Paneles Solares

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE TAMAZULA DE GORDIANO

CARRERA: ING ELECTROMECANICA

MATERIA: Taller de investigación I

“CONSTRUCCION DE PANELES SOLARES PARA USO PERSONAL”

ALUMNO: Oscar Eduardo Gómez Vázquez

N.C: 12091021, ELECTROMECANICA GRUPO A 6°SEMESTRE

TAMAZULA DE GORDIANO JALISCO

01 DE JUNIO DEL 2015

Contenido

ANTECEDENTES 3

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 3

OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION 3

Objetivo general: 3

Objetivos específicos: 3

FORMULACION DE HIPOTESIS 4

JUSTIFICACION 4

MARCO TEORICO 5

Fuentes de energía renovables: 5

Energía solar: 5

Ventajas y desventajas de la energía solar 6

Cambio climático 7

Aplicaciones de la energía solar 8

Radiación solar 9

Efecto fotovoltaico 9

Descripción de los sistemas fotovoltaicos 10

Tecnología fotovoltaica 10

Características de los paneles solares 11

RESULTADOS 12

FUENTES CONSULTADAS 12

ANTECEDENTES

La energía solar tuvo sus inicios por el efecto fotovoltaico, el efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez en 1839 por el físico Alexadre-edmond becquerel. Sus estudios sobre el espectro solar, magnetismo, electricidad y óptica son el pilar científico dela energía fotovoltaica.

La primera utilización práctica de la generación de energía con celdas fotovoltaicas fue en los primeros satélites geoestacionarios. Los avances logrados con la celda de silicio en 1954 contribuyeron a la producción comercial, lográndose una eficiencia del 6% en los últimos años han vencido probando distintas formas de mejorar la eficiencia, han cambiado la forma y hasta los materiales, al cambiar la forma no puede obtener la energía solar al 100% y con otros materiales no son tan eficientes y además no son viables para el medio ambiente.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En los últimos años el consumo de energía eléctrica se ha disparado a un ritmo más elevado al del crecimiento económico, ya que es utilizada desde la casa más pequeña hasta la más grande empresa.

Este caso nos dice que la electricidad no solo es un recibo que pagamos o lo que hace que funcionen los electrodomésticos, si no que al final es toda la cadena que se origina en las grandes centrales eléctricas y el proceso que tiene que pasar para llegar a las casas, industrias, empresas etc. A demás de que todo este gran sistema eléctrico debe mantenerse al día, lo cual requiere de personal especializado y lo últimos en tecnología en materiales y equipos. Por todo esto la implementación de obtención de energía eléctrica alternativa, a hora bien los paneles solares suelen ser costosos lo que conlleva a su difícil adquisición, por qué no elaborar uno en casa, no que cubra un 100% el gasto eléctrico pero si que ayude a disminuir el consumo que se hace día a día.

OBJETIVOS DE LA INVESTIGACION

Objetivo general:

Desarrollar paneles solares en casa, taller etc,(caseros) que tengan un buen aprovechamiento de la radiación del sol con el fin de obtener una eficiencia del efecto fotovoltaico.

Objetivos específicos:

• Evaluar los factores que infligen en el proceso de la transformación de la energía mediante paneles solares.

• Identificar qué tipo de materiales se utilizan para la elaboración de las celdas solares

• Evaluar en qué posición las celdas solares son más efectivas al efecto fotovoltaico

FORMULACION DE HIPOTESIS

Los paneles solares están formados por dispositivos semiconductores diseñados para percibir o captar la radiación emitida por los rayos del sol, convirtiéndolos en electrones. La instalación en serie de varios de estos paneles nos da como resultado una mayor obtención de voltaje satisfaciendo cosas sencillas y aptas para alimentar pequeños artefactos electrónicos, dando lugar a la generación de electricidad para su aprovechamiento.

JUSTIFICACION

Para la gran mayoría de las personas, la electricidad es algo que siempre está a su disponibilidad, accionas un interruptor y algo enciende o funciona, mas no se dan una idea que detrás de esas simples acciones hay un largo proceso, una infraestructura que puede ser afectada por cambios del clima, políticos, económicos etc.

Cabe mencionar que la electricidad debe ser generada, transportada, distribuida, medida y facturada, pero todo este proceso requiere de un sistema eléctrico que debe mantenerse en buen estado, pero esto requiere de mucho personal y alta tecnología.

Todo esto es para analizar y pensar en fomentar el hábito de no malgastar este recurso. De hecho los gobiernos y varias empresas están implementando planes, programas económicos y energéticos, con el fin de incrementar las reservas existentes y disminuir el uso desproporcionado que se tiene de la energía eléctrica.

En Europa es donde se implementa más esta tecnología, satisfaciendo las necesidades básicas de la electricidad de familias ya que este tipo de energía aporta un mejor suministro de energía aparte de ser ecológico y económico. Las ventajas de implementar este sistema es que son simples y modulares, se instalan fácilmente y puede ampliarse el sistema mismo, la reparación y cambio de partes es fácil y económico, a demás son sistemas adaptables a casi cualquier comunidad y a sus necesidades.

A demás con un panel solar son muchas las posibilidades de reducción del consumo de energía que se gasta en una casa, desde el simple hecho de cambiar un foco hasta la implementación de nuevos sistemas de generación eléctrica, pensando en esto se desarrollara un panel solar que permita al mismo usuario generar su propia electricidad.

Las ventajas de la creación de un panel solar son claras: no contamina, no tiene partes móviles o mecánicas que analizar y no requiere de mucho mantenimiento por lo que la creación e implementación de un panel solar a “x” personas o lugar disminuye el consumo de energía sin limitaciones en su uso y aplicación, ya que cada persona podrá generar su propia electricidad de forma segura y económica.

MARCO TEORICO

Fuentes de energía renovables:

Como ya vimos, son fuentes que generan constantemente energía, de forma que la energía consumida se renueva continuamente y en consecuencia su utilización es limitada. Únicamente vamos a referirnos dentro de la energía renovable solar.

Energía solar:

Transformación de calor: Es la llamada energía solar térmica que consiste en el aprovechamiento de la radiación que proviene del sol para calentar fluidos que circulan por el interior de captadores solares térmicos. Este fluido se puede destinar para el agua caliente sanitaria, dar apoyo a calefacción para moderar la temperatura de las piscinas. En la utilización directa mediante la incorporación de cristales y otros elementos arquitectónicos con elevada masa y capacidad de absorción de energía térmica, es la llamada energía solar térmica pasiva (Casas 2012).

La energía solar directa es la energía del sol sin transformar, que calienta e ilumina, es necesario tener sistemas de captación y de almacenamiento para aprovechar la radiación del sol de diferentes maneras.

El sol produce constantemente energía electromagnética que llaga directamente a la tierra. Así lo viene haciendo unos 4.5 Millones de años y parece que seguirá así por varios millones de años más. Toda la energía disponible viene de forma directa o indirecta del sol, excepto la nuclear, mareomotriz y la geotérmica. Sin embargo su utilización ofrece serias dificultades por su estacionalidad, su alternancia día-noche, su dependencia de otras condiciones atmosféricas, su baja densidad y en muchas aplicaciones su costo, que lo lleva a ser competitivo con los combustibles fósiles.

El sol es la fuente primaria de energía, que puede ser usada directamente, en sistemas pasivos, así llamados porque no usan otra fuente de energía alternativa. La energía solar puede transformarse en eléctrica bien directamente, mediante células fotovoltaicas o bien de forma indirecta a través de sistemas térmicos de concentración utilizados para producir vapor que moverá las turbinas generadoras.

La energía solar es la energía obtenida mediante captación de luz y el calor emitidos por el sol. La radiación solar que alcanza la tierra puede aprovecharse por medio del calor que produce a través de absorción de dicha radiación. Esta energía solar es conocida también como energía limpia o energía verde.

La energía solar se puede convertir de dos maneras:

• La primera utiliza una parte del espectro electromagnético de la energía del sol para producir calor. A la energía obtenida se le llama energía solar térmica. La transformación se realiza mediante el empleo de colectores térmicos.

• La segunda utiliza la otra parte del espectro electromagnético de la energía del sol para producir electricidad. A la energía obtenida se le llama energía solar fotovoltaica.

Ventajas y desventajas de la energía solar

La energía solar fotovoltaica es una de las fuentes más prometedoras de las energías renovables en el mundo. Comparada con las fuentes no renovables, las ventajas son claras: no contamina, no tiene partes mecánicas y no requiere de mucho mantenimiento. No requiere de una extensa instalación para operar. Los paneles pueden ser distribuidos en la cual las casas, puedan generar su propia energía eléctrica de forma segura.

No consume combustibles fósiles. No genera residuos. No produce ruidos molestos. Es una fuente inagotable. Ofrece una gran fiabilidad y disponibilidad de control excelente. Además de las ventajas ambientales debemos ver también las socio-económicas, una instalación de un panel tiene una vida larga.

Cabe mencionar que resisten condiciones climáticas extremas; granizo, viento, temperatura, humedad etc. No existe una dependencia de los países productores de combustibles. Puede instalarse en zonas. Se puede utilizar en lugares de bajo consumo y en casas ubicadas en zonas rurales donde no llega la red eléctrica general. Puede venderse el excedente de electricidad a una compañía eléctrica. Puede aumentarse la potencia mediante la incorporación de más células fotovoltaicas.

No es económicamente competitiva con otras energías actuales. Producción variable según el clima del lugar y época del año. Otro inconveniente es el rendimiento obtenido y el espacio de terreno ocupado por los elementos captadores: el rendimiento final se estima en solo un 13%(Jiménez 2002).

Tabla 1 Ventajas y desventajas de la energía solar

1Fuente: Jiménez C.B.E.,(2002).La contaminación ambiental en México. Editorial Limusa.

En la tabla 1 se resume la investigación de la energía solar que se lleva a cabo en diferentes países. El futuro de la energía solar depende de estas investigaciones; por mencionar sólo un ejemplo del avance logrado, en los últimos años el costo de las celdas solares ha disminuido en un facto de diez.

Cambio climático

La energía es una de las riquezas más importantes que puede tener una persona. Las implicaciones económicas y sociales que ésta tiene en el desarrollo de un país, han generado que sea un factor primordial a considerar por los gobiernos. Por ello es importante salvaguardar la seguridad energética en todos los países del mundo. A lo largo de la historia, los combustibles fósiles han sido la principal fuente de energía. Si esta tendencia se mantiene, estimaciones de la OCDE proyectan que para el año 2050 la demanda total de combustibles fósiles aumentara de 80%.(Agencia Internacional de Energía. Energy Technology Perspective 2008. IEA. Pag. 113.)

Asimismo, los combustibles no fósiles representaran el 16% de la demanda en 2050, disminuyendo su participación del 19% que tenían en 2005.

Dado que los combustibles fósiles seguirán siendo los principales insumos dentro de la oferta, los países deben estar conscientes de que se necesita asegurar, tanto el suministro de estas fuentes, como instrumentar varias medidas para disminuir las emisiones de bióxido de carbono. Se calcula que la demanda mundial de energía crecerá un 44% en los próximos 25 años, lo que impactará significativamente el crecimiento de las emisiones de gases de efecto invernadero asociados al cambio climático.(International Energy Outlook 2009. Energy Information Administration. E.U.A Mayo de 2009)

Los factores determinantes de los patrones de emisiones de estos gases por generación y uso de energía son principalmente el crecimiento de la población, el crecimiento económico, la intensidad energética y las mezclas de combustibles fósiles que se utilizan. Si se sigue con esta tendencia se estima que en los próximos 30 años, el mundo emitirá casi tres cuartas partes de lo que ha emitido durante los últimos 250 años, por lo que el reto consiste en desacoplar el incremento de las emociones de gases de efecto invernadero del crecimiento económico (Martinez 2009).

Aplicaciones de la energía solar

Las tecnologías para el aprovechamiento solar son muchas y muy variables. Las tecnologías termodinámicas tienen como propósito capturar la energía mecánica o eléctrica. Como resultado de la absorción de la energía de los fotones que inciden sobre materiales semiconductores, los sistemas fotovoltaicos convierten directamente la energía solar captada en energía eléctrica al generar portadores móviles de carga eléctrica. La conversión fotoquímica se refiere a las tecnologías que producen energía química libre a partir de la radiación solar. Los procesos termoiónicos aprovechan le emisión calorífica directamente en electricidad. Los dos primeros grupos de tecnologías han sido los más estudiados y en los que se ha logrado un mayor desarrollo.

Generalmente es utilizado en zonas exclusivas de la red de distribución eléctrica o de difícil acceso a ella, pudiendo trabajar de forma independiente o combinada con sistemas de generación eléctrica convencional. Sus principales aplicaciones son la electrificación de sistemas de bombas de agua, repetidores de tv y teléfono, la electrificación de edificios asilados, alumbrado público etc. Esta solución es la que está generando actualmente el mayor desarrollo de esta energía, ya que se vende a la red.

Radiación solar

El sol es una estrella en cuyo interior tiene lugar una serie de reacciones que producen una pérdida de masa que se transforma en energía. Esta energía liberada del sol se transmite al exterior mediante la denominada radiación solar.

La intensidad de la radiación solar que llega a la parte exterior de la atmosfera depende de la distancia entre la tierra y el sol. Esa distancia no es constante, si no que el curso de la órbita de nuestro planeta describe una trayectoria elíptica y su longitud varía.

La radiación solar alcanza los niveles más altos antes y después del mediodía. Las nubes, la lluvia y la contaminación atmosférica como partículas y ozono absorber el UV y disminuyen su intensidad del suelo.

Efecto fotovoltaico

Las celdas solares convierten directamente la luz solar en electricidad, debido al efecto fotovoltaico. La luz compuesta de fotones con diferentes energías. Cuando un fotón con energía suficiente choca con un átomo de algún material. Si en lugar de uno son varios los electrones que circulan libremente, puede producirse una corriente eléctrica bajo ciertas condiciones y, por lo tanto, puede generarse electricidad a partir de energía solar.

Para producir un efecto fotovoltaico se utilizan materiales semiconductores, es decir, aquellos que no son buenos conductores de la electricidad, como el cobre y la plata, y que tampoco sean buenos aislantes, como el corcho o la cerámica. En los materiales semiconductores existe una región que separa a lavanda de valencia, en la cual los electrones están ligados al núcleo atómico, de la banda de conducción, en la que los electrones pueden circular libremente. Dicha región se denomina banda prohibida.

En los materiales aislantes esta es mayor de 5 eV (electron-volt) y en los semiconductores como el silicio es de 1.1 eV. Para lograr la conducción se requiere que los electrones de la banda de valencia pasen a la conducción, y una forma de lograrlo es que los fotones de los rayos solares proporcionen la energía que se requiere para que los electrones salten la banda prohibida (Moro 2010).

Al juntar un semiconductor tipo n con un tipo p, se presenta el efecto fotovoltaico, es decir, habrá un flujo de huecos hacia el lado del semiconductor n y uno de electrones hacia el lado del semiconductor p.

Los fotones provenientes del Sol llegan a la celda solar y la radiación absorbida generara electrones en la banda de conducción y huecos en la valencia. Con ello, se genera una corriente eléctrica del lado positivo al negativo y habrá un voltaje. De esta forma, si se conecta una resistencia entre los dos electrodos se presentará un flujo de corriente.

En resumen, cada celda solar tiene tres capas y dos electrodos. La capa que está expuesta al Sol debe aprovechar al máximo la radiación solar por unidad de área y por razón al electrodo negativo está formado por pequeñas tiritas de un material conductor.

Descripción de los sistemas fotovoltaicos

Un sistema fotovoltaico es el conjunto de componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos que concurren para captar la energía disponible y transformarla en utilizable como energía eléctrica. Estos sistemas independientemente de si utilización y del tamaño de potencia, pueden realizarse instalaciones de electrificación autónoma o interconectados o la red, además de otras aplicaciones más específicas. (Casas 2012).

Por el caso de las instalaciones de electrificación autónoma, estas instalaciones tienen una total autonomía energética y se construyen especialmente un lugares en que, por motivos económicos, técnicos y medioambientales, no es posible llegar a la red de distribución eléctrica, asimismo para las instalaciones interconectadas a la red eléctrica, distinguimos dos tipos de instalaciones, aquellas que aprovechan la energía producida por el propio edificio e inyectan la sobrante a la red de distribución eléctrica y los que inyectan y aprovechan de ella para su propio consumo.

Tecnología fotovoltaica

La tecnología fotovoltaica se aplica utilizando materiales sólidos, especialmente en los materiales semiconductores, en donde se han encontrado eficiencias aceptables de conversación de energía luminosa o eléctrica, Existen diferentes materiales semiconductores con los cuales se puede elaborar celdas solares per el que utiliza comúnmente es el silicio en sus diferentes formas de fabricación.

Las celdas están hechas de un solo cristal de silicio de muy alta pureza. La eficiencia de estos módulos ha llegado hasta el 18%. Los módulos con estas celdas son los más maduros del mercado. Proporcionando con esto confiabilidad en el dispositivo de tal manera que algunos fabricantes los garantizan hasta por 25 años.

Características de los paneles solares

Los paneles solares fotovoltaicos se definen con un conjunto de parámetros expresado en las condiciones denominadas NOCT (temperatura de operación nominal de la célula) o por las condiciones STC (Condición de Prueba Estándar), cuyos valores característicos son los de la siguiente tabla ver tabla2:

Tabla 2Condiciones de operación de los módulos fotovoltaicos

Condiciones NOCT STC

Irradiación 800 W/m² 1000 W/ m²

Distribución espectral AM 1,5

Temperatura 20°C 25°C

Velocidad del viento 1 m/s

Fuente: 1CIE-UNAM

Los datos expresados en STC se consideran de ensayo y los datos NOCT son típicos de operación. Respecto de los parámetros eléctricos que definen los paneles o en módulos fotovoltaicos, los fundamentales son los siguientes:

Potencia Máxima nominal: Su valor queda especificado por una pareja de valores Imp y Vmp cuyo producto es máximo.

Voltaje máximo potencia: Valor de la tensión cuando el panel está suministrando la máxima intensidad de corriente. La tensión del panel presenta una variación inversamente proporcional a la temperatura de las células, sin que tal condición provoque cambio en la corriente de salida.

Corriente de máxima potencia: Corriente suministrada a la potencia máxima. Se considera este parámetro el representativo de la corriente nominal. La corriente proporcionada por el modulo fotovoltaico es directamente proporcional a la energía solar recibida, con escasa repercusión de la tensión de salida si la temperatura es constante.

RESULTADOS

Con la elaboración e implementación de estos paneles solares, se estima que sea más económico y de fácil instalación para el usuario. Además de disminuir el consumo y gasto de energía eléctrica, apoyando tanto personal y social, ya que esta energía es limpia o energía verde.

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