Celdas solares

Introduction: Energías renovables: Energía solar. Energía eólica. Energía hidráulica. Energía mareomotriz. Energía geotérmica. Energía de biomasa. Ene...

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Characteriza*on   of  solar  cell   systems     Rafael Guzmán Cabrera

División  de  ingenierias  

Programa

Las tendencias tecnológicas y energéticas del siglo XXI se pueden expresar en solo 6 palabras:

Mas energía, menos dióxido de carbono El Nuevo Orden Energético Mundial requiere una energía que sea abundante, económica, accesible a todos, de precio no volátil, amigable al ambiente y de carácter sustentable

Opciones de abastecimiento de la demanda mundial 1860-2060

Orden de la presentación •  •  •  •  •  •  • 

Problemática Análisis de fallas en líneas de transmisión Objetivos Introducción Conceptos Básicos Ventajas/desventajas Características de las celdas solares

Importancia de la Eficiencia Energética

Necesario satisfacer la demanda de energía de todos los sectores

Altos precios del petróleo mundial

+ Competitividad y Productividad derivados de:

Reducción en el uso de combustibles fósiles menos emisiones de (CO2)

menos GEI’s

Uso racional con sustentabilidad ambiental, con una visión global

Combate mundial de los efectos adversos del calentamiento global mitigación Cambio Climático

Proyectos y Programas EE

1   Menor Consumo de Energía sin afectar el Desarrollo Maximización de la Eficiencia Energética

Ahorro y Uso Eficiente de Energía Eléctrica

Cambio Positivo

Eficiencia Energética con Sustentabilidad Ambiental

2  

Cultura del Uso Eficiente de la Energía Eléctrica Fomento a la diversificación de Fuentes

Energías Alternas y Renovables

Mayor Sustentabilidad Económica

Evolución

Pymes , Comercios, Servicios, Industria y Municipios

Diagnósticos Energéticos

Financiamiento del 100% de la inversión

Sustitución de Equipos

Reembolso hasta un plazo máximo de 3 años

Obras Nuevas

Tiempo máximo de ejecución del Proyecto 6 meses

10  

•  Caso  de  estudio   •  Líneas  de  transmisión  subterráneas   •  (como  ejemplo)  

Idea  intui*va  

Structure of an underground electric power conductor.  

Implementación  para  detección  de   fallas  

Falla   •  Una  de  las  fallas  mas   comunes  es  las   terminales  (mal   contacto)  

Resultados    

Resultados    

Correlación  de  la  falla  

Correlación  de  la  falla  

Objetivos •  Estudio  y  caracterización  de  células   fotovoltaicas  mediante  un  modelo  eléctrico   teórico  que  contrastaremos  con  los  resultados   obtenidos  experimentalmente.     •   Comparación  entre  diferentes  mediciones  de   voltaje  dependiendo  la  altura  a  la  que  se   encuentra  la  lámpara  led.   •   Medición  del  voltaje  en  la  celda  fotovoltaica   dependiendo  el  ángulo  de  inclinación  respecto   a  la  lámpara  led.     •   Obtener  la  curva  caracterís*ca  I-­‐V  de  la  celda  

Introduction •  •  •  • 

Energías no renovables Energías renovables ¿Cómo se puede ahorrar energía ? ¿Cómo podemos ahorrar energía en casa ?

Introduction: Energías renovables:  Energía solar

Energía eólica Energía hidráulica Energía mareomotriz Energía geotérmica Energía de biomasa Energía de residuos sólidos urbanos

Introduction: Emisiones de dióxido de carbono

 Emisiones de dióxido de carbono por unidad de energía

producida por varios combustibles, expresadas en porcentajes de las emisiones producidas por el carbón.

Introduction: Generación – Distribución •  El medio rural aparece como el mejor escenario para implementar el uso de fuentes de energía renovable. Las energías renovables (solar térmica, solar fotovoltaica, eólica, mini hidráulica, biomasa) también llamadas energías limpias, utilizan todas ellas, directa o indirectamente, la energía del sol.

Energía solar •  La energía que procede del sol es fuente directa o indirecta de casi toda la energía que usamos. •  Los combustibles fósiles existen gracias a la fotosíntesis que convirtió la radiación solar en las plantas y animales de las que se formaron el carbón, gas y petróleo. •  El ciclo del agua que nos permite obtener energía hidroeléctrica es movido por la energía solar que evapora el agua, forma nubes y las lleva tierra adentro donde caerá en forma de lluvia o nieve. •  El viento también se forma cuando unas zonas de la atmósfera son calentadas por el sol en mayor medida que otras.

Conceptos Básicos: Tipos de materiales •  Conductores: electrones de valencia poco ligados al núcleo. •  Semiconductores: electrones de valencia más ligados al núcleo. •  Aislantes: configuración muy estable. Los materiales usados en las celdas solares son semiconductores.

Conceptos Básicos: Celdas solares  

Conceptos Básicos: Celdas solares •  Transforman directamente la energía solar en energía eléctrica. •  Energía resultante de reacciones nucleares de fusión.

Conceptos Básicos: Celdas solares   •  Fotovoltaica es la conversión directa de luz en electricidad a nivel atómico. Algunos materiales presentan una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.

Conceptos Básicos: Celdas solares   •  La celdas solares o fotovoltaicas funcionan bajo el principio de que la electricidad circulará entre dos semiconductores disímiles al ponerlos en contacto uno con el otro y ser expuestos a la luz. Un conjunto de dos o más unidades de celdas fotovoltaicas de iguales características constituyen un módulo fotovoltaico.

Conceptos Básicos: Celdas solares Varios  módulos  pueden  ser   conectados  unos  con  otros   para  formar  un  arreglo.  Los   módulos  y  arreglos   fotovoltaicos  producen   corriente  directa.  Estos   arreglos  pueden  ser   conectados  tanto  en  serie   como  en  paralelo  para   producir  cualquier  can*dad   de  voltaje  o  corriente  que  se   requiera.  

Introduction: Principales aplicaciones Generalmente es utilizado en zonas aisladas de la red de distribución eléctrica convencional, pudiendo trabajar en forma independiente o combinada con sistemas de generación eléctrica convencional. Sus principales aplicaciones son: •  Electrificación de inmuebles rurales: luz, TV, telefonía, comunicaciones, bombas de agua •  Electrificación de cercas •  Alumbrado exterior •  Balizado y Señalización •  Protección catódica •  Náutica, Casas Rodantes, etc.

Ventajas  de  las  celdas   fotovoltaicas    No  consumen  combus*bles.  

 No  *enen  partes  de   movimiento.    Son  modulares,  lo  que  permite   aumentar  la  potencia  instalada,   sin  interrumpir  el   funcionamiento      La  vida  ú*l  es  superior  a  20   años.    Resisten  condiciones  externas   como  vientos,  granizos,   temperatura  y    humedad.      Son  totalmente  silenciosos.      No  contaminan  el  medio   ambiente.            

Características de la Tecnología Fotovoltaica • No contienen fluidos o gases que puedan derramarse o fugarse. • Tienen una respuesta rápida, alcanzando plena producción eléctrica instantáneamente. • El 85% de las celdas FV se fabrican de silicio, el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre. • Tienen una eficiencia de conversión de luz solar a electricidad relativamente alta • Tienen amplio rango de capacidad de generación, de microwats a Megawats. • Tienen alta relación de potencia a peso.

Limitaciones de los Sistemas FV: • No son aún económicamente competitivos para la mayoría de las aplicaciones, especialmente en aplicaciones de escala intermedia y grande. • Para la manufactura de cierto tipo de celdas requiere el manejo de sustancias que pueden ser nocivas para el ambiente en caso de descargas accidentales. • Las tecnologías de producción están controladas por los países industrializados.

Conceptos  Básicos:  Estructura   semiconductores   •  Materiales:  Si,  Ge,  P,  As.   •  Estructura  del  Si:     –  segundo  elemento  del  planeta  más  abundante.   –  14  electrones  y  14  protones,  4e-­‐  de  valencia.   –  se  presenta  en  la  naturaleza  de  dos  formas  dis*ntas,  una  amorfa  y   otra  cristalizada      

Conceptos  Básicos:  Semiconductor  “*po   I”   •  Celda  elemental  de  Si:     –  se  unen  5  átomos  del  material,  enlace  covalente.     –  no  hay  electrones  libres,  por  lo  cual  se  denomina   conductor  intrínseco  o  “*po  I”.    

Conceptos  Básicos:  Semiconductor  “*po   N”   •  Si  incorporamos  una   impureza,  P  (5   electrones  de  valencia)   habrá  un  electrón  libre.   •  El  material  tendrá   exceso  de  cargas   nega*vas.  

Conceptos  Básicos:  Semiconductor  “*po   P”   •  Si  incorporamos  B  (3   electrones  de  valencia)   aparecerá  un  hueco.   •  No  se  produce  enlace   covalente  y  hay  exceso   de  cargas  posi*vas.  

Conceptos  Básicos:  Unión  “NP”   •  Unión  de  material  “*po  N”  y  “*po  P”.     •  Los  electrones  sobrantes  del  material   N  pasan  hacia  el  material  P  y  los   “huecos”  del  material  P  pasan  al   material  N.   •  Cuando  la  luz  incide  sobre  el   semiconductor,  se  liberan  electrones   del  átomo  de  Si,  se  rompe  el  equilibrio   de  la  unión  NP  y  se  producen  los   denominados  par  “electrón-­‐hueco”.     •  Se  genera  un  campo  eléctrico  que  al   conectar  una  carga  externa  entre   ambas  zonas,  genera  la  corriente   eléctrica.   •  Para  el  Si,  se  pueden  obtener   potenciales  de  aproximadamente   550mV.  

Conceptos  Básicos:  Tipos  de  celdas  de   Si   Mono  cristalinas:   –  estructura  atómica  muy  ordenada.   –  rendimiento  entre  el  15%  y  el  18%.     –  didcil  construcción,  alto  precio.   •  Poli  cristalinas:   –  estructura  atómica  no  tan  ordenada  como  en  el   mono  cristalino.   –  rendimiento  entre  el  12%  y  el  15%  .   •  Amorfas:   –  estructura  atómica  bastante  desordenada.   –  rendimiento  es  inferior  al  10%.   –  fabricación  sencilla,  más  barato.   • 

Elementos  de  una  celda  solar  de  Si   –  Un  contacto  superior  en  la  zona  del  material  “*po  N”.   –  Dos  semiconductores  “*po  N”  y  “*po  P”.   –  Un  contacto  inferior  en  la  zona  del  material  “*po  P”.    

La luz del sol se puede convertir directamente en electricidad

Fotones con energía suficiente

Fotones con energía insuficiente

Usan  el  efecto  fotoeléctrico.     Las  células  fotovoltaicas  no  *enen  rendimientos  muy  altos.     La  eficiencia  media  en  la  actualidad  es  de  un  10  a  un  15%,  aunque   algunos  proto*pos  experimentales  logran  eficiencias  de  hasta  el  30%.   Por  esto  se  necesitan  grandes  extensiones  si  se  quiere  producir   energía  en  grandes  can*dades.        

Caracterís*cas  de  las  celdas  solares   •  Caracterís*cas  I-­‐V  

–  Voltaje  de  circuito  abierto  VOC     –  Corriente  de  cortocircuito  ISC   –  Potencia  Máxima  (rectángulo)  

•  Factor  de  llenado  (fill  factor)  :  cociente   entre  el  rectángulo  de  máxima  potencia   y  el  rectángulo  inscrito  entre  el  voltaje   de  circuito  abierto  y  la  corriente  de  corto   circuito.  Esta  medida  nos  da  una  idea  de   la  calidad  de  la  celda    

Caracterís*cas  de  las  celdas  solares   •  Caracterís*cas  I-­‐V  

–  Esto  precisamente  es  lo  que   haremos  en  el  taller  (mas   adelante  los  detalles)  

Caracterís*cas  de  las  celdas  solares:   Eficiencia   •  Definición:  Relación  entre   la  potencia  eléctrica   generada  por  unidad  de   área  (W/m2)  y  la   irradiación  solar  incidente   (W/m2)  para  obtenerla     •  Máximas  eficiencias   teóricas  para  las  celdas   solares  para  diversos   materiales  (J.J.  Loferski     1963)  

Características de las celdas solares: Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio •  Silicio  mono  cristalino:estructura  cristalina  uniforme     •  Silicio  poli  cristalino:estructuras  ubicadas   arbitrariamente.  Estos  “granos”  hacen  que  la   estructura  no  sea  uniforme  y  se  obtenga  una   eficiencia  menor     •  Silicio  amorfo:presenta  todavía  bajos  niveles  de   eficiencias    

Caracterís*cas  de  las  celdas  solares:   Tecnología  de  fabricación  de  celdas   solares  de  Silicio  

•  El  Silicio  se  ob*ene  a  par*r  de  elementos  como   arena  o  cuarzo   •  Se  presentan  en  la  naturaleza  con  altos  grados  de   impurezas,  por  este  mo*vo  es  necesario  procesarlos     •  Obtenemos  un  Silicio  con  propiedades  de   semiconductor  y  así  lograr  celdas  de  alta  eficiencia     •  el  Silicio  es  el  segundo  elemento  más  abundante  en   la  superficie  terrestre,  luego  del  oxígeno.    

Características de las celdas solares:Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio Producción  de  Silicio  Poli  cristalino   •  Proceso   –  Consiste  en  llevar  los  granos  de  cuarzita  a  temperaturas   sumamente  elevadas,  agregando  carbón  para  eliminar  el   oxigeno  presente  en  la  cuarzita  y  producir  una  sustancia  gris   metálica  brillante  de  una  pureza  de  aproximadamente  99%.     –  Para  llegar  a  purezas  de  99,9999%,  la  sustancia  obtenida  es   depurada  mediante  un  proceso  similar  al  u*lizado  en  las   refinerías  de  petróleo,  llamado  des*lación  fraccionada    

Tecnología  de  fabricación  de  celdas   solares  de  Silicio  

Producción  de  Silicio  Mono  cristalino   •  Proceso   –  Método  de  crecimiento  de   Czochralski  (CZ)  

•  El  Silicio  Policristalino  se  funde  en   un  crisol  a  temperaturas  cercanas  a   1.410ºC,     •  Se  introduce  una  “semilla”  de  Silicio   Mono  cristalino,     •  Se  re*ra  lentamente  (10cm/hora)   haciendo  crecer  un  lingote  cilíndrico   de  material  Mono  cristalino    

Tecnología  de  fabricación  de  celdas   solares  de  Silicio   •  Método Flotante (FZ) –  Se coloca una “semilla” Mono cristalina sobre una barra de Silicio Poli cristalino –  Luego gracias a una bobina que induce un campo eléctrico, la barra se calienta y se funde con la semilla –  Al desplazarse completamente por la bobina permite la obtención del lingote de Silicio Mono cristalino –  Este lingote es más puro que el producido con el método CZ

Tecnología  de  fabricación  de  celdas   solares  de  Silicio   Producción  de  obleas   •  Una  vez  obtenido  el  cilindro  de  Silicio   Mono  cristalino,  se  procede  a  cortar  las   obleas  o  wafers  con  espesor  aproximado   de  300um   •  Para  realizar  esta  operación  se  u*liza  una   sierra  con  mul*filamentos,  la  cual  al   cortar  las  obleas  produce  parnculas  de   Silicio   •  Se  pierde  casi  un  20%  de  material    

Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio Producción de obleas •  Las obleas son dopadas con átomos de Fósforo en un horno a temperaturas entre 800ºC y 900ºC para obtener la capa N •  El substrato tipo P se logra, antes de obtener los lingotes, dopando el Silicio con átomos de Boro, para luego cortar las obleas que serán utilizadas como material tipo P en las celdas

Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio Película anti reflectante •  Consiste en una tratamiento o texturizado que se le da al Silicio para disminuir el índice de reflexión •  Estructura piramidal, que aumenta la absorción de la luz incidente, gracias a reflexión múltiple de ésta

Tecnología  de  fabricación  de  celdas   solares  de  Silicio   Contactos •  Superior : Debe construirse con unidades lo bastante gruesas, para transportar la corriente eléctrica y lo bastante finas, para no obstaculizar el paso de la luz solar •  Inferior : material conductor simple (aluminio)

Tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio •  Celdas de Arseniuro de Galio (GaAs) –  Eficiencias mayores a las de Silicio. •  Algunos fabricantes, como Spectrolab, han construido celdas con multijunturas, superponiendo junturas específicas para un determinado espectro de la luz solar y así aprovechar totalmente el espectro

Fabricación  de  módulos.   Caracterización    N  celdas  en  serie  o  en   paralelo,  la  potencia   total  de  salida  es     WP  =  N  ·∙  (IP  ·∙  VP)      IP  =  corriente  peak  de  la   celda        VP  =  voltaje  peak  de  la   celda  

Característica

Silicio

Ip [mA/cm ]

28

VP [V]

0,5

WP [mW/cm ]

14

VOC [V]

0,6

Aplicaciones de celdas Fotovoltaicas  Electrificación  de  viviendas    Electrificación   establecimientos    rurales    Iluminación,    Televisores,    Telefonía,      Bombeo  de  agua      Comunicaciones.    Electrificación  de  alambradas    Balizas      Casas  rodantes      Náu*ca      

Prác*ca   •  Equipo  y  material  a  u2lizar:   •   Celda  fotovoltaica  de  Si    célula  mono  cristalina.  1  V,   400mA.   •   Mulnmetro.   •   Potenciómetro  de  5  KΩ.     •   Lámpara  led.     •   Cables  de  conexión.     •   Clavija.   •   Cable.   •   Socket.  

Prác*ca    

Muchas  Gracias   [email protected]