Celdas-fotovoltaicas

CELDAS FOTOVOLTAICAS GRUPO 4 “LOS CATIÓNICOS”

I. INTRODUCCIÓN Desde hace ya un tiempo a ésta parte, el mundo se está viendo enfrentado a problemas energéticos, este fenómeno irreversible ha sido denominado como “Crisis Energética”. Frente a esta crisis ha surgido la necesidad de aprovechar de mejor forma los recursos energéticos disponibles, por otro lado se han ideado formas de aprovechar distintos tipos de energías naturales con el propósito de convertirlas en energía eléctrica, dentro de estas se encuentra la energía solar.

II. MARCO TEÓRICO 

2.1 PANEL FOTOVOLTAICO

Los paneles o módulos fotovoltaicos llamados comúnmente paneles solares, están formados por un conjunto de células fotovoltaicas que producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos mediante el efecto fotoeléctrico. En función del tipo de célula que los forman, se dividen en: 

Cristalinas

-Monocristalinas: se componen de secciones de un único cristal de silicio (Si) (reconocibles por su forma circular u octogonal, donde los 4 lados cortos, si se puede apreciar en la imagen, se aprecia que son curvos, debido a que es una célula circular recortada). -Policristalinas: cuando están formadas por pequeñas partículas cristalizadas. 

Amorfas: cuando el silicio no se ha cristalizado.

2.2 ¿CÓMO FUNCIONAN LAS CELDAS FOTOVOLTAICAS? 

Una celda fotovoltaica es un dispositivo electrónico que convierte la energía luminosa, la luz, en energía eléctrica. Es decir, absorbe los fotones de la luz para liberar electrones que puede usar en una corriente eléctrica.

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Estos dispositivos están hechos de dos tipos de materiales semiconductores, uno de carga positiva (p) y otro de carga negativa (n). Cuando son expuestos a la luz permiten que un fotón de la luz solar “arranque” un electrón, el electrón libre deja un “hueco” que será llenado por otro electrón que a su vez fue arrancado de su propio átomo.

2.3 EFECTO FOTOELÉCTRICO Y CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA 

El trabajo de la celda es provocar que los electrones libres vayan de un material semiconductor a otro en busca de un “hueco” que llenar. Esto produce una diferencia de potencial y por tanto una corriente eléctrica, es decir, que se producirá un flujo de electricidad del punto de mayor potencial al de menor potencial hasta que en los dos puntos el potencial sea el mismo.

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Es un proceso por el cual la energía solar se transforma directamente en electricidad. El dispositivo o elemento que media en el proceso es la célula solar o célula fotovoltaica. A esta conversión fotovoltaica se le llama efecto fotoeléctrico.

2.4 ¿CUÁNTA ENERGÍA SOLAR ABSORBE LA CELDA FV? 

La mayoría de las celdas pueden absorber alrededor del 25% y con mayor probabilidad 15% o menos. Esto es porque la luz visible es sólo una parte del espectro electromagnético. Y la radiación electromagnético no es monocromática. La luz puede ser separada en diferentes longitudes de onda.

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La banda óptima de intervalo de energía es 1.4 eV para una celda hecha de un material simple.

TIPOS DE PANELES SOLARES Alrededor del 90% de la tecnología fotovoltaica se basa en el uso de alguna variación del silicio. El porcentaje de estos paneles destinados a uso doméstico es todavía mayor. • PANELES MONOCRISTSLINOS DE CELDAS DE SILICIO Las celdas monocristalinas se fabrican con bloques de silicio o ingots, que son de forma cilíndrica. Para optimizar el rendimiento y reducir los costes de cada celda solar monocristalina, se recortan los cuatro lados de los bloques cilíndricos para hacer láminas de silicio, y que les da esa apariencia característica.

1.VENTAJAS a) mayores tasas de eficiencia puesto que se fabrican con silicio de alta pureza.

a) vida útil de los paneles monocristalinos es más larga.

2. DESVENTAJAS a) Son más caros a) Si el panel se cubre parcialmente por una sombra, suciedad o nieve, el circuito entero puede averiarse

• Paneles policristalinos de silicio El silicio en bruto se funde y se vierte en un molde cuadrado. A continuación se enfría y se corta en láminas perfectamente cuadradas.

1.Ventajas a) El proceso de fabricación es de bajo precio

2. Desventajas a) suelen tener menor resistencia al calor con respecto a los paneles monocristalinos. a) La eficiencia de un panel esta entre el 13-16%. a) Mayor necesidad de espacio. Se necesita cubrir una superficie mayor con paneles policristalinos que con monocristalinos.

• Paneles solares fotovoltaicos de capa fina El fundamento de estos paneles es depositar varias capas de material fotovoltaico en una base

1.Ventajas a) Se pueden fabricar de forma muy sencilla y en grandes remesas. Esto hace que sean más baratos que los paneles cristalinos b) Pueden ser flexibles, lo que permite que se adapten a múltiples superficies. c) El rendimiento no se ve afectado tanto por las sombras y altas temperaturas

2. Desventajas a) por su menor eficiencia requieren mucho espacio. b) Al necesitar más paneles, también hay que invertir más en estructura metálica, cableado, etc. c) tienden a degradarse más rápido que los paneles monocristalinos y policristalinos.

• Célula fotovoltaica

Una célula fotoeléctrica, es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía luminosa (fotones) en energía eléctrica (electrones) mediante el efecto fotoeléctrico. En la actualidad el material fotosensible más utilizado es el silicio, que produce corrientes eléctricas mayores.

La eficiencia de conversión media obtenida por las células disponibles comercialmente (producidas a partir de silicio monocristalino) está alrededor del 16%. La vida útil media a máximo rendimiento se sitúa en torno a los 25 años, período a partir del cual la potencia entregada disminuye. El tipo de corriente eléctrica que proporcionan es corriente continua, por lo que si necesitamos corriente alterna o aumentar su tensión, tendremos que añadir un inversor y/o un convertidor de potencia. Paneles fotovoltaicos orgánicos y cigs El tipo de corriente eléctrica que proporcionan es corriente continua, por lo que si necesitamos corriente alterna o aumentar su tensión, tendremos que añadir un inversor y/o un convertidor de potencia. Los fotovoltaicos orgánicos (OPV) cuentan con la ventaja de que se pueden pintar sobre una superficie, como las paredes exteriores de un edificio o el tejado. Además, se pueden elaborar por medio de procesos de impresión y de recubrimiento de alta velocidad y escalables, como las pinturas en aerosol y la impresión de inyección de tinta para cubrir áreas más extensas.

3.3.6.- CÉLULAS SOLARES PLÁSTICAS BASADAS EN POLÍMEROS 

Las células solares de polímeros son un tipo de célula solar flexible. Pueden venir en muchas formas incluyendo: células solares orgánicas (también llamados células solares de plástico), o la química orgánica de células fotovoltaicas que producen electricidad a partir de la luz del sol usando polímeros.

Ventajas de las células solares plásticas 

A diferencia de las celdas basadas en cristales de silicio, las células solares de polímeros, no requieren un orientación optima al sol ya que plástico recoge energía de hasta 70° del eje de sol a sol al aire libre - y en cualquier orientación en el interior.

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Industrialización y campo de aplicación

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Actualmente USA la empresa Konarka Technologies, Inc., está produciendo celdas utilizando esta tecnología.

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Su campo de aplicación actual es para suministrar energía a teléfonos móviles y ordenadores portátiles.

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El vertiginoso desarrollo de esta tecnología próximamente permitirá integración arquitectónica que permita a las edificaciones generar su propia energía (autoconsumo fotovoltaico).

Otros Paneles Solares 

Placas solares de capa fina

Para reducir los costos de producción y salir de la posible escasez de silicio, se empezaron a investigar e invertir en placas de otros materiales. A parte de paneles solares de capa fina (thin film solar cells) con silicio (amorfas), se logró una reducción importante de los costos usando otros elementos. Los más importantes son módulos de capa delgada de cobre, indio y selenio (CIS) o de cobre, indio, galio y selenio (CIGS) y módulos de capa delgada a base de cadmio y telurio (CdTe).

3.3.7.-Celdas flexibles 

Las nuevas formas de producción permiten también producir celdas flexibles que abren posibilidades que la rigidez de los paneles tradicionales no permitieron. Estas celdas cada vez más se incorporan en la ropa, mochilas, sombrillas, etc. A parte de aplicaciones especiales, sirven para cargar aparatos de poco consumo. Así se puede evitar un celular descargado, alimentar otros aparatos portátiles o tener luz en la playa una vez que se va el sol.

3.3.8.-Celdas orgánicas Celdas orgánicas ya se puede tejer en la ropa, por ejemplo para cargar aparatos de telecomunicación. De interés especial es la Celda Grätzel de material simple similar a la fotosíntesis con características muy prometedoras. Con esta invención el Prof. Grätzel ganó el Premio Tecnológico del Milenio en el 2010. Actualmente están preparando una primera producción industrial. A causa del uso de materiales simples, se espera en el futuro una importante reducción de los precios. Contrario de las celdas cristalinas, tienen la ventaja que la eficiencia aumenta con la temperatura.

3.3.9.-Celdas de concentración 

Concentrar la luz con sistemas ópticos es otro desarrollo para aumentar la eficiencia relativamente baja de las celdas fotovoltaicas y reducir los costos. Aunque se logró mejorar la eficiencia por un factor importante en los sistemas instalados, la necesidad de orientarlos exactamente hacia el sol y el control de la alta temperatura generada imponen sistemas sofisticados con un mantenimiento alto y costoso. Nuevas tecnologías que eviten las desventajas están bajo desarrollo.

.4.-COSTOS

Los costos totales de un sistema fotovoltaico pueden clasificarse en las siguientes categorías:

Costos de inversión Costos de mantenimiento Costos de reemplazo

A continuación, se presenta información técnica relativa a los sistemas fotovoltaicos más utilizados.

3.5-FINANCIAMIENTO 

En comparación con otras fuentes de generación eléctrica, como por ejemplo una planta de Diesel, el costo inicial de un sistema fotovoltaico es relativamente alto pero el costo de operación y mantenimiento es muy bajo. Esto hace frecuentemente que un sistema fotovoltaico sea la opción más barata, aunque el costo inicial constituya una barrera para que muchos usuarios potenciales, sobre todo en zonas rurales, no los puedan adquirir.

4.-PRINCIPALES APLICACIONES 

• Electrificación de inmuebles rurales: luz, TV, telefonía, comunicaciones, bombas de agua

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• Electrificación de cercas

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• Alumbrado exterior

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• Balizado y Señalización

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• Protección catódica

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• Náutica, Casas Rodantes, etc.

Mejor calidad en el suministro de energía eléctrica Mayor robustez del sistema

Distribución centralizaca

Características mas sobresalientes de este sistema Menor costo de la energia

Menor impacto ambiental

5.1.-CORROSION DE LAS CELDAS FOTOVOLTAICAS 

Envejecimiento de origen térmico y termo mecánico

Los cambios de temperatura provocan dilataciones y contracciones de los materiales. Estos incrementos en el volumen, si no estuvieran restringidos, no generarían problemas, pero la geometría y el uso de materiales diferentes (que se dilatan en diferente cuantía ante un mismo incremento en la temperatura)constriñen las deformaciones térmicas y originan tensiones que pueden provocar la aparición de pequeñas grietas que afectan a diferentes partes de las células y pueden dejarlas en circuito abierto y, por lo tanto, inoperativas, o puede agrietarse la cubierta transparente de los paneles, lo que se traduce en sombras y menos potencia utilizable. No es necesario que las tensiones sean muy intensas, ya que los esfuerzos aplicados de forma cíclica pueden hacer crecer grietas a partir de defectos microscópicos; este problema se llama fatiga.

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Envejecimiento de origen químico

Los agentes corrosivos externos (por ejemplo, el agua) pueden atacar los materiales que componen la célula fotovoltaica y alterar su composición química de modo que ésta se aleja de la adecuada para el buen funcionamiento.

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Envejecimiento debido a daños puramente mecánicos

Los ataques mecánicos macroscópicos (impactos y otras cargas intensas) pueden causar daños en los componentes de las células y en su cubierta transparente. Igual que sucedía con las tensiones de origen térmico, las grietas pueden dejar circuitos eléctricos abiertos hasta el punto de impedir la trasmisión de potencia en una célula. Incluso si las cargas son poco intensas, si éstas se dan de forma cíclica durante mucho tiempo, pueden provocar daños por fatiga.

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Problemas reversibles

Los anteriores problemas eran esencialmente irreversibles. Hay un problema importante que es, en las condiciones adecuadas, fácilmente reversible: la acumulación de polvo que bloquea el paso de la luz. Esto no es un proceso de envejecimiento en sí, pero es algo muy parecido cuando no es posible retirar el polvo. Tal es el caso de los rovers, vehículos terrestres de exploración enviados a otros mundos, cuyos paneles solares son imposibles de limpiar desde la Tierra y que, por lo tanto, se vuelven ineficaces conforme pasa el tiempo y el polvo se acumula.

6.-CONCLUSIÓN 

Aunque con paneles de capa fina de relativamente poca materia prima se logró reducir el costo de producción, queda cierta inseguridad sobre su durabilidad. Todavía falta suficiente experiencia histórica y junto con algunos problemas de la producción, la calidad deja algunas dudas. Mientras las placas mono- y policristalinas son garantizadas de producir 80% de su energía sobre 25 años, todavía no se puede garantizar esta vida con las tecnologías más recientes. Esto afecta directamente la rentabilidad de los sistemas sobre el tiempo y en general favorece a las placas tradicionales de silicio

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Nos informarnos sobre nuevas formas de aprovechar distintos tipos de energías naturales con el propósito de convertirlas en energía eléctrica, ejemplo la energía solar

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Hemos aprendido que es un panel fotovoltaico y una celda fotovoltaica y qué tipo de materiales se usa en su elaboración