Energía Solar Fotovoltaica

1. Energía Solar Fotovoltaica Fuentes de Ahorro de Energía Ing. Guillermo Arreguin Carral Marzo 2011 Ingeniería Electromecánica Equipo No.2

2. Integrantes Ilse Nallely García Márquez 08060395 Iván Zapata Orozco 05060987 Luis Ramón Lechuga López 05061133 Iván Alan Bustillos Urías 05061002 Omar Alejandro Palacios Carlos 08060600 Ramsés Orlando Lucero Loya 07061013 Nicolás Ruiz Miranda 06060699 Juan Humberto Baca Corral 06061407

3. Energía Solar Fotovoltaica

4. Energía Fotovoltaica La energía solar fotovoltaica es un tipo de electricidad renovable(energía eléctrica, -voltaica) obtenida directamente de los rayos del sol(foto-) gracias a la foto detección cuántica de un determinado dispositivo; normalmente una lámina metálica semiconductorallamada célula fotovoltaica, o una deposición de metales sobre un sustrato llamada capa fina. También están en fase de laboratorio métodos orgánicos. Se usa para alimentar innumerables aparatos autónomos, para abastecer refugios o casas aisladas y para producir electricidad para redes de distribución.

5. Efecto Fotovoltaico Es la base del proceso mediante el cual una célula FV convierte la luz solar en electricidad. La luz solar está compuesta por fotones, o partículas energéticas. Estos fotones son de diferentes energías, correspondientes a las diferentes longitudes de onda del espectro solar. Cuando los fotones inciden sobre una célula FV, pueden ser reflejados o absorbidos, o pueden pasar a su través. Únicamente los fotones absorbidos generan electricidad.

6. Producción de Energía Solar Fotovoltaica España es en la actualidad, es uno de los primeros países con más potencia fotovoltaica del mundo, según la Agencia Internacional de la Energía, con una potencia acumulada instalada de 3.523 MW. Alemania es en la actualidad el segundo fabricante mundial de paneles solares fotovoltaicos tras Japón , con cerca de 5 millones de metros cuadrados de paneles solares, aunque sólo representan el 0,03% de su producción energética total. El crecimiento actual de las instalaciones solares fotovoltaicas está limitado por la falta de materia prima en el mercado (silicio de calidad solar) al estar copadas las fuentes actuales.

7. Costos Se refieren al coste por kWh de energía solar fotovoltaica producida para células solares de silicio cristalino. La base de los cálculos incluye 4% por costo del capital, 1% por costo de operación y un período de depreciación de 20 años, aunque un equipo fotovoltaico normalmente está técnicamente operativo durante 30 años.

8. Celdas Solares

9. Historia En 1883 el inventor norteamericano Charles Fritts construye la primera celda solar con una eficiencia del 1%. La primera celda solar fue construida utilizando como semiconductor el Selenio con una muy delgada capa de oro. Debido al alto costo de esta celda se utilizó para usos diferentes a la generación de electricidad. La celda de Silicio que hoy día utilizan proviene de la patente del inventor norteamericano Russell Ohl. Fue construida en 1940 y patentada en 1946.

10. 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), del mismo modo que para las celdas solares hechas de otros materiales (seleniuro de cobre e indio, teluro de cadmio, arseniuro de galio, etc).

11. Celdas Solares Sistemas fotovoltaicos que convierten directamente parte de la luz solar en electricidad. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico. Están formados por células elaboradas a base de silicio puro con adición de impurezas de ciertos elementos químicos, siendo capaces de generar cada una de 2 a 4 Amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48 V, utilizando como materia prima la radiación solar.

12. Elementos GENERADOR SOLAR: Conjunto de paneles fotovoltaicos que captan energía luminosa y la transforman en corriente continua a baja tensión.

13. ACUMULADOR: Almacena la energía producida por el generador. Una vez almacenada existen dos opciones: • Sacar una línea de éste para la instalación (utilizar lámpara y elementos de consumo eléctrico). • Transformar a través de un inversor la corriente continua en corriente alterna. • REGULADOR DE CARGA: Su función es evitar sobrecargas o descargas excesivas al acumulador, puesto que los daños podrían ser irreversibles. Debe asegurar que el sistema trabaje siempre en el punto de máxima eficacia. • INVERSOR (opcional): Se encarga de transformar la corriente continua producida por el campo fotovoltaico en corriente alterna, la cual alimentará directamente a los usuarios.

14. Inversores Un inversor (convertidor), es un equipo electrónico que convierte la corriente directa de una batería (acumulador), en corriente alterna tal como la recibiríamos de una empresa proveedora de energía eléctrica. De esta manera poder utilizar aparatos electrónicos normales o de uso cotidiano.

15. Un inversor simple consta de un oscilador (circuito que es capaz de convertir la corriente continua en una corriente que varía de forma periódica en el tiempo) que controla un transistor, el cual se utiliza para interrumpir la corriente entrante y generar una onda cuadrada. Esta onda cuadrada alimenta a un transformador que suaviza su forma, haciéndola un poco mas una onda senoidal y produciendo el voltaje de salida necesario.

17. Fabricación • Las celdas solares convencionales son fabricadas a partir del silicio, este elemento es de los mas abundantes en el planeta. El silicio se obtiene de rocas ricas en cuarzo (mineral compuesto por dióxido de silicio), por ejemplo de la cuarcita del cual se obtiene silicio de alta pureza (de alrededor del 99%) y se funde. Una vez fundido se inicia la cristalización, resultando lingotes de silicio cristalino.

18. El proceso de corte es muy importante ya que puede suponer perdidas de hasta el 50% de material. Tras el proceso de corte se procede al decapado, que consiste en eliminar las irregularidades y defectos debidos al corte, así como los restos de polvo o virutas que pudiera haber. Una vez limpia se le realiza un tratamiento anti reflectante para obtener una superficie que absorba mas eficientemente la radiación solar y se provee a la célula de contactos eléctricos adecuados.

19. Tipos de celdas • SILICIO MONOCRISTALINO: Caracterizado por una disposición ordenada y periódica de átomo, de forma que solo tiene una orientación cristalina, es decir, todos los átomos están dispuestos simétricamente. Alcanzan rendimientos de hasta el 17%. • SILICIO POLICRISTALINO: Silicio depositado sobre otro sustrato. Las direcciones de alineación van cambiando cada cierto tiempo durante el proceso de deposición. Alcanzan rendimientos de hasta un 12%. • SILICIO AMORFO: Compuesto hidrogenado de silicio no cristalino, depositado sobre otra sustancia. Presenta un color marron y gris oscuro y son celulas de un espesor mas delgado y fabricacion mas simple y barata, aunque con una eficiencia del 6 - 8%.

20. Nuevas tecnologías Nuevas células solares en forma esférica. En Japón la empresa Kyosemi ha desarrollado un producto llamado Sphelar, que consiste en una matriz de pequeñas células solares esféricas de entre 1 y 1.5 mm de diámetro capaces de absorber la radiación solar con cualquier Angulo, pudiendo aprovechar tanto la radiación reflejada como la difusa, con esta tecnología no es necesario el uso de seguidores y su eficiencia llega a superar el 20%.

22. Paneles fotovoltaicos orgánicos (OPV) y CIGS. Los paneles fotovoltaicos orgánicos (OPV) son paneles hechos a base de polímeros orgánicos que tienen la propiedad de reaccionar a la luz solar, estos son mas baratos de fabricar que los paneles convencionales de silicio y se pueden pintar o imprimir sobre distintas superficies, como las paredes, techos y ventanas y con esto aprovechar la mayor cantidad de espacio posible. Los paneles delgados , también llamados de película delgada o Thin-Film, se basan en tecnologías CIGS (Cobre Indio Galio Selenio) incrustadas en soportes flexibles y ligeros que permiten multitud de usos como ventanas, teléfonos, coches entre otros. Son mas baratos que los paneles de silicio ya que la fabricación de esta tecnología requiere de temperaturas mas bajas en comparación al uso del silicio.

24. ¿ Como Funcionan ? • Las celdas solares están formadas por dos tipos de material, generalmente silicio tipo p y silicio tipo n. La luz de ciertas longitudes de onda puede ionizar los átomos en el silicio y el campo interno producido por la unión que separa algunas de las cargas positivas ("agujeros") de las cargas negativas (electrones) dentro del dispositivo fotovoltaico.Los agujeros se mueven hacia la capa positiva o capa de tipo p y los electrones hacia la negativa o capa tipo n.

25. La cantidad de energía que entrega un dispositivo fotovoltaico esta determinado por: • El tipo y el área del material • La intensidad de la luz del sol • La longitud de onda de la luz del sol • Las celdas solares de silicio monocristalino actualmente no pueden convertir más el de 25% de la energía solar en electricidad. • Las celdas solares de silicio policristalino en la actualidad tienen una eficiencia de menos del 20% y las celdas amorfas de silicio tienen actualmente una eficiencia cerca del 10%, debido a pérdidas de energía internas más altas que las del silicio monocristalino. • Una típica célula fotovoltaica de silicio monocristalino de 100 cm2 producirá cerca de 1.5 vatios de energía a 0.5 voltios de Corriente Continua y 3 amperios bajo la luz del sol en pleno verano (el 1000Wm-2).

26. Potencia y Costos En un día soleado, el Sol irradia alrededor de 1 kW/m2a la superficie de la Tierra. Considerando que los paneles fotovoltaicos actuales tienen una eficiencia típica entre el 12%-25%, esto supondría una producción aproximada de entre 120-250 W/m² en función de la eficiencia del panel fotovoltaico. Por otra parte, están produciéndose grandes avances en la tecnología fotovoltaica y ya existen paneles experimentales con rendimientos superiores al 40%. A latitudes medias y septentrionales, teniendo en cuenta el ciclo diurno y las condiciones atmosféricas, llegan a la superficie terrestre 100 W/m² de media en invierno y 250 W/m² en verano. Con una eficiencia de conversión de, aproximadamente, 12%, se puede esperar obtener 12 y 30 vatios por metro cuadrado de celda fotovoltaica en invierno y verano, respectivamente.

27. El precio actual de los módulos fotovoltaicos, oscila entre los 3.5 y los 5.0 $/W (USD), de capacidad de producción, en función de la cantidad que se compre y la procedencia. Los más baratos vienen de China y se debe ser muy prudente con la calidad y garantías de los mismos. Un precio normal está entre 8.6 y 9.0 $/W. Si la instalación es con seguidores de sol de dos ejes, el coste puede rondar los 10.60 $/W, aunque la producción eléctrica obtenida es del orden de un 30% superior que en una fija.

28. Tamaños Comerciales KC40T MODULO FOTOVOLTAICO POLICRISTALINO DE ALTO RENDIMENTO

29. KC50T MODULO FOTOVOLTAICO POLICRISTALINO DE ALTO RENDIMENTO

30. KC65T MODULO FOTOVOLTAICO POLICRISTALINO DE ALTO RENDIMENTO

31. KC85T MODULO FOTOVOLTAICO POLICRISTALINO DE ALTO RENDIMENTO

32. KC135GX-LP MODULO FOTOVOLTAICO MULCRISTALINO DE ALTO RENDIMENTO

33. KC180GX-LP MODULO FOTOVOLTAICO MULCRISTALINO DE ALTO RENDIMENTO

34. Ventajas • Al no producirse ningún tipo de combustión, no se generan contaminantes atmosféricos en el punto de utilización, ni se producen efectos como la lluvia ácida, efecto invernadero por CO2, etc. • El Silicio, elemento base para la fabricación de las células fotovoltaicas, es muy abundante, no siendo necesario explotar yacimientos de forma intensiva. • Prácticamente se produce la energía con ausencia total de ruidos.

35. Al ser una energía fundamentalmente de ámbito local, evita pistas, cables, postes, no se requieren grandes tendidos eléctricos, y su impacto visual es reducido. Tampoco tiene unos requerimientos de suelo necesario excesivamente grandes (1kWp puede ocupar entre 10 y 15 m2). • Además, no precisa ningún suministro exterior (combustible) ni presencia relevante de otros tipos de recursos (agua, viento).

36. Desventajas • Impacto en el proceso de fabricación de las placas: Extracción del Silicio, fabricación de las células • Explotaciones conectadas a red: Necesidad de grandes extensiones de terreno Impacto visual

37. Barreras Para su Desarrollo • De carácter administrativo y legislativo: Falta de normativa sobre la conexión a la red • De carácter inversor: Inversiones iniciales elevadas • De carácter tecnológico: Necesidad de nuevos desarrollos tecnológicos • De carácter social: Falta de información

38. Principales Productores JAPÓN: 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, por contra, en la implantación de energía solar se encuentra por detrás de países nórdicos como Suecia, Holanda o Alemania. La producción mundial de módulos fotovoltaicos  viene creciendo desde el año 2000 en un 30% anual

39. Centrales de Energía Fotovoltaica La mayor central de energía solar fotovoltaica del mundo hasta el año 2004 se encontraba en la ciudad de Espenhain, cerca de Leipzig. Con 33.500 paneles solares modulares monocristalinos y una capacidad de producción de 5 megavatios, la central es suficiente para abastecer a 1.800 hogares. Actualmente la empresa alemana SAG Solarstrom, que opera en España con el nombre TAU Solar, ha construido la mayor huerta solar del mundo en Erlasee (Alemania), cuenta en su totalidad con una capacidad de producción de 12 megavatios

40. Instalaciones • En una primera gran división las instalaciones fotovoltaicas se pueden clasificar en dos grandes grupos: • Instalaciones aisladas de la red eléctrica. • Instalaciones conectadas a la red eléctrica. • INSTALACIONES AISLADAS DE LA RED ELECTRICA. Generada a partir de la conversión fotovoltaica se utiliza para cubrir pequeños consumos eléctricos en el mismo lugar donde se produce la demanda. • Es el caso de aplicaciones como la electrificación de:viviendas alejadas de la red eléctrica convencional, básicamente electrificación rural;servicios y alumbrado público: iluminación pública mediante farolas autónomas de parques, calles, monumentos, paradas de autobuses, refugios de montaña. Señalización y comunicaciones: navegación aérea (señales de altura, señalización de pistas) y marítima (faros, boyas), señalización de carreteras, vías de ferrocarril, repetidores y reemisores de radio y televisión y telefonía.

41. INSTALACIONES CONECTADAS A LA RED ELECTRICA. Se pueden encontrar dos casos: centrales fotovoltaicas, (en las que la energía eléctrica generada se entrega directamente a la red eléctrica, como en otra central convencional de generación eléctrica) y sistemas fotovoltaicos en edificios o industrias, conectados a la red eléctrica.

42. Especificaciones Para su Instalación Todas las instalaciones con tensiones nominales superiores a 48 voltios contarán con una toma de tierra a la que estará conectada, como mínimo, la estructura soporte del generador y los marcos metálicos de los módulos. El sistema de protecciones asegurará la protección de las personas frente a contactos directos e indirectos. En caso de existir una instalación previa no se alterarán las condiciones de seguridad de la misma. La instalación estará protegida frente a cortocircuitos, sobrecargas y sobretensiones. Se prestará especial atención a la protección de la batería frente a cortocircuitos mediante un fusible, disyuntor magnetotérmico u otro elemento que cumpla con esta función. Las intensidades máximas admisibles, se regirán en su totalidad por lo indicado en la Norma UNE 20.460 -5-523 y su anexo Nacional.

43. Aplicaciones • Centrales conectadas a red con subvención a la producción. • Estaciones repetidoras de microondasy de radio. • Electrificación de pueblosen áreas remotas (Electrificación rural). • Instalaciones médicas en áreas rurales. • Corriente eléctrica para casas de campo. • Sistemas de comunicaciones de emergencia. • Sistemas de vigilancia de datos ambientales y de calidad del agua. • Faros, boyas y balizas de navegaciónmarítima.

44. Balizamientopara protección aeronáutica. • Sistemas de protección catódica. • Sistemas de desalinización. • Vehículos de recreo. • Señalización ferroviaria. • Sistemas para cargar los acumuladoresde barcos. • Fuente de energía para naves espaciales. • Postes SOS(Teléfonos de emergencia de carretera). • Parquímetros. • Recarga de Scooters Eléctricos.

45. Nuevos Conceptos Las células solares en tándem se diferencian de las comunes en que tienen dos células solares con diferentes características de absorción que están vinculadas entre sí, y pueden convertir un rango mayor del espectro solar. El resultado de este nuevo diseño fue una eficiencia de conversión de un 6 %

46. La "célula solar de banda intermedia" es un novedoso concepto fotovoltaicopotencialmente más eficiente que la "célula de un gap". Permite la absorciónde fotones de energía inferior a dicho gap gracias a una "banda intermedia"situada en el seno de éste.

47. Impacto Ambiental La energía solar fotovoltaica es, al igual que el resto de energías renovables, inagotablee, limpia, respetable con el medio ambiente y sentando las bases de un autoabastecimiento. Al igual que el resto de las energías limpias, contribuye a la reducciónde emisión de gases de efecto invernadero y especialmente de CO2, ayudando a cumplir los compromisos adquiridos por el Protocolo de Kioto y a proteger nuestro planeta del cambio climático.

48. Conclusiones El mercado fotovoltaico crece explosivamente. La tecnología actual se basa en el silicio cristalino La producción del silicio purificado barato es hoy una amenaza para su crecimiento y una oportunidad para nuevos conceptos. Celdas de tercera generación, de alto rendimiento son necesarias para abrir camino a una electrificación solar masiva.