Presentacion Energía Solar Electrica - Prof. Norman Cruz

7/30/2019 Presentacion Energa Solar Electrica - Prof. Norman Cruz

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Energa solar

Fundamentos fsicos de la conversin a

energa elctrica


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Dr. Norman Cruz

Universidad de Santiago

Departamento de Fsica


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El sol: fuente de radiacin


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La estructura interna del sol


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La estructura interna del sol


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La radiacin del sol

La radiacin que recibimos proviene de lafotsfera

Esta radiacin tiene un espectro continuo

La temperatura corresponde a la de un cuerponegro a 5840 grados Kelvin


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Ondas en la naturaleza

E = hc/lLongitud de onda, l

E = Energa

h = Constante

de Plank

c = Velocidad

de la luz


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La luz: una onda electromagntica


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Donde encontramos cada regin?


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Radiacin solar en la tierra


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El espectro visible


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La radiacin de cuerpo negro

A medida que un cuerpose calienta emite luz(radiacin

electromagntica)con mayor intensidad.

Esta radiacin es en todo el espectro electromagntico


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El nacimiento de la mecnica

cuntica

Max Planck 1900

Propiedades de la radiacin

de un cuerpo negro.

La energa de laradiacin es emitidaen forma discontinua


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RADIACIN INCIDENTE EN CUERPOS

I=R+T


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EL CUERPO NEGRO

Caso lmitetoda la energa

incidente desde elexterior es absorbida,y toda la energaincidente desde elinterior es emitida.


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Construccin de un cuerpo negro

La energa radiante incidentea travs de la abertura, esabsorbida por las paredes enmltiples reflexiones y

solamente una mnimaproporcin escapa (se refleja)a travs de la abertura.

Toda laenerga

es absorbida


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Radiacin de un cuerpo negro

La radiacin de las cavidad es independiente

del material de las paredes de las paredes.

Las propiedades de la radiacin emitida

dependen

solamente de la temperatura, T, de las paredes


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Espectro solar (cuerpo negro)


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La teora electromagntica clsica

Rayleigh-Jeans (1900)

Los electrones de las paredes se agitan trmicamente y emiten

radiacin electromagntica dentro de la cavidad.

En la cavidad se establece y se mantiene un equilibrio trmico

mediante la absorcin y re-radiacin de la energa por las paredes.

La radiacin dentro de la caja de volumen V constade ondas estacionarias con nodos en las paredes.


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La Solucin de Planck

Modifica el electromagnetismo clsico y reproduce la curva

observada para el espectro de un cuerpo negro

La radiacin dentro de la cavidad est en equilibrio con los tomos de las

paredes que se comportan como osciladores armnicos de frecuencia dada . La energa promedio de las ondas estacionarias depende de la frecuencia

Cada oscilador puede absorber o emitir energa de la radiacin en unacantidad proporcional a . Cuando un oscilador absorbe o emite radiacinelectromagntica, su energa aumenta o disminuye en una cantidad .

E=h


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La distribucin de Planck

La intensidad (energa por unidad de rea y unidad de tiempo) por unidad delongitud de onda para la longitud de onda l , de un cuerpo negro a la temperaturaabsoluta T, viene dada por la expresin

La intensidad total en Wm2, de la radiacin emitida por un cuerpo negro, se obtieneintegrando la expresin anterior para todas las longitudes de onda (o frecuencias).

00

fdEdEE l

1

12

/5

2

kthce

hc

d

dEl

l

l

l


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4

3

45

15

2T

ch

kE

l

La energa emitida por un cuerpo negro por unidad de rea y unidadde tiempo es proporcional a la cuarta potencia de la temperaturaabsoluta T.

W=T4 =5.67010-8 (Wm-2K-4)

Ley de Stefan-Boltzmann


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Ley de desplazamiento de Wien

Donde C es una constante 2,897 y

T es la temperatura del cuerpo enkelvin


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Jain P. IR, visible and UV components in the spectral distribution of

blackbody radiation.

Phys. Educ. 31 pp. 149-155 (1996).

Temperatura % Infrarrojo %visible %ultravioleta

1000 99.999 7.36710-4 3.25810-11

2000 98.593 1.406 7.40010-4

3000 88.393 11.476 0.131

4000 71.776 26.817 1.407

5000 55.705 39.166 5.129

6000 42.661 45.732 11.607

7000 32.852 47.506 19.641

8000 25.565 46.210 28.224

9000 20.154 43.247 36.599


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El efecto fotoelctrico

Un metal como un contenedor deelectrones

e

Luz IncidenteElectrneyectado


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Dispositivo experimental


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Observaciones experimentales

Slo algunos materiales emiten electrones con luz visible

Cada metal requiere, para que se produzca la extraccin, una radiacin conuna frecuencia mnima (o). Cualquier otra radiacin de menor frecuencia, no

ser capaz de arrancar electrones.

Por debajo de la frecuencia mnima la intensidad de corriente -"i" (amperios)-ser cero. No hay efecto fotoelctrico. Existe una frecuencia umbral.

La emisin es prcticamente instantnea y no depende de la Intensidad - I- (watt/m2)de la luz incidente. El tiempo es del orden de 109 s ( 1ns ).

La intensidad de la corriente fotoelctrica ( reflejo del nmero

de electrones liberados) que origina una radiacin de una determinadalongitud de onda que incide sobre una superficie metlica, aumenta

si aumentamos la intensidad de radiacin "I" (watt/m2).


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Predicciones de la teora electromagntica

clsica

La energa de los electrones debera depender de

la intensidad, NO de la frecuencia

Si la intensidad es baja, debera haber un tiempode acumulacin hasta que un electrn logresalir!!!!


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El fotn

La energa no se transmite repartida en toda la

onda (como se supona en la teora clsica), sinoagrupada en unos paquetes de energa que llamCUANTOS DE ENERGA (fotones )(partcula sin masa en reposo, pero con unacantidad de movimiento y energa) que se

mueven con la onda.

hE

Los fotones inciden como partculas sobre

electrones individuales, arrancndolos del metal


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Funcin Trabajo de un Metal: mnima energa necesaria parasacar un electrn,

ehK

Ecuacin de Einstein


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Mediciones experimentales


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Qu comprensin fsica nos falta?

Sabemos que los electrones son expulsados delmetal, pero:

qu energas poseen los electrones dentro deun metal, como se distribuyen?

como se entienden las propiedades de laconductividad elctrica dentro de los materiales?

La mecnica cuntica debe decirnos algo sobreel comportamiento de los electrones


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El modelo de Bohr


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Frecuencias emitidas


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Deficiencias del modelo

No permite entender porque ciertas lneas espectralesson ms brillantes que otras. No hay un mecanismopara calcular las transiciones de probabilidad.

El modelo de Bohr trata al electrn como si este fueraun planeta en miniatura, con un radio y un momento

definido. Esto entra en contradicin con el principiode incerteza, que dice que la posicin y el momento nopueden ser determinados simultneamente.

L i d S h di


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La ecuacin de SchrdingerEl nacimiento de la mecnica ondulatoria


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Los electrones en la materia


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Los semiconductores

Silicio

Germanio


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Semiconductores Intrnsecos


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Semiconductores Extrnsecos


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Uniones P-N


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Detalles de la zona de atenuacin

En la regin tipo P hay huecos debido alas impurezas aceptoras y en la regin Nhay electrones extras

Cuando la unin p-n se forma, algunoselectrones de la regin N que hanalcanzado la banda de conduccin quedanlibres para difundirse cruzando la unin ycombinndose con huecos

Llenando un hueco queda un ion negativoy se deja atrs un ion positivo en la reginN. Se crea un espacio cargado que inhibea otros electrones transferirse a menosque se use una influencia externa sobre la

unin.


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Efectos sobre los electrones en la zona de atenuacin

Unin en equilibrio

Las fuerzas de Coulomb delos iones impiden una mayormigracin a lo largo de launin P-N.. Los electrones

que han emigrado desde laregin N a la P hanalcanzado el equilibrio. Otroselectrones de la regin N no

pueden emigrar porque sonrepelidos por los ionesnegativos en la regin P yatrados por los ionespositivos en la regin N.


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Reforzamiento Inverso

Un voltaje aplicado con lapolaridad indicada ayuda aimpedir el flujo de electronesa travs de la unin. Para la

conduccin, los electrones dela regin N deben moversehacia la unin y combinarsecon huecos regin P. Un

voltaje inverso aleja a loselectrones de la uninevitando la conduccin


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Reforzamiento Directo

Un voltaje aplicado en ladireccin favorable ayuda alos electrones a superar labarrera de Coulomb en lazona de atenuacin. Loselectrones pueden fluir con

muy poca resistencia en ladireccin de avance.


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La celda fotovoltaica

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