EXPLICACION DEL FUNCIONAMIENTO DE UN PANEL SOLAR FOTOVOLTAICO PARA EL APROVECHAMIENTO EN LA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD

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1 EXPLICACION DEL FUNCIONAMIENTO DE UN PANEL SOLAR FOTOVOLTAICO PARA EL APROVECHAMIENTO EN LA GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD JHELLEN DANITHZA PEÑA FIGUEROA IVÁN JOSÉ LÓPEZ SALAS Trabajo presentado como propuesta de proyecto de carrera de la asignatura de electromagnetismo grupo 11 al profesor: LIC. JUAN PACHECO FERNANDEZ UNIVERDIDAD POPULAR DEL CESAR FACULTAD DE INGENIERIAS Y TECNOLOGICAS PROGRAMA DE INGENIERA AMBIENTAL Y SANITARIA VALLEDUPAR / CESAR 2015

2 ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN 3 2. PLANEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 4 3. JUSTIFICACIÓN 5 4. OBJETIVO GENERAL 6 5. MARCO TEÓRICO 7 6. MATERIALES Y EQUIPO METODOLOGÍA ANEXOS BIBLIOGRAFÍA 15 2

3 1. INTRODUCCIÓN El Sol, es una fuente de energía inagotable que se formó hace 6450 millones de años y que en la actualidad todavía tiene combustible para 5000 millones de años más, su superficie se encuentra a una temperatura promedio de 5500 C y debido a complejas reacciones en él se produce una pérdida de masa, dicha masa se convierte en energía y se transmite del sol a la tierra mediante la denominada radiación solar. La intensidad con la que la radiación llega a la tierra se ve afectada por los componentes de la atmosfera, dicha radiación o luz solar como es conocida, es fuente de vida y origen de las demás formas de energía que el hombre ha utilizado desde sus orígenes, y puede satisfacer todas nuestras necesidades, si aprendemos cómo aprovechar de forma racional la luz que continuamente irradia sobre el planeta. Muchos países tienen una situación privilegiada respecto al Sol, como es en muchas regiones de América Central y del Sur. Esta energía puede aprovecharse directamente, o bien ser convertida en otras formas útiles como, por ejemplo, en electricidad. Sería irracional no intentar aprovechar, por todos los medios técnicamente posibles, esta fuente energética gratuita, limpia e inagotable, que puede liberarnos definitivamente de la dependencia del petróleo o de otras alternativas poco seguras, contaminantes o, simplemente, agotables. El propósito de este trabajo es explicar el funcionamiento de un panel solar fotovoltaico, dentro del contenido se encuentra el funcionamiento de las celdas solares, los elementos que poseen el sistema y todo el proceso de conversión de la energía lumínica a energía eléctrica. 3

4 2. PLANEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA En la actualidad el uso de la energía es indispensable para para realizar cualquier actividad humana, cuando las actividades humanas incluyen alguna forma de producir o consumir energía desproporcionalmente, los daños ocasionados al ambiente son relevantes y perceptibles. Actualmente debido al uso de irracional de la energía, principalmente eléctrica y la producción de esta por fuentes contaminantes, como es el caso de la generada a partir de combustibles fósiles, ha provocado una alta producción de emisiones, un agotamiento de los recursos y en buena medida de que se contamine el planeta. Ante la contaminación actual se han buscado fuentes de producción de energía que no contaminen y que provengan principalmente de fuentes inagotables, ante esta problemática la que cumple las características es la proveniente del sol, siendo un claro ejemplo de energía inagotable y asequible debido a que sus radiaciones se pueden aprovechar en todo el planeta. Es por lo tanto una necesidad evaluar alternativas que permitan la generación de electricidad atreves de la radiación solar para contribuir a la producción de corriente eléctrica de forma limpia y además sea continua y no dependa directamente de combustibles fósiles (carbón y petróleo). En cuanto a estos problemática es conveniente diseño de un panel solar fotovoltaico para el aprovechamiento en la generación de corriente eléctrica. 4

5 3. JUSTIFICACIÓN El centro de este proyecto se encuentra dirigido a la explicación del funcionamiento de un panel fotovoltaico para el aprovechamiento de la energía solar, buscando así una alternativa de generación de energía y obteniendo como resultado una desvinculación de las energías convencionales y una autonomía energética. Dicho proyecto trae consigo el aprovechamiento por parte de los estudiantes, en cuanto a ampliación del conocimiento respecto a la generación de energía eléctrica a partir de energía solar, los principios electromagnéticos intrínsecos en el sistema y el funcionamiento de cada una de sus partes. 5

6 4. OBJETIVO GENERAL Explicar el funcionamiento de un panel solar fotovoltaico para el aprovechamiento en la generación de corriente eléctrica. 6

7 5. MARCO TEÓRICO Para explicar qué es un panel solar empezaremos explicando lo que es una célula o celda solar. Una celda solar o célula solar es una pequeña placa que suele estar hecha de silicio cristalino que por su composición convierte la luz del Sol en electricidad, al igual que por ejemplo las plantas convierten la luz del Sol en su alimento. Entonces, un panel solar en realidad no es más que una placa grande en la que hay muchas celdas solares juntas. Si una celda solar convierte la energía del Sol en electricidad, un panel solar convierte mucha más energía que una sola celda solar. Cuanto mayor sea el panel solar más energía recibirá del Sol y más electricidad podrá generar y cuanto más cerca esté colocado del Sol también. Esta electricidad es la que podemos luego utilizar en nuestras casas para nuestros electrodomésticos, luz, etc. Pero no sólo es útil para nuestras casas. Más adelante explicaremos sus utilidades. Esta energía generada por los paneles solares es la que se conoce como Energía Solar Fotovoltaica. Fotovoltaico equivale a decir luz-electricidad. CÓMO FUNCIONAN LOS PANELES SOLARES? Como hemos dicho los paneles solares están formados por numerosas celdas solares. Las celdas solares son pequeñas células hechas de silicio cristalino o arseniuro de galio que son materiales semiconductores (es decir, materiales que pueden comportarse como conductores de electricidad o como aislantes, depende del estado en que se encuentren, cuando la luz del sol entra en contacto con los átomos del silicio se produce un movimiento de electrones de un átomo a otro sin producir energía aún. Un átomo de Silicio posee 14 electrones en 3 capas, dos de ellas cercanas al centro llenas y una exterior semillena con 4 electrones, la cual buscará llenarse con 8 electrones, por lo que es necesario realizar un proceso que se llama Dopping, en el que se agregan impurezas, en este caso, al Fosforo y al Boro. Por qué estos dos elementos? Se usa el fósforo ya que posee 5 electrones, uno de estos no atado a la estructura, cuando se aplica la energía proveniente del sol, este electrón es liberado uniéndose a la última capa de electrones del silicio, resultando el silicio tipo-n donde prevalecen electrones libres quedando carga 7

8 negativa. En el caso del Boro, posee 3 electrones en la última capa generando el silicio tipo-p, con falta de electrones y carga positiva. Al unir el silicio tipo N con el tipo-p, se forma un campo eléctrico que separa los dos lados, que actúa como un diodo permitiendo con energía externa un flujo de electrones del lado positivo al negativo, generando corriente continua que con ayuda de un inversor pasa a corriente alterna de baja tensión. El panel solar está compuesto de celdas solares positivas y negativas. Estas celdas se colocan en el panel intercalándolas y sujetándolas con hilo conductor. Luego el panel puede colocarse donde sea más conveniente. QUÉ TIPOS DE PANELES SOLARES HAY? Si queremos utilizar paneles solares para generar electricidad en nuestras viviendas tenemos que tener en cuenta que existen 3 tipos diferentes: Paneles Solares Fotovoltaicos: Éstos son los que hemos explicado anteriormente y pueden generar suficiente energía para abastecer las necesidades de nuestros hogares. Paneles Solares Térmicos: Estos paneles se recomienda usarlos en viviendas que tengan recepción directa del Sol con altas temperaturas y que tengan un espacio suficiente para colocarlos ya que son mayores que los anteriores porque si no serían eficientes. Actúan de la misma forma que los fotovoltaicos pero aparte contienen un líquido que absorbe el calor. Estos paneles convierten la energía del Sol en energía térmica y transportan esta energía térmica hacia nuestros hogares. Paneles Solares Termodinámicos: Éstos últimos son los que se están utilizando cada vez más en nuestros hogares debido a que son más eficientes, más baratos y se pueden utilizar aparte para muchas más cosas. Su principal ventaja es que pueden absorber energía a pesar de que llueva o esté nublado o sea de noche, etc. Estos paneles se basan en los principios fundamentales de la termodinámica, es decir, que pueden absorber cualquier tipo de energía de cualquier ambiente siempre y cuando la temperatura exterior no baje de los 0 grados. Están fabricados de aluminio y contienen unos canales por donde circula un líquido refrigerante, es decir, un líquido de bajo punto de ebullición que es capaz de absorber grandes cantidades de calor al producirse en él un cambio de estado (gas, líquido o sólido). 8

9 QUÉ VENTAJAS POSEEN LOS PANELES SOLARES? La principal ventaja de utilizar paneles solares es que producen energía limpia y renovable, sin tener que recurrir a los recursos fósiles y energía nuclear. Afortunadamente la era del petróleo está llegando a su fin. La energía solar no produce apenas contaminación y, sin embargo, el uso de recursos fósiles libera grandes cantidades de gases tóxicos hacia nuestra atmósfera. Los paneles solares también ayudan a ahorrar energía e instalar un sistema renovable en casa es bastante rápido, aparte que el mantenimiento de estos paneles solares es mínimo y su vida es bastante larga. Aunque al principio puedan resultar algo caros, en cuestión de años habremos recuperado la inversión inicial y estaremos recibiendo energía solar en nuestros hogares de forma gratuita, cosa que no pasa con los combustibles fósiles. Otra gran ventaja es la de por fin poder liberarnos del monopolio de las empresas que nos suministran energía. Nosotros mismos podemos ser nuestros propios suministradores de energía gracias a los paneles solares. 9

10 6. MATERIALES Y EQUIPOS A continuación se mencionaran los elementos básicos que conforman el sistema de paneles fotovoltaicos, las cantidades y las especificaciones de estos dependerán del lugar de instalación y de la estimación de carga necesaria para dicho lugar; los elementos son: Panel solar Controlador de carga (regulador) Inversor Baterías de acumulación Cargas DC y AC. Contador 10

11 7. METODOLOGÍA Tipo de investigación. La presente idea de proyecto está fundada en un diseño de ingeniería, y es de carácter científico explicativo debido a que se caracteriza porque busca la aplicación o utilización de los conocimientos adquiridos, a la vez que se adquieren otros y pretenden conducir a un sentido de comprensión o entendimiento de un fenómeno, Los estudios de este tipo implican esfuerzos del investigador y una gran capacidad de análisis, síntesis e interpretación. Línea de investigación. La línea de investigación a tratar es la de Producción más limpia y tecnologías ambientales, en cuanto a la generación de electricidad mediante la radiación solar. Instrumentos de dimensionamiento del sistema fotovoltaico. Figura 1. Sistema solar fotovoltaico 11

12 Ubicación. Para la ubicación del panel solar es necesario tener que la intensidad y la radiación solar sean las necesarias para alimentar el sistema, además la posición y ángulo de inclinación apropiados para un mayor aprovechamiento de la energía del Sol. Estimación de la carga eléctrica. Una vez decidido donde ubicar el panel solar y que casa va a alimentar es necesario realizar un cálculo de la energía de consumo del sistema, este debe contener un inventario de los aparatos que consumen energía en la vivienda, de que tipo son: carga DC (banco de baterías e iluminación) o carga AC (electrodomésticos), cuál es su consumo nominal y su ubicación. Esto con el objeto de conocer cuanta energía se requiere generar. Dimensionamiento del conjunto fotovoltaico. Se calcula el número de módulos en paralelo, a partir de la carga total sobredimensionada, la corriente máxima especificada por el fabricante y el número de horas de uso promedio en periodos de nubosidad y se calcula el número de módulos en serie, a partir de la relación entre el voltaje seleccionado del sistema y el voltaje del módulo especificado por el fabricante. Finalmente el número total de módulos se calcula, a partir de cuantos módulos en paralelo y en serie son necesarios. Capacidad del banco de baterías. La capacidad del banco de las baterías dependerá directamente del número de días de autonomía del sistema y la profundidad de carga diaria deseada, además hay que considerar si el sistema fotovoltaico trabajara de forma independiente o hibrido (conexión a empresa de energía en horario nocturno). Determinación del controlador de carga o regulador. Se define, a partir de los voltajes y amperajes de trabajo establecidos en el sistema, es de ahí la importancia del cálculo de la energía de consumo del sistema. 12

13 Dimensionamiento del inversor. Se define, a partir del voltaje DC del banco de baterías, y el voltaje AC demandado por la carga. Así también, por la demandada por la carga, en condiciones normales y condiciones pico. Se recomienda un sobredimensionarlo en un 50% mínimo. Calibrado del sistema de cableado, y protección. Una parte fundamental para el óptimo funcionamiento del sistema es el cableado, por lo que es necesario: Seleccionar el calibre adecuado del cable. Utilizar de poliducto o cable vulcanizado para intemperie. Colocar contactos de buena calidad. Colocar polarizaciones a tierra. Colocar conexión ruido EMI. Observar cualquier señal de roedores, moho u oxido. 13

14 8. ANEXOS En óptimas condiciones y con limpiezas periódicas de los paneles, le tiempo de vida promedio de un panel solar es de 20 a 30 años; mientas que para las baterías y partes electrónicas es de 3 a 6 años. 14

15 9. BIBLIOGRAFÍA a/volumen-10-no-1/11_articulo_vol_10_1.pdf tomado el 29 de Noviembre de tomado el 29 de Noviembre de tomado el 29 de Noviembre de tomado el 29 de Noviembre de