CELDAS FOTOVOLTAICAS

Un Poco de Historia

Fotovoltaica es la definicin de la conversin directa de luz en electricidad a nivel atmico. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoelctrico que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente elctrica que puede ser utilizada como electricidad. El primero en notar el efecto fotoelctrico fue el fsico francs Edmundo Bequerel, en 1839. l encontr que ciertos materiales producan pequeas cantidades de corriente elctrica cuando eran expuestos a la luz. En 1905, Albert Einstein describi la naturaleza de la luz y el efecto fotoelctrico, en el cual est basada la tecnologa fotovoltaica. Por este trabajo, se le otorg ms tarde el premio Nobel de fsica.

Definicin

Las Celdas Fotovoltaicas,sonsistemas fotovoltaicos que convierten directamente parte de la luz solar en electricidad. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoelctrico ensu forma ms simple, estos materiales se compone de un nodo y un ctodo recubierto de un material fotosensible. La luz que incide sobre el ctodo libera electrones que son atrados hacia el nodo, de carga positiva, originando un flujo de corriente proporcional a la intensidad de la radiacin, que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente elctrica que puede ser utilizada como electricidad. Las celdas fotovoltaicas se fabrican principalmente de silicio (el segundo elemento ms abundante en la corteza terrestre). Actualmente, existen celdas fotovoltaicas, por ejemplo, en nuestras calculadoras solares as como en los cohetes espaciales.

Principio de Funcionamiento

La conversin directa de luz en electricidad a nivel atmico se llama generacin fotovoltaica. Algunos materiales presentan una propiedad conocida comoefecto fotoelctrico, que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando se captura a estos electrones libres emitidos, el resultado es una corriente elctrica que puede ser utilizada como energa para alimentar circuitos.Las celdas fotovoltaicas, llamadas tambin celdas solares, estn compuestas de la misma clase de materiales semiconductores que se usan en la industria microelectrnica, como por ejemplo el silicio.

Una delgada lmina semiconductora, especialmente tratada, forma un campo elctrico, positivo en un lado y negativo en el otro. Cuando incide energa luminosa sobre ella, los electrones son golpeados y extrados de los tomos del material semiconductor. Como se han dispuesto conductores elctricos en forma de una rejilla que cubre ambas caras del semiconductor, los electrones circulan para formar una corriente elctrica que aporta energa.Cuando la luz solar pega en una celda sola resta puede ser: reflejada, absorbida o pasar limpiamente a travs de esta. No obstante, solo aquella luz absorbida es la que va a generar electricidad. La energa de la luz es transferida a electrones en los tomos de la celda foto voltaica. Con su nueva energa, estos escapan de sus posiciones normales en los tomos del material semiconductor foto voltaicas y se convierten en parte del flujo elctrico.

Esquema Elctrico del Efecto Fotoelctrico

Para inducir el campo elctrico construido dentro de una clula foto voltaica, se ponen dos capas de materiales semiconductores ligeramente distintas en contacto entre s. La primera es una capa semiconductora del tipo n con abundancia de electrones con carga negativa. La otra capa semiconductora es del tipo con abundancia de "hoyos" que tienen una carga positiva. Aunque ambos materiales son elctricamente neutros, la silicona del tipo n tiene electrones de sobra y la silicona del tipo p tiene a su vez agujeros de sobra. Colocando estos como sndwich se crea entonces un punto de salida p/n en su fase intermedia crendose entonces ah y por esta razn un campo de fuerza elctrico. Cuando n - y silicn del p-tipo entra en el contacto, los electrones del exceso mueven del lado del n-tipo al lado del p-tipo. El resultado es un aumento de cargo positivo a lo largo del lado del n-tipo de la interface y un aumento de cargo negativo a lo largo del lado del p-tipo.

Juntura N - P en una celda solar o fotovoltaica

Debido al flujo de electrones y agujeros, los dos semiconductores se comportan como una batera, creando un campo elctrico en la superficie dnde ellos se juntan en la unin o juntura p/n. El campo elctrico obliga a los electrones a trasladarse desde el semiconductor hacia la superficie negativa de donde quedan disponibles para ser ocupados por algn circuito elctrico o acumulacin. Al mismo tiempo los hoyos se mueven en direccin contraria hacia la superficie positiva donde se van a esperar a los electrones que vienen en direccin contraria.Clulas Fotovoltaicas

GeneralidadesExisten dos curvas caractersticas, relacionadas la una con la otra, que representan la relacin entre la corriente o la potencia generada frente a la tensin en bornes del panel. Estas curvas caractersticas pueden verse a continuacin:

Tensin vs Corriente

Tensin vs PotenciaEscalabilidad de las CeldasLas celdas fotovoltaicas son conectadas elctrica-mente en circuitos serie o paralelo para producir altos voltajes, corrientes y niveles de energa. Los mdulos fotovoltaicos estn compuestos de circuitos de celdas dispuestos en ambiente protegido y laminado, y son fundamentales para construir bloques de sistemas.

Efecto de Absorcin

Tipos

Clulas de Silicio monocristalinas. Silicio dopado B

Clulas de Silicio policristalinas

Clulas de Silicio amorfo (multicapas) poseen mayor capacidad absorcin de luz, y son mucho ms finas.

Celda MulticapasOtros TiposClulas de sulfuro de Cadmio y sulfuro de Cobre (10%), Clulas bifaciales (30% rend.) Doble unin P-N, recoge radiacin frontal y reflejada en el suelo.Silicio en cinta.Diselenuro de indio y cobre.Telurio de cadmio.Construccin de las Clulas Solares

Debido a que una clula solar genera corrientes y tensiones pequeas, stas no son los elementos que se utilizan en las aplicaciones prcticas, sino que, con objeto de lograr potencias mayores, se acoplan en serie o en paralelo para obtener mayores tensiones y corrientes formando lo que se denomina mdulo fotovoltico, que es el elemento que se comercializa. A la vez, estos mdulos se conectan en serie o en paralelo para obtener las tensiones y corrientes que nos den la potencia deseada. Mdulos en serie aumentan el voltaje y conservan la misma corriente, mientras que mdulos en paralelo aumentan la corriente, conservando el mismo voltaje. Los mdulos generalmente se fabrican para tener una salida de 12 VCD.

El proceso de fabricacin de las clulas solares de silicio lo podemos dividir en tres grandes etapas:

a) Obtencin del Si de alta pureza.Este se obtiene a partir del xido de silicio, SiO2, bsicamente cuarzo, cuya abundancia en la naturaleza elimina problemas de abastecimiento. Este tiene que ser de alta pureza, semejante al semiconductor que se utiliza en la industria electrnica. Actualmente se est trabajando con silicio de menor pureza, pero til para la fabricacin de clulas solares y a un menor costo..b) Obtencin de obleas.Utilizando como materia prima polvo de silicio de alta pureza se hace crecer el monocristal hasta obtener una pieza cilndrica de dimetro variable entre 2 y 20 cm y longitud de alrededor de 1 m. El crecimiento del monocristal sirve para purificar el material y para la creacin de una estructura perfecta, gracias a la cual la futura oblea gozar de propiedades semiconductoras.La barra de silicio se corta mediante sierras especiales produciendo obleas de espesor aproximado de 300 m. En esta etapa hay una prdida de material de aproximadamente el 60% en forma de serrn. Actualmente existen otras formas ms eficientes de cortado de la barra.

c) Procesamiento de la oblea.Para obtener finalmente la clula solar, la oblea sufre un procesamiento que consiste de los siguientes pasos:

Lapeado y pulido,Formacin de unin p-n,Decapado y limpieza,Capa anti reflectante,Fotoligrafa para formacin de contactos,Formacin de contactos o electrodos,Material para soldadura de electrodos,Limpieza del decapante y comprobacin de las caractersticas de la celda.

La formacin de la unin p- n es la etapa ms crtica de todo el proceso de fabricacin, debido a que el buen funcionamiento de la clula solar depende en gran medida de una buena unin p-n. Por otro lado, una adecuada capa anti reflejante tambin es necesaria, ya que una superficie de Si bien pulida puede llegar a reflejar hasta el 34% de la radiacin de onda larga y un 54% si la radiacin es de onda corta.

Horno de Fusin de Silicio

Sistema de AcondicionamientoEn la actualidad resulta imprescindible hacer una gestin correcta de la energa, intentando obtener el mximo rendimiento posible desde la generacin hasta la carga, utilizando todos los recursos que se tienen al alcance. La finalidad de esta energa que obtenemos del sol es utilizarla de la manera ms correcta, pero como se sabe es necesario convertir la energa que nos proporciona el sol, en este caso en forma de radiacin electromagntica en electricidad.Las instalaciones fotovoltaicas requieren para su funcionamiento el acoplamiento de cuatro subsistemas principales los cuales sirven de acondicionamiento:

Subsistema de captacin:cuya finalidad es la captacin de la energa solar.

Subsistema de almacenamiento:cuya finalidad es adaptar en el tiempo la disponibilidad de energa y la demanda, acumulndola cuando est disponible, para poderla ofrecer en cualquier momento en que se solicite, en bateras.

Subsistema de regulacin:cuya finalidad es proporcionar la regulacin de carga y descarga de la batera y el control necesario en instalaciones fotovoltaicas.

Subsistema de distribucin y consumo:cuya finalidad es trasladar a los puntos de consumo la electricidad producida, adaptndola a las necesidades cuando sea necesario.

Un ejemplo de mayor uso de sistema de acondicionamiento es un convertidor que transforma la energa proveniente del sol en energa elctrica en forma corriente continua. El objetivo del convertidor es adecuar los niveles de tensin y corriente proporcionados por el panel, a los niveles de tensin y corriente demandados. No se debes olvidar que el convertidor es un intermediario necesario de la energa, que permitir hacer un uso correcto de la misma. Pero por su calidad de intermediario debe tener el mayor rendimiento posible ya que el objetivo es utilizar toda la energa que proporciona el panel.

Circuito de acondicionamiento

Los convertidores de potencia se utilizan de manera genrica para adecuar el tipo de corriente que necesitamos, existen convertidores de alterna a continua, de continua a alterna, etc. Este circuito permite la unin entre dos corrientes continuas con niveles de tensin y corrientes diferentes.Aplicaciones Industrialesa) Electrificacin rural y de viviendas aisladas.Existen muchas zonas rurales y viviendas aisladas donde llevar energa elctrica por medio de la red general sera demasiado costoso y por lo tanto no cuentan con este servicio. En este caso, la instalacin de un generador fotovoltaico es ampliamente rentable.A menudo se requiere iluminacin en lugares remotos donde el costo de emplear energa de la red es demasiado alto. Tales aplicaciones incluyen la iluminacin de seguridad, ayudas a la navegacin (ej. boyas y faros), seales iluminadas en los caminos, seales en cruces ferroviarios y la iluminacin de aldeas. Las clulas solares pueden satisfacer tales usos, aunque siempre se requerir de una batera de almacenaje. Estos sistemas generalmente consisten de un panel fotovoltaico ms una batera de almacenaje, un acondicionador de energa y una lmpara fluorescente de C.C. de baja tensin y alta eficiencia. Estos sistemas son muy populares en reas remotas, especialmente en pases en vas de desarrollo y es uno de los usos principales de clulas solares.

b) Comunicaciones.Los generadores fotovoltaicos son una excelente solucin cuando hay necesidad de transmitir cualquier tipo de seal o informacin desde un lugar aislado, por ejemplo, reemisores de seales de TV, plataformas de telemetra, radioenlaces, estaciones meteorolgicas..Los sistemas fotovoltaicos han proporcionado una solucin rentable a este problema con el desarrollo de estaciones repetidoras de telecomunicaciones en rea remotas. Estas estaciones tpicamente consisten de un receptor, un transmisor y un sistema basado en una fuente de alimentacin fotovoltaica. Existen miles de estos sistemas instalados alrededor del mundo y tienen una excelente reputacin por su confiabilidad y costos relativamente bajos de operacin y mantenimiento.

Principios similares se aplican a radios y televisiones accionadas por energa solar, los telfonos de emergencia y los sistemas de monitoreo. Los sistemas de monitoreo remotos se pueden utilizar para recolectar datos del tiempo u otra informacin sobre el medio ambiente y transmitirla automticamente va radio a una central.

c) Ayudas a la navegacin.Aqu la aplicacin puede ser relativa a la navegacin misma o a sus sealizaciones, como alimentar elctricamente faros, boyas, balizas, plataformas y embarcaciones.

d) Transporte terrestre.Iluminacin de cruces de carretera peligrosos y tneles largos. Alimentacin de radiotelfonos de emergencia o puestos de socorro lejos de lneas elctricas. Sealizaciones de pasos a desnivel o cambio de vas en los ferrocarriles.

e) Agricultura y ganadera.Se est teniendo una atencin muy espacial en estos sectores. Mediante generadores fotovoltaicos podemos obtener la energa elctrica necesaria para granjas que conviene que estn aisladas de las zonas urbanas por motivos de higiene. Sin embargo, la aplicacin ms importante y de futuro es el bombeo de agua para riego y alimentacin de ganado que normalmente se encuentra en zonas no pobladas. Otras aplicaciones pueden ser la vigilancia forestal para prevencin de incendios..f) Aplicaciones en la industria.Una de las principales aplicaciones en este campo es la obtencin de metales como cobre, aluminio y plata, por electrlisis y la fabricacin de acumuladores electroqumicos.

g) Difusin de la cultura.Televisin escolar para zonas aisladas. Difusin de informacin mediante medios audiovisuales alimentados elctricamente mediante generadores fotovoltaicos.

h) Sistemas De Tratamiento De aguas. En reas alejadas la energa elctrica se utiliza a menudo para desinfectar o purificar agua para consumo humano. Las celdas fotovoltaicas se utilizan para alimentar una luz fuerte ultravioleta utilizada para matar bacterias en agua. Esto se puede combinar con un sistema de bombeo agua accionado con energa solar. La desalinizacin del agua salobre se puede alcanzar mediante sistemas fotovoltaicos de smosis inversa.i) Sistemas de proteccin Catdicos.La proteccin catdica es un mtodo de proteger las estructuras de metal contra la corrosin. Es aplicable a puentes, tuberas, edificios, estanques, perforaciones y lneas ferroviarias. Para alcanzar la proteccin catdica se aplica un pequeo voltaje negativo a la estructura de metal y ste evita que se oxide o aherrumbre. El terminal positivo de la fuente es conectado a un nodo nodo galvnico o de sacrificio que es generalmente un pedazo del metal de desecho, que es corrodo en vez de la estructura que se desea proteger. Las celdas solares fotovoltaicas se a menudo utilizan en lugares remotos para proporcionar este voltaje.j) Tejas Fotovoltaicas.Los paneles para tejas tienen solamente 4 mm de grosor y las clulas de Silicio policristalino estn montadas sobre una superficie de acero inoxidable que soporta hasta una curvatura de 10mm por el lado ms largo y 5 mm / 8 mm respectivamente por el lado corto. Diodos de corriente inversa estn incluidos, otros tamaos y potencias disponibles bajo demanda. Los tejados solares se orientan siempre hacia el sur y su inclinacin debe ser aproximadamente igual a la latitud del lugar incrementada en 15.

Otros Usos de Celdas SolaresSe puede utilizar celdas fotovoltaicas en una gran variedad de aplicaciones incluyendo: Productos de consumo tales como relojes, juguetes y calculadoras Sistemas de energa de emergencia Refrigeradores para almacenaje de vacunas y sangre en reas remotas Sistemas de la aireacin para estanques Fuentes de alimentacin para satlites y los vehculos espaciales Fuentes de alimentacin porttiles para camping y pescar

Problema Prctico Industrial

La Fotocatlisis, es un proceso cataltico promovido por energa de determinada longitud de onda, capaz de excitar a un semiconductor (catalizador) al grado de hacer que se comporte como un material conductor, en la superficie del cual se desarrollarn reacciones de xido-reduccin, las cuales generan radicales libre muy reactivos, mismos que reaccionarn con las especies a su alrededor, rompiendo algunos enlaces moleculares y reduciendo u oxidndolas hasta convertirlas en especies menos complejas. Esta reduccin en la complejidad molecular generalmente se traduce en una reduccin del grado de contaminacin o peligrosidad de la especie que se est tratando. Como es conocido en muchas reas aledaas no existen plantas de tratamiento de agua capaces de eliminar los microorganismos y/o bacterias que se reproducen, para lo cual se hace necesarios la implementacin de energa alternativa como el empleo de la energa solar a travs del uso de las celdas fotovoltaicas.La tecnologa Fotocataltica es relativamente nueva (70s). En la reaccin fotocatalitica interviene: un catalizador, un semiconductor (generalmente xido metlico), radiacin con la suficiente energa (de origen natural como la radiacin solar, o de origen artificial como lmparas de luz) y el medio en que se lleva a cabo puede ser gas, lquido o slido.Esta tecnologa tiene muchas aplicaciones, la mayora de ellas enfocadas a procesos amigables con el medio ambiente, como lo es la degradacin fotocataltica de contaminantes, siendo estos de diversos tipos, como plaguicidas, detergentes, explosivos, metales pesados, residuos txicos, peligrosos y en ocasiones biolgicos infecciosos.