Post on 04-Jul-2015
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APROVECHAMIENTO DE LA ENERGIA SOLAR
FOTOVOLTAICA
GANADO RANGEL CELSO ANTONIO
RESENDIZ FLORES OLIVIA
VAQUERO BENITEZ LUIS FERNANDO
VELAZQUEZ ESQUIVEL KEVIN ANATOLIO
VITE ESPINOZA LEONARDO DANIEL
GRUPO 602
IXMIQUILPAN, HIDALGO. A 31 DE MAYO DE 2011
PRÓLOGO
La presente obra pretende que el lector haga conciencia y valore el contexto mundial
actual y los problemas de falta de recursos, proponer el uso de mecanismos que
proporcionen otras formas distintas de energía renovables no contaminantes y sobre todo
eficientes, en este caso el uso de celdas solares fotovoltaicas. La obra se realizada por la
necesidad de obtener energía eléctrica a base de un recurso que se dice “inagotable” que
se llama energía solar, la cual sería un factor clave de aprovechamiento en cualquier lugar
donde esté disponible y funcionando a la perfección este artefacto. El contenido de la obra
refleja la investigación constante y detallada de lo que implica el desarrollo del tema y su
relación con su contexto.
DEDICATORIA
A nuestros padres que por su gran esfuerzo que han hecho a lo largo de su vida han
trabajo arduamente para formar personas de bien y de estudio, que con su apoyo
podemos salir adelante y a Dios principalmente por sus bendiciones y su sabiduría.
INDICE
INTRODUCCION..................................................................................................................................7
1. ESTADO DEL ARTE......................................................................................................................2
1. OBJETO DE ESTUDIO...................................................................................................................9
1.1 Propósito de la investigación....................................................................................................9
1.2 Planteamiento del problema....................................................................................................9
1.3 Formulación de la hipótesis......................................................................................................9
2. MARCO TEÓRICO.........................................................................................................................10
2.2 El Efecto fotovoltaico.............................................................................................................10
2.3 Principio de funcionamiento de una celda solar....................................................................10
2.3.1 Proceso del efecto fotovoltaico...........................................................................................10
2.3.2 Efecto fotoeléctrico.............................................................................................................13
2.3.3 Interpretación del efecto fotoeléctrico...............................................................................13
2.3.4 Hipótesis de Einstein. Los fotones. Cuantificación de la energía.........................................14
2.3.5 Ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico......................................................................16
2.3.6 Aplicaciones de la célula fotoeléctrica.................................................................................16
2.3.7 Ondas materiales.................................................................................................................17
2.3.8 Relación entre la energía del fotón y la longitud de onda de la luz.....................................18
2.4 Celdas caseras; celdas solares de Cu2O..................................................................................20
4. PLAN DE TRABAJO........................................................................................................................21
4.1 Procedimiento para desarrollar el trabajo experimental.......................................................21
4.1.1 Materiales...........................................................................................................................21
4.1.2 Procedimiento.....................................................................................................................22
5. RECOPILACION DE DATOS............................................................................................................23
6. ANALISIS E INTERPRETACION DE LOS DATOS...............................................................................25
CONCLUSIONES................................................................................................................................27
FUENTES DE INFORMACIÓN.............................................................................................................28
APÉNDICE Y/ANEXOS.......................................................................................................................29
RESUMEN
La energía solar fotovoltaica es en la actualidad uno de los recursos renovables que
brindan una eficacia en la generación de energía eléctrica, tiene como Brindar
conocimientos actuales y herramientas que permitan el aprovechamiento de la energía
solar fotovoltaica frente a problemas específicos, en base al conocimiento teórico y
práctico, en forma experimental. Para poder llevar a cabo el proyecto es necesario llevar a
realizar una metodología experimental en la cual se manipularon variables como la energía
solar (independiente) y energía eléctrica (dependiente), las celdas solares fotovoltaicas
utilizan como materia prima láminas de cobre que quemándola produce acido cuproso que
actúa como un semiconductor, y una lámina no quemada, formando una especia de
emparedado entre estas placas existe una sustancia electrolítica hecha de gel más sal,
mencionando que el gel es 80% agua al reaccionar con la sal trabaja como sustancia
electrolítica capaz de transportar electrones en movimiento que representan energía
eléctrica, los fotones excitan a los electrones presentes en la capa de óxido cuproso,
habiendo pequeños saltos electrónicos que permiten que los electrones de desprendan del
elemento esto realizado en el llamado efecto fotovoltaico. En la parte experimental de la
metodología se aplicó lo investigado, la intención prender un led mediante la conexión en
serie de las celdas fotovoltaicas, es de mencionar que estas celdas no son muy eficientes
comparadas con las de silicio, como conclusión estamos muy satisfechos de los buenos
resultados obtenidos ya que producimos 0.70 V, cumpliendo con nuestro objetivo de
producir energía eléctrica.
INTRODUCCION
En el presente trabajo experimental se identifica el estado de arte en cual se menciona la
historia de las celdas fotovoltaicas tiene sus inicios desde la época de Alejandro Volta
quien definió el concepto fotovoltaico, cual ha sido su trascendencia a largo de sus
aplicaciones en la vida así como la eficiencia en la producción de energía eléctrica. El
propósito de la investigación es brindar conocimientos actuales y herramientas que
permitan el aprovechamiento de la energía solar fotovoltaica frente a problemas
específicos, en base al conocimiento teórico y práctico, en forma experimental, en este
caso la elaboración de celdas fotovoltaicas hechas del material de cobre, es necesario
definir cuál es el problema, ya que partiendo de este se manipularan las variables en el
experimento; ¿Cómo se genera energía eléctrica a partir del uso de celdas solares? La
hipótesis manejada; Las celdas solares son dispositivos semiconductores diseñados para
captar la radiación del sol en fotones donde los fotones ceden su energía produciendo un
desplazamiento de electrones dando lugar a la generación de energía eléctrica para su
aprovechamiento. Los conceptos básicos para su desarrollo parten del llamado
Efecto fotovoltaico: transformación parcial de la energía luminosa en energía eléctrica,
donde los fotones excitan a los electrones, desprendiéndose y formando electrones en
movimiento que dan lugar a la energía eléctrica para su aprovechamiento, para la
elaboración de las celdas solares es necesario contar con placas de cobre, una quemada
que actúa como semiconductor y otra no quemada, una positiva y otra negativa, utilizando
como sustancia electrolítica a gel con sal que forman agua más sal, capaces de
transportar a los electrones, la conexión en serie de estos dispositivos proporcionan
energía eléctrica comprobado mediante el uso de un multímetro.
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1. ESTADO DEL ARTE
La historia de las celdas fotovoltaicas tiene sus inicios desde la época de Alejandro
Volta quien definió el concepto fotovoltaico, ya después hasta 1839 por el físico
Alexandre Becquerel quien reconoció el efecto fotovoltaico.” En 1876, mientras
Adams y Day se hallaban experimentando con la conductividad de unas varillas de
selenio amorfo embebidas en hierro, descubrieron que se creaba una diferencia de
potencial cuando sus aparatos eran iluminados.” (Espluga, 2011)1 Pero la primera celda
fue construida hasta 1883 por Charles Fritts quien recubrió una muestra
de selenio semiconductor con un pan de oro para formar el empalme. Este primitivo
dispositivo presentaba una eficiencia de sólo un 1%. Russell Ohl patentó la célula solar
moderna en el año 1946, aunque Sven Ason Berglund había patentado, con anterioridad,
un método que trataba de incrementar la capacidad de las células fotosensibles.
“Luego, Albert Einstein describió lo que era el efecto fotoeléctrico, en el cual se
basa hoy la tecnología fotovoltaica, por dicho trabajó consiguió el premio Nobel de física.”
(celdas fotovoltaicas, 2011)1 Con toda esta información, conocimientos y avances, los
Laboratorios Bell crearon el primer módulo fotovoltaico en 1954 apareciendo allí las
primeras celdas fotovoltaicas; como su fabricación era bastante costosa y en aquella
época el precio resultaba algo injustificado, la producción de celdas fotovoltaicas decayó
hasta 1960 se describió que existían materiales semiconductores de silicio que al ser
contaminados intencional se volvían extremadamente sensibles a la luz, es con esos
materiales que se construyó una celda de mayor eficiencia, de aquí en adelante se inició
la carrera por la mejora de las celdas.
Fue en este año en donde la industria espacial comenzó a hacer uso de esta
tecnología para conseguir energía eléctrica y distribuirlas luego a bordo de sus naves; fue
3
a través de los programas espaciales que los científicos y técnicos pusieron énfasis en la
energía solar y sus beneficios; cuando su uso alcanzó un alto grado de confiabilidad, se
pudo lograr una reducción en los costos.
Con el descubrimiento de los semiconductores, entonces se buscó la manera de
mejorar las células solares lo cual provoco la creación de la primera célula comercial la
cual tenía un 16% de aprovechamiento, la URSS en el lanzamiento de un satélite el cual
poseía estas células un año después fueron los estados unidos quienes incorporaron
estas células en sus satélites. En el diseño de éste se usaron células solares creadas
por Peter Iles en un esfuerzo encabezado por la compañía Hoffman Electronics.
En 1970 la primera célula solar con heteroestructura de arseniuro de galio (GaAs)
y altamente eficiente se desarrolló en la extinta URSS por Zhore Alferov y su equipo de
investigación.
“La producción de equipos de deposición química de metales por vapores
orgánicos o MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), no se desarrolló hasta
los años 80 del siglo pasado, limitando la capacidad de las compañías en la manufactura
de células solares de arseniuro de galio. La primera compañía que manufacturó paneles
solares en cantidades industriales, a partir de uniones simples de GaAs, con una
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eficiencia de AM0 (Air Mass Zero) del 17% fue la norteamericana ASEC (Applied Solar
Energy Corporation). La conexión dual de la celda se produjo en cantidades industriales
por ASEC en 1989, de manera accidental, como consecuencia de un cambio del GaAs
sobre los sustratos de GaAs a GaAs sobre sustratos de germanio.
En una muestra de metal, los electrones exteriores de sus átomos, denominados
electrones de valencia pueden moverse libremente. Se dice que están des localizados en
regiones del espacio que ocupan toda la red cristalina, como si de una malla se tratase.
En términos energéticos esto quiere decir que los electrones de la última capa del átomo
ocupan niveles de energía altos que les permite escaparse del enlace que les une a su
átomo”(Wikipedia, 2011).
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El conjunto de estos niveles, muy próximos unos de otros, forman parte de la
llamada banda de conducción (en adelante BC). Esta banda está formada, además, por
niveles de energía vacíos y es, precisamente, la existencia de estos niveles vacíos la que
permite que los electrones puedan saltar a ellos cuando se les pone en movimiento, al
aplicar un campo eléctrico. Precisamente esta circunstancia permite que los metales sean
conductores de la electricidad.
Los demás electrones del átomo, con energías menores, forman la banda de
valencia (BV). La distancia entre ambas bandas, en términos de energía, es nula. Ambas
bandas se solapan de manera que los electrones de la BV con más energía se
encuentran, también, en la BC.
En las sustancias aislantes, la BC está completamente vacía porque todos los
electrones, incluidos los de la última capa están ligados al átomo, tienen una energía más
baja, y por lo tanto se encuentran en la banda de valencia, y además la distancia entre las
bandas (se denomina a esta distancia energética banda prohibida, o gap) es bastante
grande, con lo que les es muy difícil saltar a la BC. Como la BV está llena, los electrones
no pueden moverse y no puede haber corriente eléctrica al aplicar un voltaje entre los
extremos del aislante.
En los semiconductores, las bandas de valencia y conducción presentan una
situación intermedia entre la que se da en un conductor y la que es normal en un aislante.
La BC tiene muy pocos electrones. Esto es debido a que la separación que hay entre la
BV y la BC no es nula, pero si pequeña. Así se explica que los semiconductores
aumentan su conductividad con la temperatura, pues la energía térmica suministrada es
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suficiente para que los electrones puedan saltar a la banda de conducción, mientras que
los conductores la disminuyen, debido a que las vibraciones de los átomos aumentan y
dificultan la movilidad de los electrones.
Lo interesante de los semiconductores es que su pequeña conductividad eléctrica
es debida, tanto a la presencia de electrones en la BC, como a que la BV no está
totalmente llena.
El avance en la tecnología provoco que en el mundo, se buscara la mejora y la
búsqueda de una mejor forma para el aprovechamiento de la energía producida por el sol,
ya que hasta después de 1954 solo se tenía un aprovechamiento de un 16% es entonces
que de aquí en adelante se buscó mejorar esta tecnología, ya que la utilización de esto es
de gran utilidad para las nuevas tecnologías.
La tecnología solar que más se ha desarrollado ha sido el fotovoltaico sin
concentración, debido a su enorme flexibilidad en su uso, pues los módulos de celdas
solares fotovoltaicas pueden ser usados en arreglos que comprendan desde un solo
módulo de unas cuantas decenas de W de potencia hasta sistemas mayores al MW, sin
que varíe el rendimiento y sin que se modifique notablemente el precio por W instalado,
pues existen inversores de corriente desde unas decenas de W hasta decenas de MW de
potencia disponibles en el mercado. Sin embargo debido a la relativa poca densidad de
potencia solar disponible durante el día, es importante para disminuir el costo relativo de
la estructura de soporte de las celdas el que su rendimiento para aplicaciones de potencia
superior a 100 W, que el rendimiento de las celdas sea superior al 10 % y de que su vida
sea superior a los 20 años, sin que el rendimiento disminuya más del 10 %. Actualmente
solo las celdas de silicio mono-cristalino y poli-cristalino cumplen estas condiciones. Las
celdas de silicio mono-cristalino suelen tener una garantía de 25 años, las de poli-cristal
20 años las de película delgada solo tienen garantizada hasta ahora una vida de 10 años,
pero una pequeña empresa francesa-holandesa, la Free Energy Europe produce desde
1985 celdas de silicio amorfo que han demostrado durar más de 20 años y tener durante
el día una eficiencia tan buena como las celdas cristalinas. Las celdas de pigmentos
sensibles, que tienen un potencial de costo extremadamente bajo y con procesos de
7
producción muy simples no están a punto todavía para su utilización comercial.
El mercado fotovoltaico ha crecido a una tasa anual del 25 % en los últimos 25
años, acelerándose en los últimos seis, ahora la producción crece en promedio el 31 % al
año. En 2004 se superó la producción de 1 GW al año, dominando el mercado las poli-
cristalinas provenientes de varias tecnologías básicas de producción incluso la obtención
de listones en forma continua de hasta 10 cm de ancho que posteriormente son cortados
en rectángulos de hasta 20 cm de largo por medio de láser. Esta última tecnología permite
un importante ahorro de silicio ultra-puro y en el verano de 2006 estará lista en Alemania
una fábrica de dicho tipo de celdas con tecnología norte americana de Aberreen y capital
alemán de Q-Cells con una capacidad de 30 MW al año y planes de crecer
posteriormente a 120 MW. Desde el punto de vista del modo de utilización, en los últimos
cuatro años el uso de celdas fotovoltaicas interconectadas a la red eléctrica, tanto en uso
para industrias o comercios, como para hogares, ha crecido un 60 % al año.
“En los últimos tres años ha habido verdaderos saltos, tanto teóricos como
técnicos en el fotovoltaico, gracias a los materiales derivados de la nano-tecnología,
sobresalen los trabajos de Richard Schaller y Victor Klimev de los Alamos National
Laboratorys que podrían llevar a la producción a nivel laboratorio de celdas fotovoltaicas
basadas en nano cristales con 60 % de rendimiento y del grupo de Arthur Nozik del
National Renewable Energy Laboratory que, utilizando materiales con nano-puntos de
PbSe y de PbS que permiten rendimientos cuánticos del 300 % , es decir la producción de
tres electrones a partir de un solo fotón de alta energía en un proceso llamado
“generación múltiple de exitones”, obteniendo 65 % de rendimiento a nivel laboratorio, que
probablemente se traducirá en la producción a nivel industrial de celdas con un 30 %
dentro de unos 10 a 15 años. También ha habido desarrollos casi equivalentes en los
laboratorios japoneses, obteniendo celdas con rendimientos superiores al 50 %. Eso
probablemente de una ventaja casi decisiva a la energía solar fotovoltaica frente a otras
fuentes renovables, cuando menos abajo de los 45° de latitud, salvo en lugares con
vientos extraordinarios.
Por otra parte la tecnología de encapsulado de las celdas ha seguido avanzando,
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abaratándose y mejorando su resistencia frente a la intemperie.
La producción de paneles fotovoltaicos llegó a 1700 MW en el 2005, si el
crecimiento promedio histórico del 31 % al año se mantiene y el costo por Watt instalado
sigue bajando al 5 % al año muy pronto muchas personas considerarán normal instalar
sobre los techos de sus hogares celdas solares fotovoltaicas, en lugar de confiar en las
empresas eléctricas, sobre todo para garantizar el suministro a los sistemas críticos.
Ningún sistema de generación eléctrica crece tan rápido como el fotovoltaico.” (Magar, fis.
Roger, 2011)3
1. Espluga. (2004). Celdas fotovoltaicas. Extraído el 30/05/11 en
http://www.angelfire.com/electronic2/electronicaanalogica/celda.html
2. Energía solar. (2006). Celdas fotovoltaicas. Extraído el 30/05/11 en
http://www.instalacionenergiasolar.com/energia/celdas-fotovoltaicas.html
3. Magar, Fis. Roger.(2007-2008). Sobrevivencia. Extraído el 30/05/11
http://sobrevivencia.org/index.php?ind=reviews&op=entry_view&iden=11
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1. OBJETO DE ESTUDIO
1.1 Propósito de la investigaciónBrindar conocimientos actuales y herramientas que permitan el aprovechamiento
de la energía solar fotovoltaica frente a problemas específicos, en base al
conocimiento teórico y práctico, en forma experimental.
1.2 Planteamiento del problema¿Cómo se genera energía eléctrica a partir del uso de celdas solares?
1.3 Formulación de la hipótesisLas celdas solares son dispositivos semiconductores diseñados para captar la
radiación del sol en fotones donde los fotones ceden su energía produciendo un
desplazamiento de electrones dando lugar a la generación de energía eléctrica
para su aprovechamiento.
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2. MARCO TEÓRICO2.1 Las celdas fotovoltaicas
Las celdas fotovoltaicas son elementos que producen electricidad al incidir la luz sobre su
superficie. La fuente de luz utilizada generalmente es el sol, considerando su costo
marginal nulo. Estas celdas también son conocidas como baterías solares, fotopilas o
generadores helio voltaicos.
2.2 El Efecto fotovoltaicoEfecto fotovoltaico: transformación parcial de la energía luminosa en energía eléctrica. La
primera célula solar fue fabricada por Charles Fritts en 1884. Estaba formada por selenio
recubierto de una fina capa de oro.
2.3 Principio de funcionamiento de una celda solarLa forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la
luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia
del potencial entre las capas. Este voltaje es capaz de conducir una corriente a través de
un circuito externo de modo de producir trabajo útil. La parte más importante de las celdas
solares son las capas de semiconductores.
2.3.1 Proceso del efecto fotovoltaicoDesde el punto de vista eléctrico, el “efecto fotovoltaico” se produce al incidir la radiación
solar (fotones) sobre los materiales definidos como semiconductores extrínsecos. La
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energía que reciben estos provenientes de los fotones, provoca un movimiento caótico de
electrones en el interior del material.
Al unir dos regiones de un semiconductor al que artificialmente se había dotado de
concentraciones diferentes de electrones, mediante los elementos que denominábamos
dopantes, se provocaba un campo electrostático constante que reconducía el movimiento
de electrones. Recordemos que este material formado por la unión de dos zonas de
concentraciones diferentes de electrones la denominábamos unión PN, pues la célula
solar en definitiva es esto; una unión PN en la que la parte iluminada será la tipo N y la no
iluminada será la tipo P.
De esta forma, cuando sobre la célula solar incide la radiación, aparece en ella una
tensión análoga a la que se produce entre las bornas de una pila. Mediante la colocación
de contactos metálicos en cada una de las caras puede “extraerse” la energía eléctrica,
que se utilizará para alimentar una carga.
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Para que se produzca el efecto fotovoltaico debe cumplirse que:
Por otro lado y dando
una explicación desde
un punto de vista
cuántico, su
funcionamiento se basa
en la capacidad de
transmitir la energía de
los fotones de la
radiación solar a los
electrones de valencia
de los materiales semiconductores, de manera que estos electrones rompen su enlace
que anteriormente los tenía ligado a un átomo. Por cada enlace que se rompe queda un
electrón y un hueco (falta de electrón en un enlace roto) para circular dentro del
semiconductor. El movimiento de los electrones y huecos en sentidos opuestos
(conseguido por la existencia de un campo eléctrico como veremos posteriormente)
genera una corriente eléctrica en el semiconductor la cual puede circular por un circuito
externo y liberar la energía cedida por los fotones para crear los pares electrón-hueco. El
campo eléctrico necesario al que hacíamos referencia anteriormente, se consigue con la
unión de dos semiconductores de diferente dopado, como vimos al principio de esta
sección: Un semiconductor tipo P (exceso de huecos) y otro tipo N (exceso de
electrones). Que al unirlos crea el campo eléctrico E.
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2.3.2 Efecto fotoeléctrico
Se llama efecto fotoeléctrico al proceso de emisión de electrones en la superficie de un
metal alcalino cuando inciden sobre él las radiaciones de la luz (visibles y ultravioletas).
Las características de la emisión fotoeléctrica referida a un metal son:
La emisión de electrones es instantánea al incidir la luz sobre el metal.
El aumentar la intensidad luminosa se incrementa el número de electrones
emitidos, pero no la velocidad de salida.
La velocidad de los electrones emitidos solo depende de la frecuencia de la
radiación incidente.
Para cada metal existe una cierta frecuencia umbral, por debajo de la cual no se
produce emisión fotoeléctrica.
2.3.3 Interpretación del efecto fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico es un fenómeno general, pero las experiencias citadas del cinc y
del metal alcalino indican que la emisión de los electrones depende de la frecuencia de la
luz excitatriz. Cuando se someten los metales a la acción sucesiva de las radiaciones
luminosas, desde la radiación ultravioleta hasta las infrarrojas, se comprueba que un
metal determinado el efecto fotoeléctrico se produce cuando la frecuencia de la radiación
es superior a un valor límite que se llama umbral fotoeléctrico.
Se ha podido comprobar que las partículas emitidas por los metales tienen la carga y la
masa de los electrones e- y son iguales cualquiera que sea el metal empleado en la
experiencia.
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2.3.4 Hipótesis de Einstein. Los fotones. Cuantificación de la energía
El efecto fotoeléctrico, descubierto por Hertz en 1887, demuestra que la energía luminosa
transportada por las radiaciones que inciden en el metal se transforma en energía
mecánica. Parte de esa energía mecánica se emplea en arrancar los electrones de la
superficie del metal y parte se transforma en energía cinética de los electrones que salen
expulsados con una velocidad (v).
La teoría ondulatoria de la luz no explica suficientemente el efecto fotoeléctrico ya que
según esta teoría, la energía luminosa transportada por una radiación. Sin embargo, se ha
dicho antes, que el umbral fotoeléctrico depende de la frecuencia de la radiación
excitatriz, y la mayor o menor iluminación del metal influye en el número de electrones
impulsados, pero no en la velocidad que adquieren.
De aquí que se buscara una explicación del fenómeno fotoeléctrico partiendo de la teoría
de los quanta por el físico Alemán Marx Planck (1858 - 1947) en el año 1900. Según esta
teoría la energía transportada por una radiación de frecuencia (f) es siempre un múltiplo
entero del producto (h x f) donde (h) representa una constante universal que vale, en el
S.I., h = 6,62 x 10 -34 Joules.s.
El, producto (h x F) constituye el cuanto de energía, es decir, la menor cantidad de
energía que se puede obtener en una radiación de frecuencia (f): es como un átomo o
grado de energía. Esto llevo a Einstein a replantear nuevamente la teoría corpuscular de
la luz debido a Newton, diciendo que la luz consta de pequeños cuantos o gramos de
energía, a los que llamó fotones.
Cada fotón de una radiación (luminosa) de frecuencia (f) transporta una energía.
E = h x f
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Siendo:
E: Energía del fotón
h: Constante universal, llamada constante de Planck; su valor es 6,63x10 -34 joules
f: Frecuencia de la radiación
Se observa que según ésta ecuación:
La energía radiante, tal como la luz, se propaga en paquetes de energía, cuyos
tamaños son proporcionales a la frecuencia de la radiación.
La energía ha de ser absorbida o emitida por cuantos completos, no siendo
admisibles fracciones del cuanto.
En definitiva la energía, igual que la materia, presenta una estructura discontinua. A partir
de la teoría de Planck, todas las energías están permitidas, sino sólo aquellas que sean
múltiples de (h).
La hipótesis de Planck ha sido confirmada y es una de las más fructíferas de toda la
Física; la cual fue presentada en un Congreso de Berlín. Esta hipótesis, se basó en las
radiaciones emitidas por cualquier fotón luminoso, indicando que no son un flujo continuo
de ondas luminosas, sino una corriente de fotones individuales.
El Fotón se puede definir así:
Un fotón es la unidad de radiación electromagnética con una longitud de onda y una
frecuencia determinada, que posee una cierta cantidad de energía llamada “cuanto de
energía”.
16
2.3.5 Ecuación de Einstein del efecto fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico explica fácilmente a partir de la hipótesis fotónica de la luz.
Al llegar a la superficie del metal, un fotón de frecuencia (f) correspondiente a la radiación
lumínica, choca con un átomo y le arrancará un electrón si la energía del fotón (E = h x f)
es mayor que el trabajo o energía de extracción del electrón (Eo)
La deferencia E - Eo entre la energía del fotón y la energía de extracción se convierte en
energía cinética del metal expulsando con una velocidad (v). Por tanto:
E - Eo = ½ m v2, Es decir: E = Eo + ½ m v2
La energía del fotón (E) se emplea en arrancar el electrón del metal y comunicarle una
energía cinética.
La energía correspondiente al valor del umbral fotoeléctrico (fo) será:
h x fo = Eo
EL efecto fotoeléctrico se produce cuando la energía de la radiación es igual o mayor que
el umbral fotoeléctrico.
La frecuencia (f) en este caso, debe ser igual o mayor que (fo), frecuencia límite: fo =
Eo/h, por debajo de la cual no es disponible obtener el efecto fotoeléctrico en el metal
cuya energía de extracción vale Eo.
2.3.6 Aplicaciones de la célula fotoeléctrica
Las células fotoeléctricas se pueden fabricar sensibles a la luz visible y a la luz invisible
cono los rayos infrarrojos. Esto permite un uso muy variado en la industria, en los
laboratorios y en la vida cotidiana. Entre esas múltiples aplicaciones tenemos:
17
2.3.7 Ondas materiales
En 1824, el físico francés Luis de Broglie sugirió la idea que la naturaleza dual de la luz
ondacorpúsculo evidencia al mismo tiempo la naturaleza ondulatoria de todas las
partículas elementales. Al poner Einstein la equivalencia entre masa y energía (E = c x
m2) postulada que en todo sistema mecánico las onda33s están asociadas con las
partículas materiales.
En su forma actual, ésta teoría se conoce con el nombre de mecánica ondulatoria. Así
como las leyes de la mecánica clásica de Newton son indispensables para poder explicar
el comportamiento de los cuerpos macroscópicos, la mecánica ondulatoria es esencial
cuando se estudian masas de dimensiones atómicas y subatómicas.
Así, una partícula radiante m que se desplaza con la velocidad v posee una cantidad de
movimiento p. Dicha cantidad de movimiento viene dada por la ecuación:
P = m x v
En el caso del fotón, aunque se considera que no tiene masa se ha visto que posee
impulsos o cantidad de movimiento al estudiar el choque de fotones con electrones.
Llamemos p la cantidad de movimiento de un fotón de frecuencia f y de energía E = h x
f.......... (1).
Por la equivalencia de Einstein entre masa y energía, E = m x c2 escribimos E=mxcxc.
Como m x c = p puede escribirse que: E = p x c............ (2).
Al igualar las ecuaciones (1) y (2) resulta que: h x f = p x c.......... (3).
Por otra parte, se sabe que c = f que al sustituir lo de (3) queda: h x f = p, luego h = p, de
donde al despejar resulta:
& = h/p.............. (4).
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&: Longitud de onda del fotón.
h: Es un factor de personalidad llamado constante de Planck y cuyo valor es 6,63x10 -34
J.s
p: Es la cantidad de movimiento.
Esta ecuación (4), conocida por la relación de Broglie, relaciona la longitud de onda de un
fotón en función inversa de la cantidad de movimiento del mismo.
Se supone que una partícula radiante de una masa m y velocidad v; posee una energía E
y una cantidad de movimiento p = m x v. La longitud de onda asociada a la partícula se
obtiene de la relación de Broglie.
& = h/p como p = m x v; queda que: & = h/m x v............... (5)
Según (5), cuanto más de prisa se nueve la partícula, menos es la longitud de onda que
lleva asociada.
2.3.8 Relación entre la energía del fotón y la longitud de onda de la luz
La relación entre la energía del fotón y la longitud de onda de la correspondiente luz
puede deducirse del modo siguiente:
Es de conocerse que: & = c/v
Si se multiplica el numerador y el denominador por h resulta:
c h . c
& = -------- = ------------- de donde h x v = Efotón
v h . v
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Quedando que:
h x c
& = -------------
Efotón
Se evalúa h x c, sustituyendo la constante de Planck h y la velocidad de la luz c.
h x c = (6.63 x 10 -34 joules.s) x (3 x 10 8 m/s) = 1.98 x 10 -25 joules.m
Transformando los joules-m a eV-metro
Sabiendo que 1m = 10 10 angstroms
1 joule = 6,25 x 10 18 eV; luego
h x c = (1,98 x 10 -25 J.m) x (10 10 A) x (6,25 x 10 18 eV/J)
h x c = 1,2375 x 10 4 eV-angstrom.
Esto significa que la longitud de onda en angstroms será:
1,2375 x 10 4 eV-angstrom
& = -----------------------------------------------------
E
Donde E es la energía del fotón en electrón-voltio, por lo que la energía en electrón-voltio
de un simple fotón de longitud de onda & (lambda) medida en angstroms, viene dada por:
& x E = 12375 electrón-voltio-angstroms.
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2.4 Celdas caseras; celdas solares de Cu2OEl óxido cuproso u óxido de cobre (I) [Cu2O] es un sólido marrón-rojizo insoluble en agua
y solventes orgánicos, es uno de los primeros materiales con los que se puso en
evidencia el efecto fotovoltaico.
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4. PLAN DE TRABAJO
4.1 Procedimiento para desarrollar el trabajo experimentalPara la comprobación de la hipótesis de acuerdo a lo planteado, el equipo diseñó y
desarrolló celdas fotovoltaicas, para sustentar el proyecto, a partir del diseño original y de
la creación de las mismas como se muestran a continuación.
Es fundamental identificar cuáles son los reactivos o variables independientes los cuales
van a generan productos que aplicados a nuestro tema nos brindan un aprovechamiento
de la energía eléctrica producida, que en esencia, es la idea central del proyecto.
Energía solar Energía Eléctrica
Reactivos Productos
4.1.1 Materiales
1. Placa de cobre
2. Placas de vidrio de 5x1
3. 1 kg de gel
4. Sal
5. Cautín
6. Soldadura de estaño
7. Silicón industrial
8. Motor eléctrico de 3 a 6 volts
9. Tijeras
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4.1.2 Procedimiento
Se corta la placa de cobre en trozos de 5 x 5 cm.
Se pone al fuego la mitad de trozos de lámina por 30 minutos.
Se quitan impurezas y se lija el cobre en las partes que serán expuestas a la
reacción.
Soldar con el cautín las 4 piezas que no han sido quemadas de una parte
lateral a otra (tener cuidado) con cable previamente cortado en trozos de
aprox. 5 cm; y de la misma forma con las 4 piezas quemadas restantes.
Siguiendo el presente esquema:
Sobre las placas no quemadas, se pega cada trozo de vidrio respecto a la
medida que tiene con silicón cuidando no dejar huecos, a excepción de una
para introducir las sustancias.
Se pone 45 ml de gel en las placas con vidrio y se mezcla con 5 gr. de sal
casera.
Exponer al calor el circuito de celdas.
Medir el voltaje total de las celdas.
Se adecua el objeto a andar a funcionar si el voltaje requerido es el suficiente.
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5. RECOPILACION DE DATOSEvaluación del tipo de sustancia:
Sustancia con sal mlVolts
5min
Volts
10 min
Volts
30 min
Agua destilada 15 0.23 0.23 0.14
Agua de llave 15 0.35 0.3 0.02
Cloro 15 0.30 0.9 0.00
Gel 15 0.38 0.34 0.25
Evaluación de la cantidad de reactivo y el área expuesta al sol:
Sustancia con sal ml por celdaTamaño de celda Volts
Máximos producidos
Gel 20 5*5*1 cm 0.37
Gel 40 5*10*1 cm 0.39
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Evaluación de la forma expuesta al sol:
Sustancia con sal ml por celdaTamaño de
celdaForma expuesta
Volts máximos
producidos
Gel 20 5*5*1 Horizontal 0.15
Gel 20 5*5*1Vertical
0.41
Evaluación de la parte expuesta al sol:
Sustancia con sal
ml por celda Tamaño de celda
Lado expuesto Forma expuesta
VoltsMáximos producidos
Gel 20 5*5*1 cm Expuesta al fuego
Horizontal 0.25
Gel 20 5*5*1 cm Lijada en parte interior
Vertical 0.38
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6. ANALISIS E INTERPRETACION DE LOS DATOS
De acuerdo a los análisis recabados, se observa que las celdas solares caseras
elaboradas como medio de experimentación producen un voltaje, que si bien no son del
todo viables se logra comprobar la manera en la cual se puede generar energía eléctrica a
partir del efecto fotovoltaico, donde efectivamente al ser recibidos en el material
semiconductor, logra alterar los electrones de dos distintas placas, de las cuales,
anteriormente se modificó la cantidad de electrones que cada una poseía. Esto es el
porqué del que parte de las placas de cobre se expusieron al fuego, ya que de esta
manera se logra que una placa se encuentre cargada positivamente y otra negativamente
esto para romper un enlace y lograr otro, donde las sustancias que reaccionaron como
electrolitos permitieron el flujo de electrones que la placa contraria demandaba.
Produciendo así una corriente eléctrica que fluye a través de la placa.
Con estos datos, se pensó en los factores que alteran positiva y negativamente la
producción de energía eléctrica. Al observar los datos obtenidos al manejar distintas
sustancias y las reacciones que cada una tuvo en la ya presentada tabla comparativa, se
pensaría que es conveniente usar cloro más sal como electrolito en la elaboración de
celdas solares, sin embargo, se aclara lo que sucedió, y esto se debe a las características
de los elementos empleados, siendo tanto el cloro como el sodio sustancias reactivas y en
particular el sodio un elemento que se oxida fácilmente, lo cual provoco la perforación del
material aislante usado en la elaboración de las pilas o celdas. Es por ello saber que es
importante experimentar y conocer todo tipo de riesgos para de esta forma buscar
alternativas o vías para desarrollar o resolver conflictos. O en otro caso, optar por otras
alternativas como se manejó en el presente experimento.
Se evaluó de la misma forma el tiempo de exposición, este factor es importante, ya que
permitió evaluar la eficacia de las celdas y la forma en que deben usarse, se observó que
el máximo voltaje dado se logró en el minuto 10 aproximadamente, y el mínimo cinco
minutos después, esto otorga un dato muy importante; las celdas solares son
“desechables” puesto que pasado un tiempo determinado no hay más producción de
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electricidad, esto por la reacción que producen las sustancias, ya que al término de la
experimentación las placas mostraron cierta corrosión, avisando que la reacción entre las
sustancias había terminado, y por lo tanto ya no podría haber algún tipo de enlace entre
las placas.
Se prueba posteriormente la cantidad de producto y el área de exposición, arrojando
datos interesantes. Teóricamente se podría afirmar que si una celda solar de 25 cm3
produce 0.38 v, una de 50 cm3 produce 0.76. De acuerdo a la experimentación, no se
duplico la cantidad de volts, por el contrario hay un 5.12% adicional e n una celda de 50
cm3 en comparación de la celda doblemente menor. Por lo que es recomendable elaborar
celdas de 25 cm3, beneficiando el material existente y la economía.
Nuevamente se manejó otro factor, la forma expuesta a la luz solar, la primera de forma
horizontal, es decir, “acostada” y la segunda en de forma vertical, o “parada”; donde de
forma lógica se debe entender que para que haya corriente, debe existir un enlace entre
las placas, y si las placas no tienen un contacto perfecto con la sustancia, no habrá un
enlace entre electrones, por lo tanto es importante colocar las placas de forma vertical o
“parada” para que exista contacto entre ambas placas.
El último factor evaluado en la parte que se debe exponer al sol; la parte quemada y la
parte natural-lijada, al realizar la experimentación, se concluye que las placas deben estar
expuestas por la parte quemada, siendo la forma ideal esta.
Con el resto de los datos obtenidos y recabados, se logra no tan solo producción de
electricidad mediante luz solar, sino una mayor producción, tal vez no elevada, pero si un
extra para poder unir más producto e implementarlo.
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CONCLUSIONES
Como conclusión se puede mencionar que una investigación científica es
constante y está expuesta a prueba y error y justo eso fue lo que sucedió con la
parte experimental del proyecto, la sustancia electrolítica pudo transportar
electrones capaces de producir energía eléctrica, la conexión en serie de las
celdas lamentablemente no fue suficiente para encender un led, pero si la
satisfacción de que se cumplió con el objetivo del proyecto de producir corriente
eléctrica.
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FUENTES DE INFORMACIÓNStarMedia. (2010). Efecto fotoeléctrico. Extraído el 29/05/11 en
http://html.rincondelvago.com/efecto-fotoelectrico_2.html
Taringa. (2009). CELDA SOLAR DE LAMINA DE COBRE. Extraído el 21/05/11 en
http://www.taringa.net/posts/info/2180514/Crea-una-celda-solar-con-una-lamina-de-
cobre.html
Miliarium.com. (2004). Energía solar fotovoltaica. Extraído el 20/03/11 en
http://www.miliarium.com/monografias/energia/E_Renovables/Fotovoltaica.htm
Wikipedia. (2011). Panel fotovoltaico. Extraído el 18/03/11 en
http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_fotovoltaico
Wikipedia. (2011). Célula fotovoltaica. Extraído el 12/03/11 en
http://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9lula_fotovoltaica
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APÉNDICE Y/ANEXOS