CELDAS SOLARES Izquierdo Neyra, Harry Hamilton Jara Llanos, Luis Francisco Javier Gómez, Jeannette Cinthia

Orígenes / Definición

¿Qué son las celdas solares? Una celda solar o celda fotovoltaica es un instrumento que genera electricidad directamente de la luz visible, debido al efecto fotovoltaico.

celda fotovoltaica El efecto fotovoltaico (FV) es la base del proceso mediante el cual una célula FV convierte la luz solar en electricidad.

celda fotovoltaica La cantidad de energía generada por una celda solar es determinada por la cantidad de luz que cae directamente sobre ella

ORIGENES DE LAS CELDAS SOLARES Las celdas solares eficientes han estado disponibles desde mediados de los años 50. La investigación científica del efecto fotovoltaico comenzó en 1839. Finalmente en 1954 fue desarrollada por Chapin, Pearson y Fuller una célula solar de silicio que convertía el 6% de la luz solar que incidía sobre ella en electricidad.

ORIGENES DE LAS CELDAS SOLARES Las celdas solares de silicio disponibles comercialmente en la actualidad tienen una eficiencia de conversión en electricidad de la luz solar que cae sobre ellas de cerca del 18%. En la actualidad existen una gran variedad de métodos para la producción práctica de celdas solares de silicio (amorfas, monocristalinas o policristalinas).

MANUFACTURA DE CELDAS SOLARES

Una celda solar típica está compuesta de capas Una celda solar típica está compuesta de capas. Primero hay una capa de contacto posterior, y luego, dos capas de silicio. En la parte superior se encuentran los contactos de metal frontales con una capa de antireflexión, lo que le da su típico color azul. La construcción básica de una celda solar de unión p-n de silicio se presenta en la siguiente figura:

Como se muestra en la vista superior (b), se hace todo tipo de esfuerzos para asegurar que el área superficial perpendicular al sol sea máxima. Además nótese que la capa metálica conectada al material tipo n (material negativo) y el grosor del mismo son tales que aseguran que un número máximo de fotones de energía luminosa alcancen la unión. Un fotón de energía luminosa en esta región puede chocar con un electrón de valencia e impartirle suficiente energía para que abandone el átomo padre. El resultado es una generación de electrones libres y huecos. Este fenómeno ocurrirá a cada lado de la unión. En el material tipo n los nuevos huecos generados son portadores minoritarios y se moverán con bastante libertad a través de la unión, como en el caso de la unión p-n básica sin polarización aplicada. Un argumento similar se cumple para los electrones generados en el material tipo p. El resultado es un aumento en el flujo de portadores minoritarios, cuya dirección es opuesta a la de la corriente directa convencional de la unión p-n.

Características en el diseño de una celda solar Panel de celdas solares, formado por un conjunto de celdas individuales agrupadas en módulos. Controlador o regulador de carga, su función en mantener el banco de baterías en óptimas condiciones, controlando: Desconexión por alto voltaje Desconexión por bajo voltaje Protección para polaridad invertida Protección contra retorno de corriente Conexión y desconexión por presencia o ausencia de luz solar Medir el voltaje y corriente de las baterías.

Banco de baterías, son el tanque de combustible del convertidor Banco de baterías, son el tanque de combustible del convertidor. Mientras más grande el banco de baterías, mayor tiempo podrá operar el convertidor sin que sea necesario la recarga. Convertidor, es el dispositivo que se encarga del manejo de la alimentación a la carga ya sea de corriente directa o alterna. Inversor, las características propias para elegir un inversor son: Tipo de carga Forma de onda de salida Voltaje de entrada y salida Protección contra sobrecargas Eficiencia de operación Factor de potencia

Diagrama del proceso fotováltico

Fundamento del proceso fotováltico En primer lugar la luz incide sobre los paneles o módulos fotoválticos formados por un material semiconductor de silicio cristalino que posee efecto fotoeléctrico (transforma, con un rendimiento aproximado del 12%, la luz solar en energía eléctrica continua de 12V). Posteriormente esa electricidad debe acumularse en una batería para disponer de energía durante periodos nocturnos o de poca irradiación solar. Entre los paneles solares y las batería es necesario incluir un regulador de carga de modo que cuando la batería este cargada el regulador cierre el aporte de energía desde los paneles solares hacia la batería, para impedir la sobrecarga de esta y por consiguiente el acortamiento de su vida útil. Finalmente la energía acumulada en la batería puede emplearse como tal en iluminarias y otros equipos.

APLICACIONES Y DESARROLLOS ACTUALES

Inicialmente solo era utilizado como fuente de alimentación para áreas remotas y en productos como relojes, juguetes, calculadoras. Luego se desarrollaron paneles integrados en la construcción de edificios. Un ejemplo de esto es la utilización del tejado voltaico en Japón, Europa y EE.UU así como también las granjas solares conectadas a red.

Usos de sistemas fotovoltaicos: Sistemas de protección catódicos. Cercas Eléctricas. Sistemas de Iluminación. Telecomunicaciones y sistemas de monitoreo remotos. Bombas de agua accionadas por energía solar. Electrificación rural. Sistemas de tratamientos de agua. Otros.

Sistemas de protección catódicos La protección catódica es un método utilizado para proteger las estructuras de metal contra la corrosión. Aplicable a puentes, tuberías, edificios, estanques, líneas ferroviarias, etc. Se utilizan las celdas catódicas en lugares remotos para proporcionar el voltaje requerido en la protección catódica.

CERCAS ELECTRICAS Las cercas eléctricas se utilizan extensamente en agricultura para evitar que el ganado o los depredadores entren o deje un campo cerrado. Estas cercas constan de alambres que se mantienen con cerca de 500 voltios de Corriente Continua. Requieren de un alto voltaje pero muy poca corriente y a menudo están situadas en áreas alejadas donde el costo de energía eléctrica es alto.

Sistemas de Iluminación Se requiere iluminación en lugares remotos donde el costo de emplear energía es demasiado alto. Tales aplicaciones incluyen la iluminación de seguridad, ayudas a la navegación (ej. boyas y faros), señales iluminadas en los caminos, señales en cruces ferroviarios y la iluminación en poblados alejados. Las células solares pueden satisfacer tales usos, aunque siempre se requerirá de una batería de almacenaje.

Telecomunicaciones y sistemas de monitoreo remotos Las buenas comunicaciones son esenciales para mejorar la calidad de vida en áreas alejadas. Los sistemas fotovoltaicos han proporcionado una solución rentable a este problema. Consisten en: un receptor, un transmisor y un sistema basado en una fuente de alimentación fotovoltaica. Principios similares se aplican a radios, televisiones, teléfonos de emergencia y los sistemas de monitoreo.

Bombas de agua accionadas por energía solar Utilizadas extensamente en granjas para proveer de agua al ganado. Típico sistema de bombeo consiste en un conjunto de paneles fotovoltaicos y un motor eléctrico. Alternativa rentable para el abastecimiento de agua en áreas alejadas.

Electrificación rural Se utilizan en área alejadas para proporcionar corriente eléctrica para iluminación y comunicación. Son necesarias las baterías de almacenaje de energía.

Sistemas de tratamientos de agua En áreas alejadas a menudo se utiliza la energía eléctrica para desinfectar o purificar el agua para consumo humano. Las celdas fotovoltaicas se utilizan para alimentar una fuente de luz ultravioleta utilizada para matar bacterias en el agua. Además se puede realizar la desalinización del agua.

Otros usos de las celdas solares Productos de consumo como relojes, calculadoras, juguetes, etc. Sistemas de energía de emergencia. Fuentes de alimentación portátiles para camping, excursiones, pesca, etc.

Logitech ha presentado el primer teclado de la compañía que funciona con energía solar. Se carga con cualquier luz, natural o artificial. Una vez cargado se podría trabajar en la oscuridad durante tres meses.

Existen distintas marcas como ECO WATS que traen al mercado artículos  amigables con el medio ambiente, uno de ellos son maletas con paneles solares. Estas maletas no solo cumplen con la función  principal sino que también funcionan como fuente de energía para cargar distintos artículos electrónicos como celulares, reproductores de audio y video, laptops, etc.

CONCLUSIONES El selenio y el silicio son los materiales más usados en las celdas solares, aunque también se usan, entre otros, el arseniuro de galio y el sulfuro de cadmio. Los sistemas fotovoltaicos han proporcionado una solución rentable debido a su costo relativamente bajo. La cantidad de energía generada por una celda solar es determinada por la cantidad de luz que cae directamente sobre ella. Generalmente, la cantidad de poder que se genera con un panel solar es de 12 voltios. Sin duda, debe continuarse la investigación de las celdas solares de silicio por su alta eficiencia.