Cómo funcionan las celdas fotovoltaicas: origen, componentes, funcionamiento y tipos, Apuntes de Química Aplicada

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Universidad Autónoma de Yucatán

Facultad de Ingeniería UADY

Química I

Celdas Fotoeléctricas

ÍNDICE

• Introducción.......................................................................................................................................
• Celdas fotoeléctricas..........................................................................................................................
  • ¿Qué son?.......................................................................................................................................
  • Origen.............................................................................................................................................
  • Componentes, funcionamiento y generación de energía...............................................................
  • Usos................................................................................................................................................
  • Tipos de celdas eléctricas...............................................................................................................
  • Ventajas y desventajas de la obtención de energía........................................................................
  • Energía producida en el mundo y vida media................................................................................
• Conclusión..........................................................................................................................................

naturaleza de la luz y el efecto fotoeléctrico, en el cual está basada la tecnología fotovoltaica. El primer módulo fotovoltaico fue construido en la sede de los Laboratorios Bell, Murray Hill; Nueva Jersey, en 1954. Fue descrito como una batería solar y era más que nada un lujo, ya que resultaba demasiado costoso como para justificar su utilización a gran escala. En los años 60’s la única industria en hacer uso de estos costosos artefactos era la industria aeroespacial, la cual hizo uso de esta tecnología para proveer de energía a las naves espaciales (UDLAP, s.f)

Componentes, funcionamiento y generación de energía

La luz de nuestro Sol está compuesta por partículas elementales llamadas fotones, los cuales no tienen masa pero sí tienen propiedades electromagnéticas, y una de éstas es que cuando éstas colisionan con un metal a ciertas frecuencias éstas desprenden uno de los electrones del átomo del metal La UDLAP (s.f) nos da un resumen bastante entendible de cómo funcionan las celdas solares y cómo generan energía: Las celdas solares están hechas de la misma clase de materiales semiconductores, tales como el silicio. Para las celdas solares, una delgada rejilla semiconductora es especialmente tratada para formar un campo eléctrico, positivo en un lado y negativo en el otro. Cuando la energía luminosa llega hasta la celda solar, los electrones son golpeados y sacados de los átomos del material semiconductor. Si ponemos conductores eléctricos tanto del lado positivo como del negativo de la rejilla, formando un circuito eléctrico, los electrones pueden ser capturados en forma de una corriente eléctrica, es decir, en electricidad. La electricidad puede

entonces ser usada para suministrar potencia a una carga, por ejemplo para encender una luz o energizar un equipo eléctrico, lo más común es que toda esta energía sea almacenada en baterías o acumuladores que después la reparten a los aparatos eléctricos que requiramos de su uso. Varios módulos pueden juntarse para formar un arreglo. Se puede decir que cuanto más grande sea el área del módulo o del arreglo, más electricidad será producida. Los módulos y arreglos fotovoltaicos producen corriente directa (CD). Estos arreglos pueden ser conectados tanto en serie como en paralelo para producir cualquier cantidad de voltaje o corriente que se requiera (UDLAP, s.f) Una función importante del encapsulado en los módulos es que las celdas puedan quedar protegidas para que operen bajo condiciones de climas cambiantes. o de posibles daños mecánicos producidos por aves, polvo o piedras. El encapsulado proveerá suficiente rigidez para sujetar a las celdas y sus interconexiones. También tiene la función de aislar eléctricamente a las celdas respecto a posibles rupturas dieléctricas. Para los adhesivos encapsulantes y capas intermedias se utilizan resinas de silicón que tienen excelente estabilidad ante la radiación ultravioleta, baja absorción de la luz visible. y son suficientemente elásticas para reducir los esfuerzos térmicos en el módulo. Reguladores de energía. La función primaria de un controlador de carga en un sistema fotovoltaico es proteger a la batería de sobrecargas y descargas profundas. Cualquier sistema fotovoltaico que esté expuesto a cargas impredecibles, Intervención del usuario cualquier característica que haga suponer sobrecargas y descargas profundas, requiere de un controlador de carga. Baterías. Las baterías almacenan la energía eléctrica generada por los módulos durante los periodos de sol. Normalmente. las baterías se utilizan durante las noches o periodos nublados. El intervalo que incluye un periodo de carga y uno de descarga. recibe el nombre de ciclo. Idealmente las baterías se recargan al 100% de su capacidad durante el período de

Tipos de celdas eléctricas

Valdés (2011) nos ilustra con la siguiente tabla los tipos de celdas eléctricas que existen, así como sus desventajas y ventajas en su uso: Anexo 1. Tipos de celdas fotoeléctricas

Ventajas y desventajas de la obtención de energía

Como todo lo que hay en el mundo también la energía producida por las celdas fotoeléctricas tiene ventajas y desventajas, a pesar de ser una energía limpia y sustentable cuenta con ciertos problemas los cuales hacen que la implementación de esta energía no sea tan rentable como otras energías limpias.

Ventajas:  La energía solar es renovable: Siempre que el sol exista dispondremos de la energía solar.  Es abundante: La tierra recibe 120 mil TW de radiación solar, veinte mil veces más que la energía total que necesita el mundo entero.  Amigable con el ambiente: No causa contaminación, sin embargo las granjas solares ocupan una gran extensión de espacio, no obstante, grandes potencias han empezado a crear islas flotantes de celdas solares para evitar el apoderamiento de espacio fértil.  Reduce costos de electricidad: El costo de la producción de energía limpia por medio de las celdas fotoeléctricas es muchísimo menor a la producción por medio del uso de recursos no renovables.  Es silencioso: Los sistemas de celdas fotoeléctricas son silenciosos y no causan ruido alguno.  Un futuro esperanzador: La innovación en nanotecnología y en física cuántica representan la esperanza que obtener hasta el triple de energía desde paneles solares cada vez más pequeños. Desventajas:  Extremadamente costosa: El costo depende de la cantidad de sol que puede captarse en determinada ubicación, el nivel de gasto y los hábitos de consumo a quienes se les proporciona este tipo de energía. Por ejemplo, la cantidad de consumo en EU no puede compararse al consumo que necesita un país de Latinoamérica.  Es intermitente: No se sabe cuanta radiación solar tendremos en un determinado momento. La nubosidad y la época de lluvia puede reducir su efectividad.  Almacenamiento costoso: Existen baterías y almacenadores de la energía solar, no obstante, esto resulta costoso para aplicaciones residenciales.  Materiales exóticos para la creación de celdas: Algunos paneles ocupan materiales raros en la naturaleza como los que usan telurio de cadmio o selenio galio indio y cobre.

Referencias

UDLAP. (s.f). Energía solar y sus propiedades. Puebla, México. Recuperado de: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/meie/martinez_h_d/capitulo1.pdf UDLAP. (s.f). Funcionamiento de las celdas solares. Puebla, México. Recuperado de: http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/meie/martinez_h_d/capitulo2.pdf Valdés, A. (2011). Celdas fotovoltaicas (Tesis de pregrado). Facultad de Ingeniería UNAM, CDMX, México. UNAM. (s.f). Celdas fotovoltaicas. CDMX, México. Recuperado de: http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/jspui/bitstream/132.248.52.100/624/4/A-4.pdf Novoa, Jenife. (2020). ANÁLISIS DE VIABILIDAD AMBIENTAL DE LA IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA DE LA FINCA CARDÓN DEL MUNICIPIO ICONOZO-TOLIMA (Tesis de pregrado). Universidad cooperativa de Colombia, Bogotá, Colombia. Programa de Sistemas de Energía Fotovoltaica de la Agencia Internacional de la Energía (2020). Snapshot of Global PV Markets 2020. Recuperado de: https://iea-pvps.org/ wp-content/uploads/2020/04/IEA_PVPS_Snapshot_2020.pdf