MARCO TERICO

El sol y la energa solar.La energa solar es la energa que emana el ncleo del sol. Este tipo de energa es producto de una reaccin nuclear de fusin producto de las condiciones de intensa gravedad a las que est sometido. Nuestro sol, al igual que todas las estrellas del universo, son enormes esferas gaseosas compuestas principalmente por hidrgeno que -en condiciones especficas- se funde para producir helio. Este proceso libera enormes cantidades de energa, las que brotan desde el corazn de las estrellas y viajan por el espacio por miles de millones de aos.

La energa solar resulta del proceso de fusin nuclear que tiene lugar en el sol. Esta energa es el motor que mueve nuestro medio ambiente, siendo la energa solar que llega a la superficie terrestre 10.000 veces mayor que la energa consumida actualmente por toda la humanidad. La radiacin es trasferencia de energa por ondas electromagnticas y se produce directamente desde la fuente hacia fuera en todas las direcciones. Estas ondas no necesitan un medio material para propagarse, pueden atravesar el espacio interplanetario y llegar a la Tierra desde el Sol. La longitud de onda y la frecuencia de las ondas electromagnticas, son importantes para determinar su energa, su visibilidad y su poder de penetracin. Todas las ondas electromagnticas se desplazan en el vaco a una velocidad de 299.792 Km/s.

El planeta tierra se encuentra relativamente cerca del sol y su luz y energa tardan alrededor de 8 minutos en viajar esta distancia. El sol emite radiacin en casi todo el espectro electromagntico. La superficie del planeta que se encuentra expuesta a esta radiacin recibe energa en diferentes formas:

1. Radiacin electromagntica.Los rayos ultravioletas, los rayos X, la luz visible, las radiaciones infrarrojas, las microondas y las ondas de radio.

2. Viento solar.Se trata de un flujo continuo de partculas cargadas, emitido por el Sol, en todas direcciones. Est compuesto en particular de protones ncleos de hidrgeno, electrones y, en menor porcentaje, por partculas alfa (ncleos de helio).

La radiacin electromagntica se puede considerar como un flujo de partculas llamadas fotones, los cuales se desplazan en forma de ondas a la velocidad de la luz y transportan la energa de un punto a otro. Cada fotn tiene una energa proporcional a la frecuencia de la onda asociada, la cual viene dada por la siguiente ecuacin:

Donde:E: energa de un fotn.h: Constante de Planckv: frecuencia en Hz

Segn esta ecuacin se puede afirmar que a mayor longitud de onda, menor energa se obtiene.

La parte visible del espectro electromagntico de la radiacin solar (cuya longitud de onda va de 0,4 a 0,7 m) contiene la mayor cantidad de energa y representa aproximadamente el 46 % de la radiacin solar recibida, mientras que el otro 54 % de la radiacin corresponde a la luz ultravioleta (8 %) e infrarroja (46 %).

Radiacin directa: Es la Es la radiacin recibida desde el Sol sin que sufra desviacin alguna a su paso a travs de la atmsfera. Este parmetro se mide en Langleys/da (Ly/da), 1 Ly es igual a 1 cal/cm2, por lo que la radiacin tambin puede venir en cal/(cm2*da) o bien en kJ/(m2*da). Radiacin difusa: Es la radiacin solar que sufre cambios en su direccin, debidos principalmente a la reflexin y difusin en la atmsfera. Radiacin reflejada: procedente de la energa reflejada en el suelo u otras superficies prximas. Radiacion solar: es la suma de la radiacin directa ms la difusa. Horas sol pico: Esta unidad denominada hora solar pico es muy usada en el campo de la energa solar fotovoltaica y su conocimiento resulta til en el anlisis de sistemas fotovoltaicos, como los instalados en las escuelas primarias rurales.

PRINCIPIOS FISICOSESTRUCTURA DEL ATOMOLa materia est constituida por tomos, en los cuales distinguimos dos partes bien diferenciadas que son el ncleo, que es la parte central del tomo y contiene protones con carga positiva y neutrones elctricamente neutros, y la corteza, que es la parte exterior en la cual se encuentran los electrones, cuya carga es negativa y que giran alrededor del ncleo.

Los electrones se agrupan en niveles de energa, los cuales a su vez forman dos bandas: la banda de valencia y la banda de conduccin. La banda de valencia est formada por los electrones que necesita el tomo del material para ser elctricamente neutro, mientras que la banda de conduccin est compuesta por los electrones que pertenecen a tomos que habiendo completado su ltimo orbital, compartiendo sus electrones con los tomos cercanos, se pueden desprender del tomo con una pequea energa.

Para pasar de un nivel de energa a otro, los electrones necesitan absorber o emitir energa, dependiendo de si estos pasan de un nivel de energa inferior a uno superior o viceversa.

Al lugar dejado por la ausencia de un electrn que ha sido liberado se le conoce como hueco y el mismo se puede considerar como una carga elctrica de igual magnitud que la carga del electrn pero de signo contrario. Estos huecos tambin se consideran portadores de electricidad debido a que al liberarse un electrn se genera un par electrn-hueco; este hueco puede ser ocupado por algn otro electrn, que a su vez deja un hueco en la posicin que ocupaba el mismo anteriormente. Por lo tanto, los huecos se desplazan en direccin contraria a la del electrn.

CELDA SOLAR

El principio de una clula fotovoltaica es obligar a los electrones y a los huecos a avanzar hacia el lado opuesto del material en lugar de simplemente recombinarse en l: as, se producir una diferencia de potencial y por lo tanto tensin entre las dos partes del material, como ocurre en una pila.

Para ello, se crea un campo elctrico permanente, a travs de una unin pn, entre dos capas dopadas respectivamente, p y n.

Estructura de una clula fotovoltaica.La capa superior de la celda se compone de silicio dopado de tipo n. En esta capa, hay un nmero de electrones libres mayor que una capa de silicio puro, de ah el nombre del dopaje n, como carga negativa (electrones). El material permanece elctricamente neutro: es la red cristalina quien tiene globalmente una carga negativa.La capa inferior de la celda se compone de silicio dopado de tipo p. Esta capa tiene por lo tanto una cantidad media de electrones libres menor que una capa de silicio puro, los electrones estn ligados a la red cristalina que, en consecuencia, est cargada positivamente. La conduccin elctrica est asegurada por los huecos, positivos (p).

En el momento de la creacin de la unin pn, los electrones libres de la capa n entran en la capa p y se recombinan con los huecos en la regin p. Existir as durante toda la vida de la unin, una carga positiva en la regin n a lo largo de la unin (porque faltan electrones) y una carga negativa en la regin en p a lo largo de la unin (porque los huecos han desaparecido); el conjunto forma la Zona de Carga de Espacio (ZCE) y existe un campo elctrico entre las dos, de n hacia p. Este campo elctrico hace de la ZCE un diodo, que solo permite el flujo de corriente en una direccin: los electrones pueden moverse de la regin p a la n, pero no en la direccin opuesta y por el contrario los huecos no pasan ms que de n hacia p.

En funcionamiento, cuando un fotn arranca un electrn a la matriz, creando un electrn libre y un hueco, bajo el efecto de este campo elctrico cada uno va en direccin opuesta: los electrones se acumulan en la regin n (para convertirse en polo negativo), mientras que los huecos se acumulan en la regin dopada p (que se convierte en el polo positivo). Este fenmeno es ms eficaz en la ZCE, donde casi no hay portadores de carga (electrones o huecos), ya que son anulados, o en la cercana inmediata a la ZCE: cuando un fotn crea un par electrn-hueco, se separaron y es improbable que encuentren a su opuesto, pero si la creacin tiene lugar en un sitio ms alejado de la unin, el electrn mantiene una gran oportunidad para recombinarse antes de llegar a la zona n.

Es preciso aadir contactos elctricos (que permitan pasar la luz: en la prctica, mediante un contacto de rejilla, una capa antireflectante para garantizar la correcta absorcin de fotones, etc.

Para que la clula funcione, y produzca la potencia mxima de corriente se le aade la banda prohibida de los semiconductores a nivel de energa de los fotones. Es posible aumentar las uniones a fin de explotar al mximo el espectro de energa de los fotones, lo que produce las clulas multijuntas.Curvas caractersticas de las celdas fotovoltaicasLa corriente de salida se mantiene prcticamente constante dentro del rango de tensin de operacin y, por lo tanto el dispositivo se puede considerar como una fuente de corriente constante en este rango. La corriente y tensin a la cual opera el dispositivo fotovoltaico estn determinadas por la radiacin solar incidente, por la temperatura ambiente, y por las caractersticas de la carga conectadas al mismo.

Los valores trascendentes de esta curva son: Corriente de cortocircuito (Icc): Mxima corriente que puede entregar un dispositivo bajo condiciones determinadas de radiacin y temperatura correspondiendo a tensin nula y consecuentemente a potencia nula. Tensin de circuito abierto (Vca): Mxima tensin que puede entregar un dispositivo bajo condiciones determinadas de radiacin y temperatura correspondiendo a circulacin de corriente nula y consecuentemente a potencia nula. Potencia Pico (Pmp): Es el mximo valor de potencia que puede entregar el dispositivo. Corresponde al punto de la curva en el cual el I es mximo. Corriente a mxima potencia (Imp): Corriente que entrega el dispositivo a potencia mxima bajo condiciones determinadas de radiacin y temperatura. Se la utiliza como corriente nominal del mismo. Tensin a mxima potencia (Vmp): tensin queentrega el dispositivo a potencia mxima bajo condiciones determinadas de radiacin y temperatura. Se la utiliza como tensin nominal del mismo.

Efecto de la radiacin y la temperatura en el rendimiento de la celda solar.Las caractersticas elctricas de una celda solar varan en funcin de la temperatura y del nivel de radiacin recibida.

A mayor temperatura, ocurre una disminucin de Voc y un aumento de Isc y viceversa; sin embargo, el efecto neto es una disminucin de la potencia mxima generada por la celda. Por otro lado, los valores mximos de Voc e Isc son directamente proporcionales a la radiacin recibida.

Segn estas curvas, la potencia mxima generada por la celda disminuir cuando la temperatura aumente o cuando la radiacin disminuya; por lo que los fabricantes proporcionan factores de correccin para ajustar los valores de tensin y corriente a los cambios de temperatura.

Eficiencia y prdidas de calor en una celda solar.

La eficiencia de una celda solar se define como el cociente entre la potencia elctrica mxima que esta puede entregar y la potencia luminosa que incide sobre su superficie, tal como se expresa en la siguiente ecuacin:

Donde:: Eficiencia de la celda solar.: Potencia elctrica generada por la celda solar.: Potencia elctrica que incide sobre ella.

Dependiendo del tipo de material que se utilice para la fabricacin de la celda, se pueden tener eficiencias tericas que van desde 19% hasta un 25%, las cuales en la prctica llegan hasta un valor mximo de 18%. Esto se debe principalmente a los siguientes factores: Energa de los fotones incidentes: Como se describi en el apartado del efecto fotoelctrico, no todos los fotones tienen la energa suficiente para desprender un electrn y por otro lado, si el fotn tiene un exceso de energa, esta se perder en forma de calor. Prdidas por recombinacin: Parte de los electrones liberados por los fotones ocupan nuevamente huecos vecinos, a este proceso se le conoce como recombinacin y el mismo hace que la tensin de circuito abierto de la celda disminuya desde aproximadamente 1,1 V (valor terico) hasta un mximo de 0,6 V. Prdidas por reflexin: Una parte de la luz que incide sobre la celda es reflejada por esta debido a los recubrimientos a los que es sometida la misma en el proceso de fabricacin. Prdidas por los contactos elctricos. Al dotar a la celda de unos contactos elctricos en forma de rejilla para conducir la corriente, se disminuye el rea efectiva de la celda. Prdidas por resistencia serie: Estas prdidas se deben al efecto Joule producido por el paso de la corriente elctrica.

Conexin de celdas solares.Las celdas solares se agrupan entre s mediante conexiones serie-paralelo para formar los mdulos fotovoltaicos, a fin de poder manejar ms corriente, voltaje y por ende ms potencia, ya que la tensin de una sola celda es de aproximadamente 0,5 V. Normalmente se habla de mdulos de 6, 12, 24,36 y 48 V, cuya potencia puede variar desde unos pocos vatios hasta algo ms de 200 W.

Conexiones en serie.Al conectarlosen serie, sumamos elvoltajey mantenemos fija la intensidad.Es decir, 3 paneles de 24V nos daran una tensin de 72V y trabajaramos (segn el modelo del panel) con una intensidad de corriente de 7A (aproximadamente).

Fuente: www.teknosolar.com

Conexiones en paralelo.

Cuando conectamos los paneles en paralelo, lo que estamos haciendo es mantener fijo el voltaje y sumar la intensidad de los paneles. Siguiendo el mismo ejemplo de antes, si tenemos 3 paneles de 24V en paralelo, el total sigue siendo 24V y la intensidad es la suma de las intensidades de los paneles (si estimamos 7 amperios por panel pues 21 amperios en total).

Fuente: www.Teknosolar.com

Nota:Que hay que tener en cuenta que a la hora de interconectar varios paneles, es importante que sean del mismo modelo o al menos tengan caractersticas elctricas parecidas.Aunque la tensin de las bateras puede determinar la tensin del campo de paneles, hoy en da es muy comn el uso de reguladores MPPT que nos permiten, entre otras cosas, independizar el voltaje de las bateras del voltaje de los paneles.Por ejemplo podemos tener bateras a 12V y utilizar paneles a 24V, con lo que podemos ahorrar en el cableado de la instalacin.

Tipos y componentes de un sistema solar fotovoltaicoLos sistemas fotovoltaicos se pueden configurar de mltiples formas dependiendo de diversos factores, sin embargo uno de los ms importantes es determinar si el sistema que queremos dimensionar va a tratarse de un sistema autnomo o conectado a la red elctrica.

El sistema ms simple de todos es el generador fotovoltaico el cul el panel se une directamente al artefacto al cual necesitamos suministrar energa, generalmente un motor de corriente continua. Se utiliza sobre todo en las bombas de agua, por no existir bateras de acumuladores ni componentes electrnicos mejora la fiabilidad del sistema, pero resulta difcil mantener un desempeo eficiente a lo largo del da. Sin embargo existen otros elementos que permiten tener mayor control sobre nuestro sistema, permitindonos prevenir fallas y asegurando un suministro constante de energa.

Componentes. Generador solar:Los generadores fotovoltaicos (conjunto de placas fotovoltaicas) captan la radiacin solar y la transforman en energa elctrica. El conjunto ser agrupado en tensiones de corriente continua a 12V, 24V o 48V en funcin del tamao de la instalacin. Tienen una vida estimada de 40 aos

Inversor:Cuando el arreglo fotovoltaico va a alimentar equipos que trabajan con corriente alterna se debe incorporar un inversor, el cual se encarga de realizar la conversin de corriente continua a corriente alterna (DC-AC).

Para ello su tensin debe ser directamente transformada de corriente continua a corriente alterna a 220V. Esta funcin la desarrolla el inversor de conexin a red. Si no hay demanda, entonces ser almacenada inyectndose en el acumulador a travs del inversor principal.

Banco de bateras:Almacena la energa elctrica producida por los paneles fotovoltaicos permitiendo obtener electricidad en el momento en que se necesita.

Regulador de carga:En los sistemas convencionales, la energa elctrica producida por las placas solares, se almacena directamente en el acumulador. El control de proteccin del acumulador lo lleva a cabo el regulador de carga, impidiendo sobrecargas o descargas excesivas.

Fuente: www.antusol.webcindario.com/

TIPOS DE CELDAS SOLARESLas celdas se pueden clasificar de acuerdo al tipo de material utilizado para su fabricacin. Los tres ms comnmente utilizados son: Silicio Monocristalino, Silicio Policristalino y Silicio Amorfo. A continuacin se describen las celdas ms frecuentemente utilizadas para la fabricacin de mdulos fotovoltaicos.

Celdas de Silicio Monocristalino: Estas se obtienen cortando finas obleas de aproximadamente 200 a 400 m de espesor a partir de una barra cilndrica de Silicio Monocristalino. Los paneles fotovoltaicos que utilizan estas celdas son de color azul homogneo. La eficiencia terica de estas celdas alcanza el 25%, reducindose este valor en la prctica a un mximo de 18% aproximadamente. Celdas de Silicio Policristalino: Estas se fabrican con cristal de Silicio fundido que se coloca en moldes especiales. Reciben su nombre debido a que la solidificacin no se produce en un nico cristal sino en mltiples cristales. Estas celdas tienen un espesor menor que las de Silicio Monocristalino, tambin son ms econmicas que aquellas, pero su rendimiento es menor (hasta 14% aproximadamente en la prctica). Los paneles fabricados con este tipo de celdas presentan diversas tonalidades de azul. Celdas de Silicio Amorfo: Estas celdas tambin llamadas de pelcula delgada, se fabrican mediante la deposicin de capas muy delgadas de Silicio sobre un sustrato de vidrio o cermica. Tambin se puede usar plstico como sustrato, obtenindose de esta manera una celda flexible. La eficiencia de estos paneles est por debajo del 10%. Este tipo de celdas presenta un color

FUNCIONAMIENTO DE UNA CELDA FOTOVOLTAICALas clulas fotovoltaicas funcionan segn un fenmeno fsico bsico denominado efecto fotoelctrico.1. Cuando un nmero suficiente de fotones impacta en una placa semiconductora, como el silicio, pueden ser absorbidos por los electrones que se encuentran en la superficie de sta.2. La absorcin de energa adicional permite a los electrones (cargados negativamente) liberarse de sus tomos. Los electrones se empiezan a mover y el espacio que dejan libre lo ocupa otro electrn de una parte ms profunda del semiconductor.3. Como resultado, una parte de la lmina tiene una mayor concentracin de electrones que la otra, lo que origina voltaje entre ambos lados. Al unir ambos lados con un cable elctrico se permite que los electrones fluyan de un lado al otro de la lmina, lo que se conoce como corriente elctrica.

Fuente: http://www.sapa-solar.com/