

y futuro, Universidad Politécnica de Madrid.

De esta forma se obtiene un silicio de pureza del 98% o 99%. Este silicio así

obtenido se denomina de grado metalúrgico y es adecuado para la industria que

obtiene con él aleaciones especiales, pero no es el ideal para la industria de los

semiconductores y solar, que requieren un silicio de alta pureza, que es del

99.999999% de pureza.

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40

Silicio Metalúrgico de 98% de pureza, cortesía de FUNDEBOG, San Antonio de Pichincha

2.6. Obtención del silicio de grado electrónico o solar

La pureza deseada del silicio que es del 99,999999% se consigue a través de dos procesos que son:

• Proceso de Zona Flotante y,

• Proceso Czochralski

Estos dos procesos son los más conocidos y utilizados. Ver anexo 1.

Mediante los procesos antes mencionados se obtiene los lingotes (forma de

salchicha) de silicio ultra puro deseado, de donde se obtendrán las obleas.

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41

Lingotes y obleas de silicio solar ultra puro, Energía solar presente y futuro, Universidad Politécnica de

Madrid.

Después de obtener la barra de Silicio cilindrada al diámetro de las celdas, a partir de

este cilindro se cortan las obleas con un espesor típico de 300mm. En este proceso se

pierde 20% de valioso Silicio en forma de polvillo.

A pesar de que la tecnología del Silicio está bien desarrollada, los métodos de Zona

Flotante, Czochralski y la fundición de bloques de Silicio son procesos complejos y

costosos.

Las obleas se las obtiene mediante las sierras multi hilos y de diámetro interno.

a. b.

a. Sierra de diámetro interno, b. sierra multi hilos, Tecnología Fotovoltaica PDF, UCA, España

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42

2.7. Dopado de las obleas de Silicio

Siguiendo con el proceso de obtención de celdas solares, las obleas obtenidas del

silicio solar (silicio ultra puro), se las somete al dopado o difusión.

Se colocan las obleas en el interior de un horno a través del cual se hace pasar un gas

inerte que contenga el dopante deseado, a una temperatura de entre 800º y 1200º C.

Para Silicio tipo P el dopante más usual es el Boro y para tipo N se usa el Arsénico y

Fósforo.

4BEsquema de dopaje de obleas de silicio, Método de difusión, Dispositivos electrónicos y fotónicos.

Fundamentos, TEscrito por Lluís Prat Viñas, Josep Calderer Cardona.

T2.8. Contactos de las celdas Solares.

TLos contactos eléctricos permiten el flujo de electricidad. El contacto inferior (no

expuesto al sol) es una capa de aluminio o molibdeno. El contacto superior es más

complicado por estar ese lado expuesto al sol. Una capa metálica continua como la

inferior evitaría el paso de la luz y tampoco sería conveniente utilizar contactos

laterales por la elevada resistencia eléctrica de la capa superior en esta configuración.

TUsualmente el contacto superior consiste de una rejilla que cubre toda la superficie.

Los finos elementos deben ser los suficiente gruesos y anchos para coducir bien la

electricidad (baja resistencia) pero lo suficientemente espaciados y angostos para no

bloquear el paso de la luz.

TPara su fabricación se emplean generalmente dos procesos: metalización (deposición

al vacio de metales evaporados) a través de una máscara apropiada o pintándole por

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43

screen. También se emplean fotolitografía, obteniéndose rejillas de alta calidad pero

a mayores costos. También se emplean películas continuas de materiales conductores

transparentes como el oxido de estaño indio.

TContactos de las celdas Solares,TT FTTuente:TT MALONEY,T TTimothy J. TElectrónica industrialmoderna

2.9. Proceso integral para la producción de silicio solar

Proceso integral para la producción de silicio solar, TESIS DOCTORAL FABRICACIÓN DE

CÉLULAS SOLARES SOBRE SILICIO MULTICRISTALINO Y SILICIO PURIFICADO POR LA VÍA

METALÚRGICA, UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

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La Escuela Politécnica Nacional, está en proceso de investigación de manera

experimental de las técnicas de dopaje de celdas solares, esto se lo realiza en el

laboratorio de Electrocerámica y en el laboratorio de difracción de rayos X.

Laboratorio de Electrocerámica, EPN

Laboratorio de difracción de rayos X. EPN

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45

CAPITULO III

ASPECTOS ECONOMICOS

La factibilidad económica y técnica de aprovechar la arena silícica recurso natural

abundante en el Ecuador. Se analiza la situación actual y se plantea diferentes

escenarios que faciliten la inversión para la creación, crecimiento y expansión de la

industria que fabrique celdas solares y por ende los paneles solares.

3.1. Aprovechamiento del Recurso

Los minerales pueden ser considerarse a todas las rocas y minerales, incluidos los

sintéticos, predominantemente no metálicos, que por sus propiedades físicas o

químicas, pueden ser utilizados en procesos industriales, de modo general con

múltiples funciones, como materia prima, componente especial de una formulación

o aditivo, directamente después de ser extraído o después de un tratamiento.

En 13 provincias del Ecuador existen 1.200 depósitos o minas entre las que se

destacan: piedra pómez, arena silícica, yeso, arcilla caliza, caolín, feldespatos,

mármol, sal común, que producen para utilizar en la industria interna y para la

exportación, estos yacimientos se encuentran en: Azuay, Cañar, Cotopaxi, Carchi,

El Oro, Esmeraldas, Guayas, Imbabura, Loja, Manabí, Pichincha y Zamora

Chinchipe.

Tan solo Guayas, Cotopaxi y Loja han sido explotados sus yacimientos con

aparente éxito. La falta de apoyo por parte del gobierno en los demás sectores

nombrados evita aumentar su producción, la corrupción y la extensa maraña

burocrática en dar las concesiones mineras también frena de sobremanera lainversión privada para su explotación.

La inversión privada se hace necesaria debido a los altos costos que representa el

adquirir los hornos con los cuales se realiza el proceso de obtención del silicio

metalúrgico, hasta llegar al producto final requerido que son las celdas solares.

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46

3.2. Factores que afectan el costo de la fabricación de las celdas Solares.

En el análisis de los costos de fabricación de las celdas solares, componentes

principales de los paneles solares, depende de multitud de factores, desde los

técnicos (costo de inversión, tipo de equipos, mantenimiento y sobre todo la

conservación), pasando por los factores de política económica (tipo de interés y

sobre todo la inflación), medio ambientales (costo de estudios del impacto

medioambiental y ecológico) y los sociales, estos tal vez son los factores que más

afectan, debido a que aquí están inmersos intereses personales.

Al realizar una inversión de debe considerar todo lo que se conoce como costos

reales no incluido en los precios (en la compra de equipos se debe considerar todos

los gastos que conlleva el importa un equipo), el gobierno en su política económica

debe compensar en forma de exoneraciones de los impuestos, y aunque esto no

siempre se cumple o es más lento de lo que se espera, también es verdad que no se

puede evadir los impuestos de la comunidad internacional.

Hay que evaluar la economía que en el presente, afronte el Ecuador y en esa

economía, la cantidad que podamos producir y el precio de la electricidad que

también influye.

3.3. Costo de hornos para la fabricación de Celdas solares.

3.3.1. Costo de los hornos de Inducción

A continuación alguna cotizaciones:

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CATALOGO DE HORNOS DE INDUCCION

MODELO DIMENSIONESCRISOL Diámetro x Alto

POTENCIA W PRECIO

FON - 1 70 x 65 mm 600 1725 FON - 2 60 x 120 mm 1.000 2300 FON - 3 150 x 240 mm 1.500 2988 FON - 10 230 x 250 mm 4.000 4363 FON - 30 310 x 400 mm 7.500 5063 FON - 50 360 x 490 mm 10.000 6613 FON - 65 380 x 570 mm 13.000 7487 FON - 80 430 x 570 mm 15.000 8363 FON - 100 470 x 580 mm 17.000 9850

Fuente: Fàbrica Linn High Therm GmbH, Eschenfelden, Bavaria

Este catalogo proporciona una referencia del costo, de los hornos de inducción de

poca capacidad.

Otro fabricante de hornos de inducción es seco/warwick-Polonia ofrece hornos de

mayor capacidad que son: de 600kg en 60.450 USD o 100kg en 13.000 USD.

3.3.2. Costo de hornos de Arco Eléctrico.

Este tipo de hornos debido a su alto costo son escasos en el Ecuador las dos

empresas que la poseen son ADELCA en su planta ubicada en Aloag y

NOVACERO en su planta de Laso-Latacunga.

El horno de arco de la serie HX se fabrica en INDUCTION-FURNACE que está

ubicada en TZhejiang-China.

El horno de arco trifásico de la serie de HX se utiliza principalmente en acero de

carbón del refinamiento o para el acero de aleación, así como para obtención de

silicio metalúrgico y su capacidad varía de 5t a 50t.

A continuación todo la gama de hornos de arco eléctrico de la serie HX de marca

INDUCTION-FURNACE.

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TParámetros técnicos para el horno de arco de la serie de HX, T INDUCTION

Modelo

Diámetro interno

del recinto de

horno milímetro

Capacidad

nominal t

Capacidad nominal del

TransformerKVA

Voltaje secundario

del transformador

Electrodo

Diametro

milímetro

Peso de elevación del

del horno (revestimie

horno incluyendo

HX53000

5 3200 240121 300 42

3240

HX8 3400 8 3200 240121 350 48

HX10 3500 105500

260139 350 63 8000

HX15 3800 156300 260139

350 69 10000 280100

HX20 4200 209000 280100

400 75 10000

12500 314116

HX30 4600 30

16000353137

450 95 18000

22000 480230

25000 436184

HX404700

4016000 353137 450 95

5000 31500 489201 500

HX50 5200 50 25000 436184 500 140 40000 547223

CATALOGO DE HORNOS DE ARCO ELECTRICO DE LA SERIE HX, INDUCTION-FURNACE, ZHEJIANG

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49

Debido a sus altos costos los hornos de arco eléctrico, se fabrican hornos de gran

capacidad, como se muestra en el catalogo anterior.

3.4. Precio del silicio metalúrgico y silicio solar

El precio tanto del silicio metalúrgico, como del silicio solar, varia por la escasez

(depende de la demanda) y dependiendo de las tecnologías, “TPF

15FPTel precio del silicio

metalúrgico a finales del año pasado (2008), fue de 5 USD/kg al orden de 15

USD/kg, esto incide que el precio del silicio solar, para que se ubique en el orden de

25 USD/kg a 40 USD/kg.”

Esta variación del precio del silicio tanto metalúrgico como solar, influyen en el

costo del producto final que son los paneles solares.

En el año 2008 la SECRETARIA NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA

(SENACYT) realizó la convocatoria para proyectos en las instituciones superiores

del Ecuador.

La EPN presento el proyecto TPF

16FPT“Obtención de Silicio metalúrgico por reducción de

la sílice mediante carbón a nivel de laboratorio y estudio de prefactibilidad de

purificación a grado solar.” Junto a este la EPN presento el presupuesto de dicho

proyecto que es 598.181,82 USD.

Al realizar un análisis a simple vista el costo de los equipos principales, tanto para

obtener el silicio metalúrgico, como los equipos para obtener el silicio solarrequerido para la fabricación de las celdas solares, tienes un costo alto, pero se debe

tomar en cuenta que al largo plazo la inversión realizada al inicio, se convertirá en

beneficios para el Ecuador.

TP

15PT El precio del silicio solar y del sistema fotovoltaico, Energía solar presente y futuro, Universidad Politécnica de Madrid.

TP

16PT SECRETARIA NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA (SENACYT), RECURSOS NATURALES, CONVOCATORIA 2008

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50

3.5. PROPUESTA DE IMPLEMENTACION DE LABORATORIO DE

INVESTIGACION.

De acuerdo a los datos obtenidos tanto en el capítulo II y capítulo III, se desprende

la propuesta de implementar un laboratorio para el estudio y experimentación en la

fabricación de celdas solares.

Este laboratorio será una propuesta para una posible implementación a futuro en la

Universidad Politécnica Salesiana.

Este laboratorio debe ser construido e implementado en un área sugerida no menor a

150mP

2P.

El laboratorio a implementar debe contar con tres oficinas y el área industrial:

• Oficina Administrativa

• Oficina de Seguridad Industrial.

• Oficina del Área Técnica.

• Área Industrial.

Los equipos necesarios para este laboratorio son:

1. Horno de Arco Eléctrico.

2. Horno para crecimiento de silicio.

3. Cortadora de Obleas.

4. Horno de difusión.

5. Suelda para Obleas.

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1. Horno de arco eléctrico.

Horno Marca Brown Boveri – Unistara Características Técnicas:

Capacidad Nominal 40 Kg de Silicio líquido

Peso Neto 100 Kg

Tipo de electrodos Grafito diámetro 5”

Temperatura del líquido 1650°C

Tiempo de residencia del aire 2.5 Seg

Diámetro 450 mm

Control de nivel electrodos Automatizado

Potencia 225KVA

Voltaje 480 V, 3Ǿ,

Frecuencia 50/60Hz

Factor de Potencia ≈ 1

Voltaje de Operación 40 V

Corriente de Operación 12000 A

Fuente: HThttp://www.bartechmarine.com/aw/index.htmT

Precio: USD. 88.000 + IVA.

2. Horno para el proceso Czochralski o Zona Flotante.

Horno GTsolar GT-DSS450.

Características Técnicas:

• Compartimiento de proceso de cargamento por la base para la seguridad

de empleo fácil y mejorada

• Los módulos estandarizados del entresuelo se aseguran aprisa - sistema -

para arriba

• Produce el material para la célula de la eficacia alta

• Capacidad de la producción: Equivalente a > 6.2MW con 156

milímetros de eficacia 15.5% de las células.

• Tamaño del lingote: 84 x 84 centímetros

• Secuencia de proceso Lleno-automatizada

• Garantía de calidad del lingote

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• Fuente de alimentación High-efficiency para los ahorros de la compañía

de electricidad.

voltaje 480V, 3Ø, 50/60Hz

Potencia 200KVAFactor de potencia 0.999# de Lingotes 25Tamaño de Oblea 156mmGrueso de Oblea 200 umPerdida en Corte 177umEficiencia de Celdas 15.50%

Fuente: http://www.gtsolar.com./index.php?m=products&id=7Precio: USD. 125.500 + IVA.

3. Sierra para cortar lingotes de silicio.

Características técnicasSierra Synova, modelo LDS 220A.

Voltaje 220 V, 3Ø, 50/60HzCorriente 1.8 AContactos 220 V, 3ØPotencia ½ HP

Medidas L: 1.5m, A:1.5m, H:1.8mFuente. http://www.directindustry.es/prod/synova-sa/cortadora-laser-para-oblea-53755-355212.html


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4. Horno de Difusión para Dopado de obleas, tipo N y tipo P.

Características Técnicas.

Marca DESPATCH, Modelo DCF 400

Voltaje 220V, 3Ø, 50/60HzPotencia 60KVAFactor de Potencia T0.999

Tamaño (alto x ancho xlargo)

(8805 x 1310 x 1750) mm

Longitud en caliente. 3658 mmLongitud en frio 914 mm

Tabla estandar de la entrada 457 mmTabla estandar de la salida 457 mmTipo del transportador del

carrilCarril de Doper Multilane, anillo o

gradualTipo del transportador del

horno:Armadura ligera del espiral del balance

del horno, material del nicrom VAltura del transportador

sobre piso97.8 cm, ±3.8 cm

Separación del producto 0.25 pulgadas (6.4 milímetros) Número de carriles (156 x

156 milímetros)2

Anchura del transportador 254 milímetrosCapacidad de proceso

Temperatura Máxima 1000°C (°F 1832)Rendimiento Aprox. de

procesamiento (156 x 156milímetros)

Escala R&D

velocidad del transportador 5-51 cm/min (2-20 ipm)

exactitud de la velocidaddel transportador

± 0.5%

control de la velocidad deltransportador

Closed loop feedback

Tamaño de oblea 100x100, 125x125, 156x156 mmResistencia de hoja 40-80 ohm/sq configurable

Fuente: HThttp://www.directindustry.es/prod/despatch-industries/horno-de-difusion-de-

infrarrojos-19331-323938.htmlTH.


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5. Soldadura por resistencia con electrodos paralelos ( resistance parallel

gap welding).

Características Técnicas:

Soldadora MWS-1 marca MARSILLI

Fuente:

HThttp://www.directindustry.es/prod/marsilli-deutschland/maquina-de-soldar-por-

puntos-para-conectores-electronicos-15964-382784.htmlT


Voltaje 220V, 3Ø, 50/60HzPotencia Nominal 60KVAPotencia de Instalacion 60KVAFusible (accion Retardada) 150 APeso 800 KgMax corriente : T2500 ATfuerza T25 daNMax. Toque de electrodo: T36 mm (2 X 18 mm o 1 X 18

mm)Control de Soldarura alternates, mis frequency,

transistor suplentes, frecuenciadel mis, transistor

Movimiento de electrodo. codificador lineal óptico sincepillo del servo motor (resol.0.5 micrones)

sitema de deteccion de posicion

transductor piezoeléctrico delempuje (resol.25 cN)

Sistema de repetitibilidad T100%tiempo de Regulación del proceso:

T0,25 msec

Max. Diemncion del

electrodo

T36 mm2

Base de electrodo En frio, ofreciendo un cambiorápido

Tdimension: T212 X 280 X 107 mmtiempo minimo de suelda T10 msecTipos de programación:: La PC dedicada en la

plataforma Windows,RS232/485, PUEDE abrirse

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55

3.5.1. DIAGRAMA DEL PROCESO DE LABORATORIO

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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA INGENIERIA ELECTRICALUIS EDWIN JUIÑA Q.

56

Todas las áreas de trabajo en este laboratorio deberán estar en condiciones de orden

y limpieza acorde con las tareas que allí se realizan.

Área de trabajo incluye maquinarias, materiales, herramientas, pasillos, zonas de

tránsito, patios, oficinas, depósitos, etc.

Se entiende por condiciones aceptables a las siguientes: limpieza regular de patios,

oficinas, pasillos, zonas de tránsito y depósitos, limpios con ausencia de residuos,

tierra, líquidos u otros productos que puedan afectar a la salud o causar un

accidente.

Además de los equipos antes mencionados, se debe implementar una cámara de

transformación de 500 KVA.

Características del Transformador:

• Tipo de enfriamiento: OA

• No. de fases: 3

• Frecuencia: 60 Hz

• Voltaje de AT: 22.8 KV

• Derivación en AT: +/-2x2.5%

• Conexión AT: Delta

• Voltaje de BT: 480Y/254 V

• Conexión BT: Estrella

• Altura de operación: 3000 m.s.n.m.

• Líquido refrigerante: Aceite mineral

• Elevación de temperatura: 65°C sobre un ambiente máximo de 40°C y

promedio de 30°C en un período de 24 horas.

DIMENSIONES (m)Potencia Tension

(KV) Largo Ancho Alto Aceite

(L)Peso Total

(Kg)500 KVA 22.8 1.32 1.65 1.41 460 1740

Fuente: INATRA. Costo del Transformador: USD. 12.800,00 incluido IVA.

El costo de para implementar esta cámara es de USD. 25.000,00 incluido IVA.

(Fuente INATRA).

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3.5.1. Presupuesto

De acuerdo a los datos técnico-económicos obtenidos de los equipos necesarios para

la implementación del laboratorio se desprende el presupuesto necesario para

adquirir dichos equipos.

Equipos Valor USD

Horno de Arco Eléctrico 98.560,00

Horno de Crecimiento de Silicio 140.560,00

Cortadora de Obleas 17.427,20

Horno de Difusión 88.368,00

Soldadora de electrodos paralelos 62.210,40

Cámara de Trasformación 25.000,00

Total + IVA 494.336,60

En el valor del presupuesto se incluye el IVA a todos los equipos.

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58

PLANO DEL LABORATORIO

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59

CAPITULO IV

PERSPECTIVAS DE DESARROLLO DE SISTEMAS DE

PANELES SOLARES EN EL ECUADOR.

4.1. Consideraciones geográficas y climáticas.

El Ecuador es un país con características topográficas muy variadas, de gran

diversidad climática y condiciones únicas que le confieren un elevado potencial de

energías renovables y limpias, las cuales no pueden quedar al margen del Inventario

de los Recursos Energéticos para Producción Eléctrica del Ecuador, pues las

condiciones de cobertura y satisfacción de la demanda que se presentan en la

actualidad.

Como ya se señaló en los capítulos anteriores, Ecuador cuenta con diversos recursos

minerales diseminados por todo su territorio.

Además de los ya conocidos como el petróleo y el oro, existen otros minerales no

explotados de forma comercial hasta el momento.

Entre los minerales no metálicos destacan las explotaciones de calizas y de arcillas

como materias básicas para la producción de cemento, con cuatro plantas para su

procesamiento.

Otras producciones menores son las de yeso, cal, diversos caolines, carbón, azufre,

mármol, arenas silíceas y fosfatos.

La tabla 4. Muestra la producción de los minerales no metálicos del Ecuador, del

año 2003 al 2008

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60

PRODUCCIÓN DE MINERALES NO METÁLICOS en Toneladas

Mineral 2003 2004 2005 2006 2007 2008

Caliza (gr) 3.659.902 3.159.771 3.851.452 4.306.665 4.088.941 3.490.754

Arcilla 283.142 277.929 379.069 279.439 53.822 835.867

Feldespato 2.253 3.251 10.965 5.691 10.297 10.321

Caolín 12.014 6.380 4.230 6.622 45.054 86.541

Bentonita 135 392 512 1.118 511 431.758

Sílice 23.239 35.508 38.056 33.534 26.486 24.070

Mármol 1.711 1.962 2.879 2.572 10.948 172.225

Pómez ... ... ... ... ... 231.875

(gr) En gramos.

Fuente: Ministerio de Energía y Minas.

Por el Ecuador continental atraviesa de norte a sur la cordillera de los Andes que

divide al país en tres regiones muy bien definidas: Costa, Sierra o Región

Interandina y Oriente o Región Amazónica.

La presencia de la cordillera y de las corrientes fría de Humboldt y cálida del Niño

modifican las condiciones de clima, precipitación pluviométrica, radiación solar,viento, etc. Lo que añadido al ecosistema le dan a cada región una particularidad

climática propia. Como consecuencia de ello el potencial de las fuentes nuevas y

renovables de energía, en las formas de energía solar, recursos hídricos, biomasa,

etc. Es muy importante, especialmente por la diversidad de aplicaciones que se

pueden derivar de éstas para los diferentes estratos de la población rural y urbana.

Además del gran potencial minero (arena silícea), que posee el Ecuador, lainsolación es un parámetro clave en los sistemas de Paneles solares.

Los factores principales que afectan la insolación sobre una superficie captadora son

las condiciones climáticas y el ángulo de la superficie con respecto a la posición del

sol.

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61

En lugares donde los días nublados son latitud del lugar sobrepasa los 15 P

0P, los días

de invierno son apreciablemente más cortos que los días de verano. Esto resulta en

una mayor insolación promedio en el verano.

Existen mapas de insolación de todos los meses del año, para las diferentes regiones

y épocas del año provenientes. En Anexo 2 contiene información de la insolación

para las diferentes regiones del Ecuador.

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62

4.2. Mapa de insolación difusa promedio del Ecuador año 2008

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63

La cantidad de insolación global o total que incide al día sobre la superficie

terrestre, se expresa en Kwh/m2/día ó su equivalente en horas de Sol máximo u

horas de sol pico (HSP).

Mediante la cantidad de insolación solar podemos calcular o diseñar el número de

módulos solares (paneles solares).

Para calcular los módulos solares utilizamos valores de insolación difusa promedio,

debido a que la insolación difusa se recibe de la atmósfera como consecuencia de la

dispersión de parte de la radiación del sol en la misma.

Esta energía podría suponer aproximadamente un 15% de la insolación en los días

soleados, pero en los días nublados, en los cuales la insolación directa es muy baja,

la insolación difusa supone un porcentaje mucho mayor.

Por otra parte, las superficies horizontales son las que más insolación difusa reciben,

ya que "ven" toda la semiesfera celeste, mientras que las superficies verticales

reciben menos porque solo ven la mitad de la semiesfera celeste.

4.2.1. Diseño de sistemas de módulos solares.

Se le denomina dimensionado o diseño de un sistema solar fotovoltaico a una serie

de procesos de cálculo que logran optimizar el uso y la generación de la energía

eléctrica de origen solar, realizando con un balance adecuado entre ellas, desde los

puntos de vista técnico y económico.

El primer aspecto que debemos considerar a la hora de realizar el diseño es el

consumo racional de la energía.

Para conocer cuánta energía eléctrica se requiere en el objetivo a electrificar, se

deben tener en cuenta las características eléctricas de los equipos a alimentar y el

tiempo de empleo por parte del usuario del sistema. Es decir, se hace necesario

conocer o estimar la corriente y la tensión o voltaje de trabajo de los equipos

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64

instalados y el número de horas diarias de trabajo, teniendo en cuenta las posibles

ampliaciones que en el futuro se hagan en la instalación proyectada.

Un sistema de celdas solares puede abastecer a cualquier artefacto eléctrico. La

siguiente tabla muestra el consumo promedio de energía que registran los más

utilizados.

ARTEFACTO REQUERIMIENTO

DE POTENCIA (w)

Lámpara ahorradora 8-23 8-23

Tubo fluorescente 15-40Foco (bombilla) incandescente 25-100

Radio Tocacintas B/N 12-30

Televisor pequeño 15

Televisor pequeño a color 40

Computadora pequeña 150

Refrigerador 100-400

Horno Microondas 1000

Calentador Eléctrico 1500

Unidad de aire acondicionado 1500

Tabla 5. Fuente: ATLAS SOLAR DEL ECUADOR CON FINES DE GENERACIÓN ELÉCTRICA

Como segundo aspecto a tener en cuenta en el diseño y no de menos importancia

está la disponibilidad en el sitio de instalación del recurso solar.

4.2.1.1. Calculo Práctico de Numero de Paneles solares

Un refugio de selva se encuentra situado en las afueras de la parroquia de Pacayacu,

a orillas del Río Aguarico, en la provincia de Sucumbíos. No dispone de servicio

eléctrico y debido a su alejamiento del centro poblado más cercano, se ha decidido

como opción más rentable el uso de celdas solares para cubrir

las necesidades energéticas del mismo.

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65

En la zona se registra una insolación difusa promedio anual de 2,9 kWh/m P

2P/día,

valor obtenido a través de la información del “Mapa de Insolación difusa promedio

del Ecuador”

Características del sistema

En el refugio existen las siguientes cargas:

• 10 puntos de luz: 20 W por punto (corriente continua, 12 V)

• Usos varios: radio, cargador de celular, televisión: 120 W (corriente alterna, 110

V)

Los tiempos de uso de estas cargas por día son:

• Puntos de luz: 5 horas

• Usos varios: 3 horas

Para el cálculo de los paneles solares, vamos a trabajar con módulos

monocristalinos de 100 W, que son los más costo-eficientes del mercado local.

• Corriente máxima (pico): 5,72 A (Dado por catalogo)

Desarrollo:

Determinamos las cargas de CC (12V) y CA (110V) en Wh/día.

Cargas CC: cg *ud*pg

10*5horas/dia*20W=1000 Whoras/dia (EC.1)

Cargas CA: cg *ud*pg

1*2horas/dia*120W=240 Whoras/dia (EC.2)

cg: cantidad de cargas

ud: uso diario en horaspg: potencia de la carga

Para poder segur realizando los cálculos hay que tomar en cuenta el número total de

cargas en CA se transforma en CC para estandarizar los cálculos posteriores.

El factor 1,20 representa las pérdidas del inversor de voltaje, este valor es la ayuda

para proseguir los cálculos.

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66

Carga diaria CA equivalente en CC:

(Ec.2)*1.20

240 Whoras/dia*1,20=288 Whoras/dia en CC (Ec.3)

Carga Maxima Pico: PCA*CG

120*1= 120W

PCA: potencia diara en CA

CG: cantidad de carga en CA

Corriente Pico del Modulo:

(Ec.1+Ec.3)/Ts

(1000 Whoras/dia+288 Whoras/dia)/12v=107.333 A horas (Ec.4)

Ts: Tension del sistema

Corriente de Carga:

(Ec.4)*Fps

107.333 A horas*1.20= 128.8 A horas (Ec.5)

Fps: factor de pérdidas del sistema

Corriente Pico del Sistema:

(Ec.5)/Rs

128.8 A horas/2,9 kWh/m P

2P/día= 44.41 A (Ec.6)

Rs: Radiación solar

Dimensionamiento de módulos de celdas solares.

Arreglo de módulos= (Ec.6) / Corriente Pico del Panel (Dado por catalogo)

= 44.41 A/5,72 A

= 7.76 que equivale a 8 (Ec.7)

Factor de Voltaje= Vs/V(voltaje catalogo del panel)

= 12/12

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67

= 1

Número Total de Módulos= Arreglo de módulos (Ec.7)*factor de voltaje

= 8 * 1

= 8 (Numero de Modulos solares)

4.3. ANALISIS LEGAL.

4.3.1. Legislación Minera

En las leyes del Ecuador, en especial para realizar la explotación minera en sus

artículos dice:

PF

6 FP“Art. 16.- Actividad Minera Nacional. La actividad minera nacional se desarrolla

por medio de la gestión estatal, mixta, comunitaria o de autogestión y privada.

PF

7 FP El Estado ejecuta sus actividades mineras por intermedio de la Corporación de

Desarrollo e Investigación Geológico - Minero Metalúrgica, la que podrá constituir

compañías de economía mixta.

Las actividades comunitarias o de autogestión y la privada gozan de las garantías

que les corresponde y merecen la protección estatal, en la forma establecida en esta

Ley.

Art. 17.- Actos societarios y afiliación. La Superintendencia de Compañías, en

forma previa a la aprobación de la constitución, domiciliación, aumento de capital

o reforma de estatutos de las compañías en cuyo objeto social figure la realización

de actividades mineras en cualquiera de sus fases, requerirá la afiliación a una de

las Cámaras de Minería del Ecuador de conformidad con la Ley.

Art. 18.- Fases de la actividad minera. Para efectos de aplicación de esta Ley, las

fases de la actividad minera se clasifican en:

P

6P LEY DE MINERIA. Ley 126, Registro Oficial Suplemento 695 de 31 de Mayo de 1991.CONGRESO NACIONAL,EL PLENARIO DE LAS

COMISIONES LEGISLATIVAS, ART. 16, 17, 18

P

7P LEY DE MINERIA. Ley 126, Registro Oficial Suplemento 695 de 31 de Mayo de 1991.CONGRESO NACIONAL,EL PLENARIO

DE LAS COMISIONES LEGISLATIVAS, ART. 16, 17, 18

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68

a) PF

8 FPProspección, que consiste en la búsqueda de indicios de nuevas áreas

mineralizadas;

b) Exploración, que consiste en la determinación del tamaño y forma del

yacimiento, así como del contenido y calidad del mineral en el existente. La

exploración incluye también la evaluación económica del yacimiento;

c) Explotación, que comprende el conjunto de operaciones, trabajos y labores

mineras destinadas a la preparación y desarrollo del yacimiento y a la

extracción y transporte de los minerales;

d) Beneficio, que consiste en el tratamiento de los minerales explotados para elevar

el contenido útil o ley de los mismos;

e) Fundición, que comprende los procedimientos técnicos destinados a separar los

metales de los correspondientes minerales o concentrados producidos en el

beneficio;

f) Refinación, que consiste en los procedimientos técnicos destinados a convertir los

productos metálicos en metales de alta pureza; y,

PF

9FPg) Comercialización, que consiste en la compraventa de minerales o la

celebración de otros contratos que tengan por objeto la negociación de cualquier

producto resultante de la actividad minera.”

En 1991 se promulgó la ley de minería vigente. En el 2007 se han incorporado

modificaciones a este marco legal que, manteniendo los principales criterios de la

actual ley, incorporan aspectos como P

5P“título único, patente creciente, eliminación

de regalías, que son condiciones de mayor competitividad y transparencia, mayor

P

8P LEY DE MINERIA. Ley 126, Registro Oficial Suplemento 695 de 31 de Mayo de 1991.CONGRESO NACIONAL,EL PLENARIO

DE LAS COMISIONES LEGISLATIVAS, ART. 16, 17, 18

TP

4PT LEY DE MINERIA. Ley 126, Registro Oficial Suplemento 695 de 31 de Mayo de 1991.CONGRESO NACIONAL,EL PLENARIO

DE LAS COMISIONES LEGISLATIVAS, ART. 16, 17, 185 SUBSECRETARIA DE MINAS, DIRECCION NACIONAL DE MINAS, Legislación Minera.http://www.mineriaecuador.com/Paginas/Leg_minera.htm

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69

control ambiental durante todas las fases de operación minera y consulta a las

comunidades, a fin de asegurar la sostenibilidad social y ambiental de las nuevas

inversiones.”

La nueva ley minera realizada en la asamblea nacional del 2007, afecta de cierta

manera para la explotación de la arena silícea, pues para la explotación industrial, o

gran escala se debe cumplir ciertos requisitos, requisitos que se nombran

anteriormente.

4.4. Leyes del sector eléctrico ecuatoriano para energías no

convencionales

En las leyes ecuatorianas, específicamente en la ley del régimen del sector eléctrico

dice:

Art. 4.- Ámbito de Aplicación

TPF

6 FPT“TPF

7 FPT La presente Ley regula las actividades de generación de energía eléctrica que se

origine en la explotación de cualquier tipo de fuente de energía, TPF

8 FPTcuando la

producción de energía eléctrica es colocada en forma total o parcial en el Sistema

Nacional Interconectado (SNI), o en un sistema de distribución y los servicios

públicos de transmisión, distribución y comercialización de energía eléctrica, así

como también su importación y exportación.

Tales actividades y servicios podrán ser delegados al sector privado de

conformidad con lo previsto en esta Ley ”

Es importante recalcar que las fuentes de energía no convencionales están

contempladas en dicha ley, fomentar el desarrollo y uso de los recursos energéticosno convencionales a través de los organismos públicos, las universidades y las

instituciones privadas.

TP

6PT Reforma del primer inciso del Art. 4, mediante Ley 2000-1 (Ley para la Promoción de la Inversión y la Participación Ciudadana)

publicada en el Suplemento del Registro Oficial No.144 de 18 de agosto de 2000.

TP

7PT

Reforma del segundo inciso del Art.4, Ley Reformatoria N°58 publicada en el suplemento del Registro Oficial N°261 del 19 defebrero de 1998.

TP

8PT Ley de Régimen del sector eléctrico, Capitulo II

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70

7BEs así que la ley favorece la utilización de energías no convencionales, como fuente

de energía a ser explotada y ser abalizadas por los organismos de control para

posibilidades que estos sistemas brindan.

En la actualidad se han construido varias aplicaciones con energía no

convencionales y que fueron fomentados por la misma ley.

Esta ley dice:

8B Art. 63.-

TPF

9FPT El Estado fomentará el desarrollo y uso de los recursos energéticos no

convencionales a través de los organismos públicos, la banca de desarrollo, las

universidades y las instituciones privadas.

TPF

10FPT El CONELEC asignará con prioridad fondos del FERUM a proyectos de

electrificación rural a base de recursos energéticos TPF

11FPTno convencionales tales como

energía solar, eólica, geotérmica, biomasa y otras de similares características.

9B Art. 64.-

El Consejo Nacional de Electrificación dictará las normas aplicables para el

despacho de la electricidad producida con energías no convencionales tendiendo a

su aprovechamiento y prioridad.

10B Art. 67.-

Exonérase el pago de aranceles, demás impuestos adicionales y gravámenes que

afecten a la importación de materiales y equipos no producidos en el país, para la

investigación, producción, fabricación e instalación de sistemas destinados a la

utilización de energía solar, eólica, geotérmica, biomasa y otras previo el informe

favorable del CONELEC.

TP

9PT Ley del Régimen del sector eléctrico, capítulo XI, CONELEC.

TP10PT Ley del Régimen del sector eléctrico, capítulo XI, CONELEC.

TP

11PT Ley del Régimen del sector eléctrico, capítulo XI, CONELEC.

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71

Art. 68.-

Exonérase del pago de impuesto sobre la renta, durante cinco años a partir de su

instalación a las empresas que, con su inversión, instalen y operen centrales de

producción de electricidad usando los recursos energéticos no convencionales

señalados en el inciso anterior.

Estos proyectos son enfocados a satisfacer necesidades básicas de sectores alejados

o donde la energía convencional no llega, o donde tardaría muchos años en llegar.

En la actualidad se han implementado varios sistemas de energía solar fotovoltaica

aisladas, las mismas que satisfacen bajas potencias de consumo a viviendas

unifamiliares, escuelas o colegios y centros de salud de poblaciones rurales.

El Ministerio de Electricidad y Energía Renovable del Ecuador instalo en la

provincia de Esmeraldas 604 paneles Solares fotovoltaicos para dotar del servicio

eléctrico a alrededor de 3500 personas que habitan en zonas alejadas de la red de

transmisión nacional.

El Ministerio aplico un modelo participativo de gestión adaptado al entorno social y

cultural de la región.

Este proyecto de electrificación rural tiene una potencia total de 103,7 kW repartida

en 171 paneles de 100Wp, y otros 433 de 200 Wp.

Con el apoyo del Gobierno Nacional y de varios organismos de cooperación

internacional, en la isla Floreana, ubicada en el Archipiélago de Galápagos, cuentacon sistema hibrido de generación de energía eléctrica (diesel-fotovoltaico) para

atender la demanda de sus 200 habitantes, sin perjudicar este frágil entorno natural.

El sistema funciona en forma alternada, mientras opera la planta a diesel, la central

fotovoltaica carga sus baterías.

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72

La instalación cuenta con dos campos de placas fotovoltaicas, cada una de 10,8

kilovatios pico (Wp).

Su operación aporta con el 30% del consumo de la Isla y permite contar con el

servicio durante las 24 horas del día.

La iniciativa se enmarca dentro del proyecto “Cero Combustibles Fósiles en

Galápagos”, que impulsa el Ministerio de Electricidad y Energía Renovable para el

desarrollo sustentable del Archipiélago y la reducción de emisiones contaminantes

de COR2R, mediante el uso de energía fotovoltaica y eólica, además de

biocombustibles que sustituyan al diesel usado en las actividades de transporte y

generación eléctrica.

4.5. TENDENCIAS FUTURAS.

4.5.1. Programas Internacionales de Energías renovables.

4.5.1.1. TPF

12FPTPrograma Eurosolar

Antecedentes

El 21 de diciembre de 2006 la Comisión Europea y el Gobierno del Ecuador

suscribieron el Convenio de Financiación ALA/2006/017/223 (CF) para llevar a

cabo el Programa EURO-SOLAR, conjuntamente con otros 7 países de América

Latina: El Salvador, Guatemala, Honduras, Nicaragua, Bolivia, Peru y Paraguay.

El objetivo general del Programa EURO-SOLAR es promover las energíasrenovables en los 8 países más pobres de América Latina (Bolivia, Ecuador, El

Salvador, Guatemala, Honduras, Nicaragua, Paraguay y Perú) para contribuir a

mejorar las condiciones de vida de las comunidades rurales, apoyándolas en su

lucha contra la pobreza, el aislamiento y la marginalización de sus condiciones

socio-económicas.

TP

12PT www.conelec.gov.ec.Energía/glosario_energia.pdf

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73

Figura 1: Programa Euro-Solar a nivel regional

El objetivo específico del Programa EURO-SOLAR es proporcionar a las

comunidades rurales beneficiarias, privadas del acceso a la red eléctrica, una fuente

de energía eléctrica renovable para uso estrictamente comunitario. En cada

comunidad se instalará un kit estándar compuesto por paneles fotovoltaicos y un

aerogenerador para la producción de energía. El sistema incluirá también sistemas

de telecomunicaciones, iluminación de instalaciones comunitarias, equipos

informáticos, un refrigerador para medicinas, un cargador de baterías y un

purificador de agua.

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74

Figura 2: Esquema del sistema (en el caso del Ecuador la solución establecida es 100% fotovoltaica)

En Ecuador, serán beneficiarias del Programa EURO-SOLAR 91 comunidades que

adicionalmente contarán con acceso a servicios de telecomunicación al instalar en

cada una de ellas una antena parabólica que permita a las comunidades acceder a

Internet y a telefonía IP. Este conjunto de facilidades tecnológicas beneficiarán en

forma especial a la población estudiantil, pero también se aspira que el impacto de

los servicios disponibles llegue a la población adulta, mejorando integralmente la

calidad de vida de todos los habitantes de las comunidades beneficiadas y también

de aquellos que se encuentran en sus alrededores.

En lo principal, el Programa EURO-SOLAR involucra el desarrollo de dos macro

componentes, en la escala de trabajo considerada y que compete a nivel de país:

a) La identificación, selección y capacitación de 91 comunidades rurales, de

manera que dispongan de los conocimientos suficientes en los diferentes

ámbitos para que como resultado de éste proceso sea la propia comunidad la que

cuente con una organización básica, información, capacidad de gestión y

herramientas suficientes para que administre, provea los servicios y mantenga

en funcionamiento el equipamiento recibido.

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75

b) Estructuración de los documentos pre-contractuales y contractuales para llevar

a cabo la licitación, adquisición, suministro, transporte, instalación y

verificación del buen funcionamiento de dicho equipamiento.

Según el CF, la ejecución del Programa EURO-SOLAR estará a cargo de una

Célula Nacional de Coordinación (CNC) conformada por la entidad

gubernamental encargada en cada país participante, la cual contará con el apoyo

de la Asistencia Técnica Internacional (ATI) contratada para el efecto por la

Comisión, Europea.

c) La CNC ecuatoriana está conformada por representantes del Ministerio de

Electricidad y Energía Renovable (MEER) y el Jefe País de la ATI. La CNC

cuenta con el apoyo del Consejo Nacional de Telecomunicaciones (CONATEL),

a través del Fondo de Desarrollo de las Telecomunicaciones Rurales y Urbano

Marginales (FODETEL) de la Secretaría Nacional de Telecomunicaciones

(SENATEL).

La comunidad Cerritos de los Morreños, ubicada en la parroquia Ximena, en el sur

de Guayaquil, es uno de los sectores seleccionados por el Ministerio de Electricidad

y Energía Renovable para ser beneficiado con dotación de energía solar, ya que

debido a su ubicación geográfica (hora y media en lancha desde las riveras del

Estero Salado) no tienen servicio eléctrico.

Para este fin el Ministerio de Electricidad ejecuta el programa Euro Solar, que es

una iniciativa de la Comunidad Europea y que involucra a 8 países de Centro y Surdel continente americano.

En Ecuador, el plan busca dotar de energía solar a 91 comunidades rurales de 7

provincias del país.

El director Nacional de Energía Renovable y Eficiencia Energética del Ministerio

de Electricidad, Ramón Rodríguez, explica que en cada comunidad se instalará un

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76

kit estándar compuesto por paneles fotovoltaicos y un aerogenerador para la

producción de energía. Los kits serán donados por la Comunidad Europea.

Destaca que el plan incluirá también sistemas de telecomunicaciones, iluminación

de instalaciones comunitarias, equipos informáticos, un refrigerador para vacunas,

un cargador de baterías y un potabilizador de agua.

Según datos de la Subsecretaría de Energía Renovable y Eficiencia Energética, el

programa, que inició el 18 de enero de 2007, tendrá una duración de 48 meses, de

los cuales 42 serán para realizar la fase operativa y los 6 restantes el cierre, tiempo

en el que se prevé cubrir las zonas incluidas en el plan.

El programa de energía renovable cuenta con un presupuesto de 4’360.083,00 euros

(5’634.535,26 dólares). De este monto 3’450.083,00 euros (4’458.542,26 dólares)

son aportes de la Unión Europea y 910.000 euros (1’175.993,00 dólares) del Estado

ecuatoriano.

Los países que integran el programa Euro Solar cuentan con una Célula Nacional de

Coordinación. En el caso de Ecuador el comité de seguimiento está integrado por el

Ministerio de Educación, el Ministerio de Salud y el Consejo Nacional de

Electricidad (Conelec).

A más de esta iniciativa de Gobierno, organizaciones no gubernamentales también

impulsan el uso de energía renovable en el país.

4.6. Productores mundiales de energía fotovoltaica.

PF

10FPJAPÓN: Actualmente, es el principal país productor de energía fotovoltaica a

nivel mundial, el segundo puesto lo ocupa ALEMANIA.

ESPAÑA: Es uno de los países europeos con niveles más altos de radiación solar y

tiene un elevado mercado potencial interior en sistemas conectados a la red. Pero,

P

10P Gregori o Gil García. ENERGIAS DEL SIGLO XXI. 2008.

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77

por contra, en la implantación de energía solar se encuentra por detrás de países

nórdicos como Suecia, Holanda o Alemania.

En España inciden 1.500 Kwh/mP

2P que se pueden aprovechar directamente (calor) o

se pueden convertir en otra fuente de energía (electricidad).

La producción mundial de módulos fotovoltaicos viene creciendo desde el año

2000 en un 30% anual y actualmente España es considerada, junto con Estados

Unidos, Israel y Australia, como uno de los grandes inversores mundiales en el

desarrollo de la energía solar para producir electricidad.

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78

CONCLUSIONES

• Se concluye del presente estudio que las celdas solares es factible fabricar en el

Ecuador, ya que nuestro país cuenta con los recursos naturales suficientes y

necesarios (arena silícica y sol).

• El estudio realizado muestra que la arena silícica es abundante en el Ecuador,

pero debido al desconocimiento y a la falta de tecnología, no se aprovecha sus

beneficios, ya que es únicamente utilizado para satisfacer las necesidades de

pequeñas fábricas de vidrio, botellas, etc.

• Una de las razones para que las diferentes empresas dedicadas a la metalurgia

(fundiciones) en nuestro país, no se dediquen a la obtención de silicio para

celdas solares, es debido a los altos costos que poseen los equipos necesarios

para obtener dicho silicio, pues más barato resulta obtener acero que el silicio

solar.

•

Los hornos de Arco eléctrico y hornos de inducción, que existen en la industriaecuatoriana son utilizados para la obtención de acero a pequeña y gran escala.

Las empresas que los poseen se dedican a la fundición de chatarra debido a que

esta actividad les deja grandes réditos económicos.

• Del presente estudio se desprende fundamentos técnico-económicos que

contribuirán a desarrollar la energía fotovoltaica, que es una de las aplicaciones

con mayor futuro. Y que ayudará a cambiar el actual carácter marginal, de la

energía solar en nuestro país.

• El gran potencial de insolación solar, de la cual se beneficia nuestro país

durante todo el año contribuye a que en lugares marginales donde no llega la

energía eléctrica convencional, se pueda aplicar sistemas de celdas solares

fotovoltaicas para satisfacer una de las necesidades básicas.

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79

• El consumo de energía eléctrica en el Ecuador ha aumentado desde 1990 en

promedio del 8.55% anual. La energía hidráulica aunque sigue siendo la que

más aporta al suministro de energía eléctrica, solo ha tenido un incremento del

10% desde el año 1990 hasta el 2008, frente al promedio del 13.54% que en el

mismo periodo ha tenido la energía térmica, que utiliza como fuentes primarias

los derivados del petróleo.

• El consumo de energía eléctrica en el mundo hasta el año de 1995, se basa

principalmente en los combustibles fósiles: petróleo 32,5%, carbón 26,5% y gas

natural 18%, en segundo lugar se encuentra las energías renovables: energía

hidráulica 6%, solar y eólica con 0.5%, biomasa 11,5% y en último lugar la

energía nuclear con 5%.

• El estudio realizado propicia la creación de un laboratorio de Metalurgia con

fines de experimentación y educativos para la Universidad Politécnica

Salesiana, tanto para las carreras de Ingeniería Eléctrica y Mecánica.

• Las celdas solares no contaminan el medio ambiente. La implantación del

sistema fotovoltaico renovable de energía repercute en la disminución de CO2, y

por tanto la reducción de la contaminación atmosférica, del efecto invernadero y

del cambio climático que de el se deriva. La instalación fotovoltaica no

contamina ni química, ni electromagnética, ni acústicamente, siendo altamente

recomendable para la conservación del medio ambiente, lo que no ocurre con las

centrales térmicas que a pesar de tener límites permisibles por el Ministerio del

Ambiente, siguen contaminando.

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80

RECOMENDACIONES

• Incentivar a entes gubernamentales o la empresa privada, apoyen a

Universidades, Escuelas Politécnicas y otras instituciones a fines, con la

implementación de laboratorios que ayuden a la experimentación de fabricar

celdas solares en nuestro país.

• Concienciar a la sociedad en general que la implementación de los sistemas de

celdas solares fotovoltaicas, son fuentes de energías alternativas que dan

soluciones integrales, con beneficios particulares y sociales que deben ser

aprovechados.

• Es necesario apoyar proyectos como el de la EPN “Obtención de Silicio

metalúrgico por reducción de la sílice mediante carbón a nivel de laboratorio y

estudio de prefactibilidad de purificación a grado solar.” Debido a que este es

el único proyecto que se ha presentado al gobierno para la implementación de

este tipo de laboratorio.

• La Universidad Politécnica Salesiana debe incentivar la investigación de

proyectos como él, del presente estudio. Esto se logrará únicamente si la

Universidad poseería la infraestructura necesaria, como laboratorios que ayuden

a la investigación.

• Es muy importante, que debido a que en nuestro país existe el potencial para

fabricar y montar pequeños sistemas de generación fotovoltaica. Las empresas ocomunidades que estuviesen dispuestas a apoyar este tipo de proyectos,

aprovechen que el CONELEC según la LEY DEL SECTOR ELECTRICO Art.

28 expresa: que se asegura con prioridad fondos del FERUM a proyectos de

electrificación rural basados en recursos energéticos no convencionales tales

como la energía solar, eólica, geotérmico, biomasa y otros de similares

características, debería propulsar estos proyectos a lo largo de nuestro país.

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81

ANEXOS

Anexo 1

Método de Czochralski

El proceso o método de Czochralski consiste en un procedimiento para la

obtención de HlingotesH HmonocristalinosH. Fue desarrollado por un científico polaco

llamado HJan CzochralskiH.

Este método es utilizado para la obtención de HsilicioH monocristalino mediante un

HcristalH semilla depositado por un baño de silicio. Es de amplio uso en la industria

HelectrónicaH para la obtención de HwafersH u obleas, destinadas a la fabricación de

HtransistoresH y Hcircuitos integradosH.

El método consiste en tener un crisol que contiene el semiconductor fundido, por

ejemplo HgermanioH. La temperatura se controla para que esté justamente por encima

del H punto de fusiónH y no empiece a solidificarse. En el crisol se introduce una varilla

que gira lentamente y tiene en su extremo un pequeño monocristal del mismo

semiconductor que actúa como semilla. Al contacto con la superficie del

semiconductor fundido, éste se agrega a la semilla, solidificándose con su red

cristalina orientada de la misma forma que aquella, con lo que el monocristal crece.

La varilla se va elevando y, colgando de ella, se va formando un monocristal

cilíndrico. Finalmente se separa el lingote de la varilla y pasa a la Hfusión por zonasH

para purificarlo.

El grosor del lingote depende del control de temperatura y la velocidad de la varilla.

Cuando la temperatura asciende, el propio lingote se va fundiendo, pero si

desciende, se forman agregados que no son monocristalinos.

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GRAFICO DEL METODO

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METODO DE ZONA FLOTANTE

El método de Zona Flotante produce silicio más puro que el método de

Czochralski, debido a que este método el Silicio no se contamina en el crisol como

en el método de Czochralski. En el método de Zona Flotante, se coloca la barra de

Si-poli sobre una semilla. Una bobina induce un campo eléctrico, calentando la

barra y la interface entre la semilla y el material. A medida que se desplaza la

bobina alejándose de la semilla, el Silicio solidifica con la misma estructura de la

semilla. El Silicio fundido se sostiene entre las dos gracias a la tensión superficial.

Método de Zona Flotante.

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ANEXOS 2

Mapas de insolación mensual del Ecuador año 2008

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GLOSARIO

Celda solar o celda fotovoltaica: Elemento que transforma la luz solar (fotones) en

electricidad. Es el insumo fundamental de los módulos solares fotovoltaicos.

Constante solar: Cantidad de energía solar que incide sobre una superficie de 1 m2

por segundo, cuando ésta se halla en el tope de la atmósfera a la distancia media

sol-tierra. Su valor es aproximadamente 1,36 Kw/m2.

Consumo eléctrico: Número de Vatios hora (Wh) o Kilovatios hora (Kwh)

utilizados para que funcione un aparato eléctrico durante un tiempo. Depende de la

potencia del aparato y del tiempo que esté funcionando.

Corriente alterna: En la corriente alterna (CA o AC, en inglés) los electrones, a

partir de su posición fija en el cable (centro), oscilan de un lado al otro de su centro,

dentro de un mismo entorno o amplitud, a una frecuencia determinada (número de

oscilaciones por segundo).

Corriente continua: La corriente continua (CC o DC, en inglés) se genera a partir

de un flujo continuo de electrones (cargas negativas) siempre en el mismo sentido,

el cual va desde el polo negativo de la fuente al polo positivo. Al desplazarse en este

sentido los electrones, los huecos o ausencias de electrones (cargas positivas) lo

hacen en sentido contrario, es decir, desde el polo positivo al negativo.

Eficiencia energética: Está asociada al concepto de conservación de la energía,

pero no puede entenderse solamente como una reducción del consumo. Los paísesde América Latina tienen un desafío doble, crear las condiciones para una adecuada

calidad de vida de toda la población, que en muchos casos necesita aumentar su

consumo de energía, y al mismo tiempo reducir la cantidad de energía que es

convertida en bienes y servicios.

Energías alternativas: Se considera energías alternativas a las que pueden sustituir

a la energía convencional (fósiles, grandes centrales hidroeléctricas, energía

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nuclear), y que no implican impactos negativos significativos. Son consideradas

como alternativas entre otras la energía solar, eólica, biomasa, pequeñas centrales

hidroeléctricas.

Energía limpia: Una energía se considera limpia cuando su utilización no tiene

riesgos potenciales añadidos, y suponen un nulo o escaso impacto ambiental.

Prácticamente no existe una energía limpia 100%. Las alteraciones que pueda

provocar una energía limpia - considerando su ciclo de vida-, no son relevantes

como para alterar ecosistemas, ciclos hidrológicos, o generar residuos que la

naturaleza no pueda asimilar previamente tratados. Con esta definición quedan

excluidas por ejemplo, las grandes represas y la energía nuclear. Las energías

limpias, son renovables y compatibles con sociedades sustentables.

Energía pico: Electricidad abastecida cuando la demanda está en su nivel más alto.

Energía primaria: Se entiende por energía primaria a las distintas fuentes de

energía tal como se obtienen en la naturaleza, ya sea: en forma directa como en el

caso de la energía hidráulica, eólica o solar, la leña y otros combustibles vegetales;

o después de un proceso de extracción como el petróleo, carbón mineral,

geoenergía, etc.

Energía renovable: Las energías de origen renovable, son consideradas como

fuentes de energía inagotables, con las siguientes características: suponen un nulo o

escaso impacto ambiental. Utilizan para la generación de energía recursos continuos

o renovables. Se entiende como recursos continuos a los recursos inagotables y

corresponden a fuentes de energía cuya oferta no se ve afectada por la actividadhumana. ej.: la radiación y la energía eólica.

Son recursos renovables los recursos que pueden continuar existiendo, a pesar de

ser utilizados por la actividad económica, gracias a los procesos de regeneración.

Sin embargo pueden ser agotados, cuando están siendo consumidos más

rápidamente de lo que se regeneran (sobreexplotación), o por alteración de los

ecosistemas. ej: plantas, animales, agua, suelo.

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100

Gigavatio: Mil millones de vatios (1 Gw = 1000000 000 W)

Intensidad eléctrica: Magnitud eléctrica definida como la cantidad de electricidad

que pasa a través de la sección de un cable conductor en un segundo. Se mide en

Amperios (A)

Kilovatio: Unidad de potencia, equivale 1000 Vatios.

Kilovatio hora: La potencia de mil vatios aplicada durante una hora (o una potencia

equivalente). 1 Kwh es una unidad de energía - 1 Kwh = 3600 Joules.

Megavatio: Un millón de vatios (1 Mw = 1 000 000 w)

Micro Centrales Hidroeléctricas: Algunos autores denominan como

microcentrales las que tienen hasta 100 Kw de potencia.

Mini Centrales Hidroeléctricas: Algunos autores denominan como minicentrales

las que tienen de 100 a 1.000 Kw de potencia.

Módulo o panel solar fotovoltaico: Conjunto de celdas solares interconectadas

dentro de una unidad sellada.

Potencia nominal: Potencia máxima, en régimen continuo, para la cual fue prevista

y dimensionada la instalación.

Potencia eléctrica: Capacidad de los aparatos eléctricos para producir trabajo (lacantidad de trabajo realizado en la unidad de tiempo). La unidad de medida es el

Vatio (w), el kilovatio (Kw) o el megavatio (Mw)

Potencial energético: Cantidad total de energía presente en la naturaleza,

independiente de cuál sea la fuente energética, posible de ser aprovechada mediante

el uso de tecnología.

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101

Insolación: Cantidad de energía solar que llega a una superficie, medida en

Vatio/hora/metro cuadrado. La Insolación que llega a la superficie terrestre puede

ser directa o difusa. Mientras la insolación directa incide sobre cualquier superficie

con un único y preciso ángulo de incidencia, la difusa cae en esa superficie con

varios ángulos. Cuando la insolación directa no llega a una superficie a causa de la

presencia de un obstáculo, el área en sombra no se encuentra completamente a

oscuras gracias a la insolación difusa. Por ello, los dispositivos fotovoltaicos pueden

funcionar incluso solamente con insolación difusa.

Insolación difusa: Radiación proveniente del cielo como resultado de la dispersión

de la radiación solar por la atmósfera. Es la radiación solar difundida por la

atmósfera (por lo que no llega directamente del sol).

La insolación difusa es aquella recibida de la atmósfera como consecuencia de la

dispersión de parte de la radiación del sol en la misma. Esta energía podría suponer

aproximadamente un 15% de la insolación en los días soleados, pero en los días

nublados, en los cuales la insolación directa es muy baja, la insolación difusa

supone un porcentaje mucho mayor. Por otra parte, las superficies horizontales son

las que más insolación difusa reciben, ya que ven toda la semiesfera celeste,

mientras que las superficies verticales reciben menos porque solo ven la mitad de la

semiesfera celeste.

Insolación Directa: Como su propio nombre indica, la que proviene directamente

del sol. Es la que recibimos cuando los rayos solares no se difuminan o se desvían a

su paso por la atmósfera terrestre.

Insolación Global: Será la suma de las insolaciones directa y difusa.

Regulador de carga: También llamado unidad de control o controlador de carga.

Componente que controla el flujo de corriente hacia la batería y de la batería hacia

los equipos para proteger la batería de sobrecargas y sobre descargas.

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Tensión eléctrica: Diferencia de potencial eléctrico que tiene que existir entre los

bornes de conexión o entre dos partes activas de una instalación, para que la

corriente eléctrica circule por dicha instalación. La unidad de medida es el Voltio

(V).

Voltaje de circuito abierto: Voltaje que se mide en los terminales sin carga de un

sistema fotovoltaico.

Voltaje de máxima potencia: Voltaje correspondiente al punto de máxima

potencia.

Vatio pico: Unidad de medida de un módulo solar fotovoltaico, que significa la

cantidad de potencia máxima que puede generar el módulo a condiciones estándar

de funcionamiento.

CF: Convenio de Financiación ALA/2006/017/223 para llevar a cabo el Programa

EURO-SOLAR, conjuntamente con otros 7 países de América Latina.

CNC: Célula Nacional de Coordinación.

ATI: Asistencia Técnica Internacional.

MEER: Ministerio de Electricidad y Energía Renovable.

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