El documento describe la energía solar fotovoltaica. Explica que los paneles solares convierten la luz solar en energía eléctrica usando el efecto fotovoltaico en materiales semiconductores como el silicio. También describe cómo se calcula la capacidad necesaria de una instalación solar fotovoltaica basada en los patrones de consumo de energía.

1. Energía Solar Fotovoltaica

2. Energía Solar Fotovoltaíca Aunque las bases teóricas del efecto fotovoltaíco eran conocidas desde principios del siglo XX ( Albert Einstein),hasta el año 1954 no se consiguio producir la primera célula fotovoltáica que aprovechase dicho efecto con rendimiento razonable. En 1.921 Albert Einstein gana el Premio Nobel de Física gracias a un trabajo en el que se describe la naturaleza de la luz y el efecto fotoeléctrico y en el cual está basada la tecnología fotovoltaica.

3. El efecto fotovoltaico , consiste en la conversión de la energía que transportan los fotones al incidir sobre los electrones de un material semiconductor , en energía eléctrica , es decir capaz de impulsar los electrones a través de un circuito exterior, realizando un trabajo útil. Energía Solar Fotovoltaíca

4. Energía Solar Fotovoltaíca FOTÓN Electrón Corriente eléctrica Fenómeno Fotovoltaico

5. MATERIALES SEMICONDUCTORES Según la naturaleza eléctrica de los materiales, estos se pueden clasificar como : aislantes,conductores, semiconductores , superconductores. Energía Solar Fotovoltaíca

6. Los materiales semiconductores son los elementos que tiene 4 electrones en su última capa. Estos elementos como el Silicio,Germanio, comparten sus 4 electrones con otros cuatro átomos de Si o Ge , mediante enlaces covalentes, dando lugar a una estructura cristalina. Energía Solar Fotovoltaíca

7. Semiconductor Intrínseco Si T=0ºK

8. En estas condiciones el nº de electrones es igual al número de protones, está por tanto en estado neutro , comportándose como un aislante. A este semiconductor se le denomina Intrinseco Energía Solar Fotovoltaíca

9. Energía Solar Fotovoltaíca A la temperatura de 0ºK se puede asegurar que todos los electrones están en el enlace, conforme aumenta la T , aumenta la energía que toman los electrones. Cuando llega a un nivel de energía salta del enlace , convirtiéndose en un electrón libre.(portador de carga), dejando un hueco, ( el cual se comporta como una carga positiva). Este electrón libre se moverá por la red cristalina hasta que encuentre un hueco.

10. Semiconductor Intrínseco Si Al subir la T algunos Electrones salen del enlace Electrón libre Hueco

11. La clave para producir una corriente eléctrica útil, está en lograr extraer los electrones liberados fuera del material , antes de que estos vuelvan a combinarse con los huecos. Una forma de conseguir esto , es introducir en el material semiconductor elementos químicos que contribuyan a producir un exceso de electrones y de huecos. Energía Solar Fotovoltaica

12. Dichos elementos que alteran las propiedades intrínsecas de los semiconductores, se denominan dopantes o impurezas. Así si se le añaden al Si , elementos como el P , el cual tiene 5 electrones en su última capa, hace que cuatro de los electrones del silicio se convinen con cuatro del P , quedando un electrón del P libre. A este semiconductor se le denomina de tipo N, al tener mas carga negativa libre ( Aunque sea neutro) Energía Solar Fotovoltaica

13. Semiconductor Extrinseco Tipo P B Al Si se le Añade Boro Hueco libre

14. Así si se le añaden al Si , elementos como el Boro, el cual tiene 3 electrones en su última capa, hace que cuatro de los electrones del silicio se combinen con cuatro del P , quedando un hueco del Si libre. A este semiconductor se le denomina de tipo P, al tener mas carga positiva libre ( Aunque sea neutro) Energía Solar Fotovoltaica

15. En ambos casos la carga eléctrica neta del cristal sigue siendo cero, ya que cada átomo tiene el mismo número de electrones que de protones. Si cogemos un semiconductor tipo N y otro tipo P, y los unimos…. Energía Solar Fotovoltaica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

16. Energía Solar Fotovoltaica - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Algunos de los electrones son capaces de difundirse en la zona P,con lo que la zona del semiconductor tipo N queda cargada positivamente, y la del tipo P queda cargada negativamente

17. Energía Solar Fotovoltaica - - - - - - - - - + - - - - - - - - - + - - - - - - - - + - - - - - - - - + - + + + + + + + - + + + + + + + - + + + + + + + - + + + + + + + N P Se crea una unión PN en la cual se establece un campo eléctrico creado Por las cargas eléctricas desplazadas. Esta barrera de potencial impide que el proceso de pasar electrones continúe indefinidamente.

18. Energía Solar Fotovoltaica - - - - - - - - - + - - - - - - - - - + - - - - - - - - + - - - - - - - - + - + + + + + + + - + + + + + + + - + + + + + + + - + + + + + + + Fotones En estas condiciones, si incide la luz y los fotones comunican energía a los electrones del semiconductor, algunos de estos electrones, pueden atravesar la barrera de Potencial , siendo expulsados del semiconductor, a través del circuito exterior Lo único que se hace es comunicar energía a los electrones, no se almacena energía

19. No todos los fotones se comportan del mismo modo en la producción de electricidad por efecto foto- voltáico. Unas frecuencias son mas apropiadas que otras. En una célula de silicio monocristalino, solo son Significativas longitudes de onda entre 350-1000 nanometros. Energía Solar Fotovoltaica

20. La física cuántica predice una eficiencia máxima para el Si del 23 %, pero en las células Comerciales sólo se llega al 16%. En definitiva ,solo una pequeña parte de la energía solar , puede ser convertida en energía eléctrica. Los colectores térmicos pueden trabajar con rendimientos cercanos al 80% Energía Solar Fotovoltaica

22. Una célula fotovoltaica es una unidad formada por materiales semiconductores. Estos pueden ser de varios tipos: - Silicio puro monocristalino - Silicio policristalino -Amorfos Una célula es capaz de proporcionar una tensión de algunas décimas de voltio ,0,5 V y una potencia de 1 ó 2 W. Células Fotovoltaicas

23. Células Fotovoltaicas Monocristalino Policristalino Amorfo

24. Es necesario conectar en serie un número determinado, para producir tensiones de 6,12 ó 24 V. Células Fotovoltaicas

25. Células Fotovoltaicas Al conjunto así formado, convenientemente ensamblado y protegido contra los agentes externos se le denomina panel o módulo fotovoltaico. Para producir un panel de 12 V es necesario un número de células de 30 y 40 La potencia que nos puede dar un panel depende de la radiación solar incidente Las características técnicas de los paneles se dan en una condiciones determinadas de 1000 W/m2 y a una T de 25 ºC ( El u disminuye un 0,5% por cada grado de aumento por encima de 25ºC)

26. Una de las características principales de un panel solar es la denominada Potencia Nominal de Pico, que es la que proporcionaría el panel al recibir una irradiación de 1000 W/m2 a la T de 25ºC. El nombre de pico corresponde a una intensidad Radiante de 1000 W/m2, que corresponde a un máximo de radiación solar (mas o menos 12 del día). En la mayor parte del tiempo ,la intensidad radiante recibida por el panel es inferior a 1000 W/m2, por lo que la potencia será inferior a la de pico. Células Fotovoltaicas

27. Es decir si tenemos un panel de 50W , no a todas horas de sol nos produce 50W, sino que varia en función de la hora Células Fotovoltaicas t t t Radiación solar Potencia Energía

28. Acumulador

29. El acumulador es necesario ya que los paneles sólo generan energía eléctrica en los momentos en que Incide sobre ellos la luz ( directa o difusa), pero a menudo esa energía se requiere precisamente en los momentos que no hay sol. Además , el acumulador cumple también las misiones: - Suministrar una potencia instantánea, superior a la que el panel puede generar. - Mantener una tensión estable, ya que la tensión de salida varia en función de la intensidad del sol, independientemente de las condiciones solares. Células Fotovoltaicas

30. La tensión que nos suministra el acumulador es de 12 V y para que este se carge es necesario una tensión de 14,5 V. Una placa solar de 36 Células proporciona 17V, un poco más de los 14,5 V , para así compensar las cdt producidas. Básicamente ,las dos grandes clases de acumuladores qué se utilizan para aplicaciones fotovoltaicas son las de Ni-Cd y las de Plomo –Acido . Células Fotovoltaicas

31. Básicamente ,las dos grandes clases de acumuladores qué se utilizan para aplicaciones fotovoltaicas son las de Ni-Cd y las de Plomo –Acido . Las de Ni-Cd son más caras pero ofrecen una excelente fiabilidad y resistencia. Pueden soportar descargas de hasta el 90% de su capacidad teórica, recuperándose totalmente. Las baterias Pb-Sb son las más adecuadas, tienen mayor vida útil ( si se hace un uso adecuado)(Ciclos carga-descarga). Está batería se presenta en módulos de 2 V, hasta conseguir la tensión de 12 o 24 V. Células Fotovoltaicas

32. Otro tipo de batería que se puede utilizar es la de Pb-Ca ( similares a la de los coches) . Se utiliza en pequeñas instalaciones. Los acumuladores guardan una energía, para aumentar la vida útil , es necesario no someterlos a descargas profundas.(profundidad de descarga). Ni-Cd ---------80% Pb-Sb---------40% Pb-Ca---------20% Células Fotovoltaicas

33. Reguladores

34. Reguladores Los paneles fotovoltaicos se diseñan para que puedan producir una tensión de salida algunos voltios superior a la tensión que necesite el acumulador, para así poder cargarlos. El inconveniente de está ligera sobretensión ,es que puede producir una sobrecarga que pueda destruir la batería. Para evitar esto, se coloca un regulador de carga, que tiene como misión evitar que la batería se sobrecarge. Igualmente se prepara para que la batería se descargue más de la cuenta, avisando de la descarga profunda, y si perdúra ,puede llegar a desconectar la carga.

35. Convertidores Los convertidores son dispositivos capaces de transformar los 12 V cc suministrados por la batería , en 220 V CA, que es el tipo de energía que normalmente utilizan los aparatos eléctricos habituales. El inconveniente de este tipo de aparatos es su bajo rendimiento, despendiciándose bastante energía.

36. Receptores Los aparatos receptores deben de ser de bajo consumo. No es adecuado conectar aparatos de elevado consumo, lo que provocaría una excesiva descarga de la batería, además se necesitaría convertidores de alta potencia, qué son muy caros.

37. Calculo de una Instalación Solar Fotovoltaica

38. Calculo de una Instalación Solar Fotovoltaica Un correcto dimensionamiento es fundamental, no solamente para que funcione bien, sino para que la vida sea mas larga. Los elementos deben guardar una cierta proporción. El usuario debe saber desde el primer momento cuales son sus necesidades energéticas, si no están bien estudiadas la instalación puede ser un fracaso.

39. Calculo de una Instalación Solar Fotovoltaica Es conveniente conocer bien los consumos de los receptores e Igualmente los tiempos medios diarios ,semanales y anuales. Ejemplo Dependencia Potencia W Tiempo h Consumo Wh Total consumo 373,8 Wh 120 3 40 Tv 27 1,5 18 Aseo 10,8 0,45 24 Dormitorio 216 6 36 Salón

40. Calculo de una Instalación Solar Fotovoltaica Es necesario conocer también cual es la potencia de máximo consumo instantáneo. Para servir de base al cálculo de la instalación ha de tomarse los consumos más desfavorables del año. En muchos casos dicho mes es diciembre.

41. Calculo de la capacidad y determinación del acumulador Lo primero que hay que determinar es el número de días consecutivos, qué puedan ser absolutamente desfavorables (Nublados).Durante este periodo los paneles no recogen prácticamente energía y todo el consumo se hace a expensas de la reserva del acumulador. A este número de días se le conoce como N y se determina por tablas Obtenidas a través de cálculos estadísticos. La energía real que se necesita ,teniendo en cuenta el rendimiento de la instalación : Er= Et / R

42. Calculo de la capacidad y determinación del acumulador R es el rendimiento de la instalación. Este rendimiento tiene en cuenta las perdidas producidas en el acumulador,autodescargas,convertidores,efecto Joule, etc… Una vez calculada R y Er se halla la capacidad útil del acumulador: Cu=E*N= Cu= 1 Kwhx11días= 11 Kwh días Si la tensión es de 12 V == 916 Ah ----1000Ah Teniendo en cuenta la profundidad de descarga ej Pd = 40% C= Cu/Pd = 1000 Ah/0,4 = 2500 Ah