La energía proveniente del sol

De Casiopea



TítuloLa energía proveniente del Sol
Tipo de ProyectoProyecto de Titulación
Palabras Claveenergía solar, efecto fotovoltaico, auto solar alicanto
Período2011-2011
CarrerasDiseño Industrial
Alumno(s)Carla Salinas
ProfesorJuan Carlos Jeldes


Título 2

Para esta segunda etapa de titulación se trabaja en el proyecto Alicanto, el cual consiste en la construcción de un auto solar que tiene como finalidad participar en primera carrera latinoamericana de autos solares desarrollada en Chile, Atacama Solar Challenge. Para esto se trabaja con estudiantes de ingeniería y diseño de la PUCV.

Este proyecto se divide en distintas áreas de estudios, una de ellas es la relacionada con la energía solar y su transformación a energía eléctrica a través de un sistema fotovoltaico (celdas solares)

Estudios previos

La energía proveniente del sol

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La energía solar que recibe la Tierra, hoy en día se considera como una fuente importante de energías limpias y renovables (utiliza ciclos naturales para producir energía: movimiento del agua, el viento, etc.), y una de sus principales característica es que no produce residuos tóxicos y su mantenimiento es sencillo ya que no depende de un suministro eléctrico. Ésta se transmite a través de las ondas electromagnéticas presentes en los rayos de sol, las cuales son generadas en forma continua y emitidas permanentemente al espacio, parte de ella llega a la Tierra, y alrededor del 70% es absorbida por la atmósfera, la tierra y por los océanos. El otro 30% es reflejado por la atmósfera de regreso al espacio.

Este tipo de energía puede aprovecharse de manera útil por el hombre a través de distintos sistemas de captación y conversión de ella, uno de ellos es mediante paneles solares formados por celdas fotovoltaicas que transforman la energía lumínica del sol en energía eléctrica a través del efecto fotovoltaico.

Energía fotovoltaica

La energía solar fotovoltaica se basa en captar la energía solar, la cual mediante unos dispositivos llamados celdas solares transforman la energía solar en energía eléctrica.

Efecto Fotovoltaico

Una celda fotovoltaica tiene como función primordial convertir la energía captada por el sol en electricidad a un nivel atómico. Estas celdas están construidas por una capa delgada de un material semiconductor (silicio), el que capta la radiación y hace posible el efecto fotovoltaico, es decir los fotones de luz son absorbidos para luego irradiar electrones; provocando un salto de electrones, generando una pequeña diferencia de potencial en sus extremos. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente eléctrica que puede ser utilizada como electricidad.

El proceso de conversión de energía comienza cuando los rayos del sol chocan y son captados por las dos placas de silicio, u otro material conductor, uno de los cuales actúa con carga negativa del tipo “n” y el otro con carga positiva del tipo “p”. Una vez que los rayos son captados estos ionizan los átomos del silicio de las placas separando así las cargas positivas de las cargas negativas (electrones). Mientras las cargas positivas se desplazan hacia el terminal positivo los electrones se desplazan hacia el negativo. Al atraerse naturalmente las cargas, éstas son forzadas a desplazarse hacia el terminal opuesto a través del conductor que une ambas placas, generando así la generación de un ciclo continuo de generación de electricidad.

Efecto fotovoltaico.jpg

Historia de las celdas solares

Dentro de un sistema solar las celdas fotovoltaicas son su principal componente, sin ellas no se podría contar con paneles o cualquier otro dispositivo que funcione con esta energía, ya que su función principal es convertir la energía capta por el sol en electricidad, estas celdas cuentan con un propiedad conocida como el efecto fotoeléctrico esto actúa cuando los fotones de luz son absorbidos para luego irradiar electrones; cuando estos electrones libres son capturados el resultado que obtenemos es una corriente eléctrica que luego, mediante su conversión, es empleada como electricidad.

Panel solar fotovoltaico de Laboratorios Bells,se utiliza en una primera prueba en 1955 en Americus, Georgia

En 1839 un físico francés Edmundo Bequerel, fue quien notó que ciertos materiales producían pequeñas cantidades de corriente eléctrica cuando los mismos eran expuestos hacia la luz, de esta manera nación el principio del aprovechamiento de la energía solar.

Luego en 1883 Charles Fritts construye la primera celda solar con una eficiencia del 1%. Esta fue construida utilizando como semiconductor el Selenio con una muy delgada capa de oro. Pero su alto costo hizo significó tuviese usos diferentes a la generación de electricidad. Las aplicaciones de la celda de Selenio fueron para sensores de luz en la exposición de cámaras fotográficas.

La celda de Silicio que hoy día se utilizan proviene de la patente del inventor norteamericano Russell Ohl. Fue construida en 1940 y patentada en 1946. Luego en 1954 los Laboratios Bells. crearon el primer módulo fotovoltaico apareciendo allí las primeras celdas fotovoltaicas, pero debido a su alto costo esta producción decayó hasta 1960, fue entonces cuando la industria espacial comenzó a hacer uso de esta tecnología para conseguir energía eléctrica y distribuirlas a bordo de sus naves; fue gracias a estos programas espaciales que los científicos y técnicos pusieron énfasis en la energía solar y sus beneficios.


Estructura básica de una celda solar

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Una celda solar de silicio generalmente está compuesta por una parte superior e inferior, en ambas partes poseen contactos eléctricos (metálicos) que sirven para captar la radiación que incide sobre ellas, el diseño de los contactos superiores tiene que ver con el paso de luz y lograr maximizar la conductividad eléctrica de estos. Para un mejor desempeño a las celdas solares se le agrega una capa de material antirreflectante y otra de vidrio para su protección.


Contactos eléctricos

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En una celda solar los contactos eléctricos son el puente de conexión entre el material semiconductor y la carga eléctrica externa.

En la parte trasera de la celda, la que no recibe los rayos solares directamente, se ubican los contactos positivos, estos generalmente consisten en una capa de metal de aluminio o molibdeno, cubriendo completamente este lado de la celda.La parte superior en tanto, por donde los rayos solares inciden directamente, tiene un poco mas de complejidad, con el fin de captar más corriente se debe poner una “rejilla” de tiras o “dedos” de metal, el poner esta rejilla sobre la celda se deben reducir al máximo los efectos que ensombrecen la superficie, ya que de no ser así estas provocarían sombra afectando considerablemente la eficiencia de la celda.


Al poner la rejilla en contacto con la celda solar, pueden existir pérdidas en la resistencia eléctrica, para esto el diseño de la rejilla debe contar con muchos “dedos” finos ,con baja resistencia para conducir la luz y a la vez no bloquear la cantidad de luz que entra, dispuestos sobre toda la superficie de la celda. Una buena rejilla mantiene pérdidas de la resistencia bajas, mientras que ensombrece solamente cerca de 3% a 5% de la superficie de la celda.

Antirreflectante

Para mejorar la eficiencia en la captación de energía de las celdas solares, es necesario reducir al mínimo la cantidad de luz reflejada, debido a que el silicio es un material gris brillante que puede actuar como un espejo reflejando hasta más de un 30% de la energía que incide sobre las celdas. Es por esto que se debe utilizar un antirreflectante de modo que las celdas puedan capturar tanta luz como sea posible.

Este material antirreflectante puede ser de una delgada capa de monóxido de silicio, ya que una sola de estas capas reduce cerca del 10% de la reflexión y una segunda puede bajarla hasta menos del 4%.

Panel Solar

Un panel solar está compuesto por varias celdas fotovoltaicas, y la interconexión de dos o más paneles se conoce como un arreglo solar. La energía que ellos captan puede ser utilizada por distintos aparatos eléctricos.

Materiales que componen el panel solar


La radiación solar en la tierra

Se entiende por radiación solar al grupo de radiaciones electromagnéticas emitidas por el sol, las que llegan a través de ondas en diferentes frecuencias, pero solo la mitad de estas pueden ser detectadas por el ojo humano y es conocida como luz visible, el resto comprende las ondas infrarrojas y ultravioletas.

Una vez que la radiación llega a la tierra y penetra la atmosfera, se pueden distinguir los siguientes tipos:

Niveles de Radiación en Chile.La zona norte destaca por una alta incidencia de rayos solares, siendo una superficie óptima para producción de energía fotovoltaica


Radiación Directa

Esta se caracteriza porque llega directamente desde el sol hacia un punto determinado, los rayos solares no se difuminan o se desvían a su paso por la atmósfera terrestre.

Radiación Difusa

Este tipo de radiación se refiere a que una parte de ella al pasar por la atmosfera es reflejada o absorbida por las nubes y por muchos otros factores (montañas, edificios, el suelo, etc.),por lo que difumina o desvía los rayos solares, y no logran tener una dirección directa.

Radiación Reflejada o Albedo

Esta radiación es aquella reflejada por la superficie terrestre. Los rayos solares pueden ser desviados por factores atmosféricos y también por reflexiones a causa de superficies planas. Un claro ejemplo es la reflexión que se produce en la nieve y sobre el agua del mar.

Radiación Global

Corresponde simplemente a la suma de las tres radiaciones anteriores dadas.

Incidencia de la radiación en un panel solar

Los paneles captan la radiación emitida por el sol y no su calor, por lo cual estos están en funcionamiento durante todos los días del año, sin embargo la radiación emitida en un día soleado es diferente a la de un día nublado, incidiendo de manera distinta sobre un panel solar.

Incidencia de las diferentes radiaciones sobre el panel solar

Al usar energía fotovoltaica es necesario tener en cuenta estos conceptos de radiación, y sobre todo el que se refiere a radiación directa ya que es el que mayor potencia tiene. Para esto también debemos considerar ciertos factores climáticos, en un día nublado la radiación presente es más bien difusa, en cambio en un día soleado la radiación recibida es directa. En un día claro, sin partículas suspendidas en el aire y a nivel del mar, con el sol enfocando directamente sobre el panel solar, la radiación máxima directa que llega al panel solar es aproximadamente de 1000 watts/m2.

Otros factores que afectan a la radiación es la inclinación de la superficie que la recibe y la posibilidad que esta sea o no reflectante, las superficies blancas son las que más reflejan radiación.

Posición del sol

Es importante considerar que las posiciones del sol varían en cada estación del año desde que sale el primer rayo de sol hasta el atardecer, esto se debe tener en cuenta para aprovechar al máximo la energía que recibe el panel solar. La orientación y el ángulo de inclinación del panel son factores importantes a la hora de optimizar el aprovechamiento de energía.

Orientación y Angulo de Inclinación

Se ha dicho que las condiciones óptimas para que un panel aproveche al máximo la energía es con la presencia de luz solar plena y a la vez este deberá ser orientado de la mejor forma hacia el sol, no sólo en los días soleados, si no también durante todo el año. Es así como si un panel está situado en el hemisferio norte, deberá tener una orientación hacia el sur y lo contrario sucederá si se ubica en el hemisferio sur, el cual tendrá que ser orientado hacia el norte.

Los paneles alcanzan su mayor eficiencia a medio día cuando están orientados hacia el sol y perpendicularmente a este.

El ángulo de inclinación se refiere al ángulo entre el plano horizontal y el panel. El ángulo óptimo es de 90° durante el día, pero habitualmente los paneles se encuentran fijos, ya sea en una estructura o sobre un techo, por lo que no pueden seguir la trayectoria del sol.

Las estaciones del año también influyen en la posición del panel, la posición del sol varía entre invierno y verano, por ende los paneles solares también debiesen cambiar su posición, en verano por ejemplo tendrían que ser colocados en una posición ligeramente más horizontal, y así aprovechar al máximo la radiación solar. Sin embargo esta posición no sería tan efectiva en el invierno, por lo tanto se debe encontrar un “punto medio”, un ángulo donde los paneles puedan alcanzar la mayor eficiencia tanto con el sol de invierno como con el de verano.

La inclinación de los paneles depende mucho de la latitud en que se ubique un panel, por ejemplo los paneles que se ubican cerca del ecuador son los únicos que se deben colocar en posición horizontal, y en Chile se recomienda tener un ángulo fijo de 15° más la latitud del lugar donde se ubique el panel.

Ejemplos de algunas latitudes y su ángulo de inclinación:

0° a 15° = ángulo de inclinación es de 15°

15° a 25° = ángulo de inclinación es igual a la latitud

25° a 30° =latitud más 5°

30° a 35° =latitud más 10°

35° a 40° =latitud más 15°

40° o más = latitud más 20°

El objetivo del ángulo de inclinación es que los rayos solares incidan verticalmente sobre el panel solar para mayor aprovechamiento del la energía solar.

Es de considerar que independiente de la latitud los paneles solares deben ser ubicados en un lugar despejado, libre de árboles o algún objeto que provoque sombra.

Aplicaciones del sistema fotovoltaico

La utilización de energías renovables ha aumentado considerablemente en las últimas décadas, así también lo es la aplicación de energía solar a través de sistemas fotovoltaicos. En la actualidad existen varias aplicaciones de esta energía y se pueden separar en dos tipos: aplicaciones estacionarias y aplicaciones móviles.

Aplicaciones estacionarias

Central Electrica Olmedilla de Alarcón, España (60 MW)
Postes solares para alumbrado público
Generación de energía eléctrica mediante paneles fotovoltaicos ubicados en los techos

En este tipo de aplicaciones los sistemas fotovoltaicos se ubican en un lugar fijo y no se desplazan al momento de ser usados. Algunas de estas aplicaciones pueden ser:

Centrales eléctricas fotovoltaicas

Estas centrales se encuentran mayoritariamente en Europa, siendo países como España y Alemania donde se encuentra casi el 90% de las más grandes instalaciones de este tipo. En estas centrales fotovoltaicas se transforma directamente la radiación solar en energía eléctrica y deben estar ubicadas en lugares con alta irradiación solar. Una de las más grandes es la Central Hoya de los Vicentes, ubicada en Murcia, España la que fue instalada con una potencia de 23 MW. (imagen)


Suministro eléctrico rural

Estos sistemas se utilizan para llevar energía eléctrica a lugares con acceso limitado, donde hacer instalaciones tradicionales sería altamente complicado.


Suministro eléctrico para casas

Se utiliza una serie de paneles fotovoltaicos en el techo de una casa para así suministrarla en su totaliodad con energía eléctrica. Para poner los paneles solares es necesario ubicarlos en un lugar adecuado, siendo conveniente que tengan un sistema que los mueva para aprovechar al máximo la radiación solar. Aunque requiere de una gran inversión, en el tiempo los resultados son convenientes, además de contribuir al medio ambiente y al uso de energías limpias, el mantenimiento es casi nulo.

Otras aplicaciones: señalizaciones ferroviarias y postes S.O.S (servicios de emergencia en carreteras)

Aplicaciones móviles

Este tipo de aplicaciones se usa cuando los paneles o celdas fotovoltaicas se ubican y funcionan en una superficie desplazable, por lo que la radiación que reciben varía en comparación con las aplicaciones estacionarias.

Dentro de estas aplicaciones se encuentran:

Satélites solares
Nave espacial Mars Global Surveyor
Estación MIR

Las celdas solares desde sus inicios fueron parte de la industria aeroespacial, y han logrado convertirse en uno de los medios más fiables al momento de suministrar energía eléctrica a un satélite o a una sonda en las órbitas interiores del Sistema Solar. El uso de las celdas solares en el medio espacial se debe a que sin la presencia de la atmósfera tienen más irradiación solar y al bajo peso que estas presentan.

Los paneles que se utilizan en satélites deben tener una gran área en su superficie la que pueda ser orientada hacia el sol mientras la nave se mueva y así generar más electricidad, así también estas pueden ser construidas de tal manera que los paneles puedan pivotear mientras se muevan, entonces así pueden estar siempre en contacto con los rayos del sol sin importar la dirección de la nave. Habitualmente en la actualidad las naves solares son diseñadas para que los paneles puedan estar siempre orientados al sol.

El primer satélite en utilizar celdas fotovoltaicas no fue lanzado hasta el 17 de marzo de 1958 por los Estados Unidos. Dicho satélite fue el Vanguard 1, con un peso de 1,47 kilogramos.


Aeronaves solares
Sunseeker, proyecto que se inició en 1986 y se le dio su forma final en 1990.

En el campo aéreo, la energía fotovoltaica es aplicada en aeronaves eléctricas, cuyo motor (eléctrico) es alimentado por celdas solares o baterías Una aeronave eléctrica posee ciertas ventajas, entre ellas que tiene una gran maniobrabilidad debido al gran torque que son capaces de entregar los motores eléctricos, también poseen mayor seguridad ya que tienen menor probabilidad de fallas mecánicas en los motores, y un menor riesgo de explosión o fuego en el caso de un accidente.

Las aeronaves poseen una muy baja autonomía de vuelo, para mejor esto es necesario que las celdas solares ocupen una gran área, por lo general esto se consigue construyendo estas naves con grandes alas en relación al cuerpo. En la actualidad existe mucho interés militar por estas aeronaves no tripuladas, debido a que el uso de energía solar les permitiría mantenerlas un largo tiempo en aire, y esto a su vez reduciría los costos para realizar las labores que hoy son llevadas a cabo por satélites. Aunque el mayor interés se ha ubicado en fabricar aeronaves no tripuladas también se han construido naves tripuladas.


Barcos solares
CONSTANCE SOLAR SHUTTLE, este barco solar tiene20 metros de eslora puede navegar a 15 km/h y llevar 60 pasajeros.
Barcos híbridos: Usan energía solar, éolica y fósil. Los paneles solares se orientan para capturar sol y viento de la manera más efectiva. Puede navegar hasta con 40 nudos de viento, y en condiciones extremas pliega sus alas contra el casco.

Hoy en día muchas embarcaciones cruceros, submarinos y torpedos usan motores eléctricos para la propulsión. La razón fundamental es la ausencia de de ruido y oscilaciones, así como la confiabilidad de estos sistemas. El uso de energía solar permite les permite independizarse de la red eléctrica, además de ser una forma de energía segura y autosuficiente.

La eficiencia de los botes eléctricos radica en que tiene un gran torque sobre un amplio rango de velocidades, de esta manera los propulsores posen diámetros más grandes y pueden ser usados de forma más lenta. Con esto se logra que los viajes sean más placenteros debido a que se elimina gran parte de vibraciones, zumbidos y la polución producida por la combustión. El mayor problema que pueden tener estas embarcaciones solares es que la orientación plana de los paneles solares no es la más óptima para generar potencia en diversas latitudes.

En algunos casos para mejorar esto, además de tratar de posicionar de la mejor manera los módulos solares, en algunos casos se utiliza tanto energía eólica como energía solar, de manera independiente o simultáneamente.

La energía solar en aplicaciones náuticas también ofrece la posibilidad de operar en embarcaciones no tripuladas, siendo también de un alto interés militar.

Automóviles solares

Dentro de las aplicaciones móviles terrestres, el auto eléctrico alimentado por energía solar es una de las aplicaciones móviles que hoy en día se encuentra en pleno desarrollo, pero estos sólo suelen ser prototipos experimentales y no son utilizados como una forma práctica de transporte, entre otras cosas, por el alto costo que significa construirlos.

El sistema fotovoltaico que alimenta al auto se encuentra en la su superficie, y se necesita una gran cantidad de celdas solares para que el auto tenga un buen rendimiento, estas son conectadas en cadena (conexión en serie) y luego entre ellas, esta conexión abarca casi la totalidad de la superficie. Una vez que la energía es captada por las celdas, estas suelen ser almacenadas en baterías, que hacen las veces de estanque de combustible, o bien ser directamente utilizadas por el motor.

El sistema eléctrico es sin duda unos de los más importantes ya que es el que se encarga de la potencia que entra y sale del automóvil, es de suma importancia optimizar la energía que recibe el auto, por lo que se deben usar sistemas que monitoreen la energía cargada a través del panel solar, el consumo y la velocidad de este.

Los autos fabricados se enfocan principalmente en optimizar al máximo su funcionalidad, dejando un poco de lado la comodidad del pasajero (generalmente tienen solo una cabina), estos tienen formas muy especiales, con las cuales se trata de minimizar la resistencia al aire, reducir el peso, hacerlos seguros y por sobre todo lograr maximizar la exposición al sol.

Parte del desarrollo de prototipos y construcción de autos solares se debe a la existencia de competencias de este tipo de autos a nivel mundial, tales como la Panasonic World Solar Challenge y la American Solar Challenge.