Characteriza*on of solar cell systems. Rafael Guzmán Cabrera

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1 Characteriza*on of solar cell systems Rafael Guzmán Cabrera

2 División de ingenierias

3 Programa

4 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

5 Opciones de abastecimiento de la demanda mundial

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

7 Importancia de la Eficiencia Energética Necesario satisfacer la demanda de energía de todos los sectores + Competitividad y Productividad derivados de: Uso racional con sustentabilidad ambiental, con una visión global Altos precios del petróleo mundial Reducción en el uso de combustibles fósiles menos emisiones de (CO 2 ) menos GEI s Combate mundial de los efectos adversos del calentamiento global mitigación Cambio Climático

8 1 Proyectos y Programas EE Ahorro y Uso Eficiente de Energía Eléctrica 2 Energías Alternas y Renovables Menor Consumo de Energía sin afectar el Desarrollo Eficiencia Energética con Sustentabilidad Ambiental Mayor Sustentabilidad Económica Maximización de la Eficiencia Energética Fomento a la diversificación de Fuentes Evolución Cambio Positivo Cultura del Uso Eficiente de la Energía Eléctrica

9

10 Pymes, Comercios, Servicios, Industria y Municipios Diagnósticos Energéticos Sustitución de Equipos Obras Nuevas Financiamiento del 100% de la inversión Reembolso hasta un plazo máximo de 3 años Tiempo máximo de ejecución del Proyecto 6 meses 10

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

12 Idea intui*va

13 Structure of an underground electric power conductor.

14 Implementación para detección de fallas

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

16 Resultados

17 Resultados

18 Correlación de la falla

19 Correlación de la falla

20 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

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

22 Introduction: Energías renovables: Energía solar Energía eólica Energía hidráulica Energía mareomotriz Energía geotérmica Energía de biomasa Energía de residuos sólidos urbanos

23 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.

24 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.

25 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.

26 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.

27 Conceptos Básicos: Celdas solares

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

29 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.

30 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.

31 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.

32 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.

33 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.

34 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.

35 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.

36 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

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

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

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

40 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.

41 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.

42 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.

43 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.

44 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

45 Caracterís*cas de las celdas solares Caracterís*cas I- V Esto precisamente es lo que haremos en el taller (mas adelante los detalles)

46 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)

47 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

48 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.

49 Características de las celdas solares:tecnología de fabricación de celdas solares de Silicio Proceso Producción de Silicio Poli cristalino 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

50 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

51 Tecnología de fabricación de celdas Método Flotante (FZ) solares de Silicio 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

52 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

53 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

54 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

55 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)

56 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

57 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

58 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

59 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.

60 Prác*ca

61 Muchas Gracias

62

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