Celdas Solares o Fotovoltaicas
Capturando energía de la luz
Dr. Guillermo NeryUPRA: ISMuL
Octubre de 2012
Objetivos
• Definir celda solar
• Definir energía (cinética y potencial) (no es fza.)
• Trabajo para dar y quitar/almacenar energía
• Definir corriente y voltaje (no es fza.)• Definir corriente y voltaje (no es fza.)
• Celda solar de Si vs celda química: medirvoltaje(con/sin luz), conectar en serie y en paralelo (con/sin luz), efectos
• Costos
Objetivos
• Cómo funciona la de Si,
• Una nueva opción: tinte orgánico y nanomateriales
• Nanomaterial; tinte orgánico• Nanomaterial; tinte orgánico
• Cómo funciona
• Hacer la de tinte orgánico, probarla
• Celda de Cu (INTERNET, sólo hacer una y probar las demás)
Celdas solares
• Una celda solar es un artefacto que absorbe luz y transforma su energía a energía en forma de corrienteeléctrica. Varias celdas solares, interconectadas, hacenuna batería solar o panel solar.
Energía es...
• La habilidad para hacer trabajo.
• Pero también se puede ver de otro modo:
Es una medida del nivel de actividad de la Es una medida del nivel de actividad de la
materia.
• Donde hay energía hay actividad de la
materia, o al menos el potencial para que
haya actividad.
Energía es...
Definición operacional de la energía de un objeto
• La energía (E) de un objeto es
E = 1/2mv2
donde m es su masa y v es su velocidad.
Vemos que con eso:
o La energía es mayor a mayor rapidez del objeto
o La energía es mayor a mayor cantidad de masa del objeto
o El signo (la dirección) no afecta.
Definición operacional de la energía de un objeto
• La energía (E) de un objeto es
E = 1/2mv2
donde m es su masa y v es su velocidad.
Al medir energía:
o Kg*m2/s2 = Julio
o 1 Caloría = 1000 calorías = 4,186.8 Julios
o El cuerpo de una persona de 150 libras caminando a un paso tranquilo y fijo o estable (1m/s) tiene 68 Julios (fijo, no siendo perdido ni gastado).
Energía es...
(electrones~ondas)2
macroscópica
Nanoscópica (termal)
Trabajo para transferir energíaSe hace trabajo para dar y quitar energía. Cuandose hace trabajo, la energía que uno gana, el otropierde.
Energía = Fuerza
• La energía no es una fuerza. La energía es sólouna medida del nivel de actividad de la
materia.
• Las fuerzas son lo que sientes en el momento en que estás siendo halado o empujado por otroque estás siendo halado o empujado por otroobjeto (cuando los dos interactúan).
• Las fuerzas son (en parte) lo que cada objetopercibe del flujo de energía entre los dos objetos cuando se están haciendo trabajomutuamente y se están transfierendo energía.
Trabajo para almacenar energíaFuerzas como la gravitatoria y la eléctrica pueden quitar energíacuando un objeto que es atraídose aleja del que lo atrae, y devolverla cuando vuelve a devolverla cuando vuelve a acercarse.
Corriente eléctrica: Una dirección y dos sentidos
Corriente eléctrica• Una corriente eléctrica ocurre
cuando materia con carga
eléctrica y que es movible o
está suelta (electrones, huecos, positrones, iones) se
dirección
huecos, positrones, iones) se
mueve en una dirección
debido a fuerzas eléctricas en su ambiente.
• Las fuerzas son de atracciónentre cargas distintas y repulsión entre cargas iguales.
sentido +
sentido -
Corriente eléctrica: Amperes• La corriente o flujo de agua se describe
indicando cuántos litros de agua pasan por un río o una tubería por cada segundo que pase.
• 5 litros/segundo
• La corriente o flujo eléctrico se describe indicando cuántos Coulombios de cargaeléctrica pasan por un cable metálico o unasolución salina por cada segundo que pase.
• 5 Coulombios/segundo = 5 Amperes
Voltaje• Una celda de 1.5 Voltios tiene
1.5 Julios de energía
almacenada para cada
Coulombio (C) de carga quevaya de su extremo – al + (ovice versa). Si un total de 4 C vice versa). Si un total de 4 C de carga logran ese viaje, se les dará un total de 6 J. La energía se almacena en la celda gracias a fuerzaseléctricas. Una vez liberada(entregada), se usa parahacer trabajo, o calentar.
Voltaje = Fuerza eléctrica
• El voltaje no es una fuerza. El voltaje es sólo la cantidad de energía potencial disponible paracada Coulombio de carga que pase entre los dos electrodos, + y -.
• Unidad: Voltio = Julio/Coulombio• Unidad: Voltio = Julio/Coulombio
• La energía se almacena gracias a que hay fuerzas eléctricas, pero no es lo mismo.
• Voltaje tampoco es energía potencial (o sea, almacenada). No es el total de energíaalmacenada. Es la que hay almacenada paracada Coulombio de carga.
Medir voltaje y corriente: celda química en serie y en paralelo
versus versus celda solar en serie y en paralelo, con
luz versus sin luz
Costos de energía• 1 kilovatio*hora = 1 kWh = 3,600,000 J • 1 Caloría ~ 1/1,000 kWh• Por vivir quieto: gastas ~1 kWh en 10 horas• AEE (principalmente quema de combustibles
variados, 2012: Bunker C (No 6) y Diesel (No 2) $ 0.20/kWh$ 0.20/kWh
• De planta generadora, incluyendo construcción, uso, y desmantelamiento (nuclear) 2010:hidro $ 0.03/kWh, Nuclear $ 0.04/kWh, carbón $ 0.04/kWh, viento $ 0.08/kWh, gas natural $ 0.10/kWh, solar $ 0.20/kWh
• ~$2 corriente 0.5A voltaje 0.55V potencia 0.28W
Costos al ambiente• “Carbon footprint” La cantidad de CO2 o su
equivalente -para el efecto invernadero- que se libera para producir el equipo y la planta o instalación, durante cualquier transporte relacionado, durante el funcionamiento, y para la desmantelación.
• Ni-Cd celda química recargable AA 3MJ/celda, 0.2 kg/celda CO2e 240g CO2e/kwh 500-800 ciclos de recarga
35-38g CO e / kWh celda solar con 5% efficiencia2 2
• 35-38g CO2e / kWh celda solar con 5% efficiencia(ahora 20%) (25-80 biomasa, 3-10 hydro, 5-15 viento) pero NF3 usado para fabricar celdas solares, si se escapa, es 17000x potente comparado con el CO2
• 20 – 55g CO2e / kWh celdas solares a nivel del sur de Europa (irradiación) y si duran 30 años (2008)
• 450 g CO2e / kWh gas natural• 850 g CO2e / kWh carbón
Problemas con celdas solares• Daños al ambiente: excavación, purificación,
derretir y crecer cristales de Si con pocas y controladas impurezas (procesamiento con materiales altamente tóxicos), desecho
• La noche:– Baterías recargables (no recargables: 500x peor)– Baterías recargables (no recargables: 500x peor)
– AEE
• Algo de variación según la hora del día(posición del Sol) y estado del tiempo; mássegún la latitud
• Tormentas y robo o vandalismo
Problemas para el petróleo y otros
• Aparte del efectoinvernadero, el petróleo se va a acabar.
• Otros no pueden• Otros no puedensuplir la demanda.
• Energía nuclear también puedesuplir.
• 1 TW = 1 Terawatt
= 1,000,000,000 kW
Cómo funciona la celda solar (o fotovoltaica) de Silicio (Si)(o fotovoltaica) de Silicio (Si)
Estructura de un átomo / Energía químicaEN
ERG
ÍA T
OTA
L =
K +
P
Átomo con electrones en forma de orbitales 1s, 2s y 2p en posición alrededor del núcleo.
Forma de un electrónUn “orbital 3s”: una forma de un electrón
Forma de un electrón
Los electrones de un átomo están atrapados. Aquí vemos las diferentes formas
de los electrones y la manera en que se solapan alrededor del núcleo del
átomo. No más de dos electrones pueden tener la misma forma en el átomo. A
mayor distancia del núcleo, menor la energía cinética, pero el aumento en la
energía potencial domina, y la energía total aumenta.
ENER
GÍA
TO
TAL
= K
+ P
alrededor del núcleo. Los electrones se solapan.
1s
Forma de un electrón
Núcleo (apenas visible)
Energía química y lumínicaUn electrón puede ser compartido por dos átomos. Entonces, su forma es de orbital de enlace. Un fotónpuede dar energía a un electrón que tiene la forma de un orbital de enlace y lograr que -al ser absorbido-cambie su forma (orbital) a una de mayor energía.
electrón en orbital de enlaceabsorbe al fotón y su energía
núcleos (+) fotón con energía
electrón (-) en 1era capa
electrón (-) en orbital de enlace
electrón en orbital de enlacecon más energía almacenada
absorbe al fotón y su energía
Molécula (este fotón no logró
romper el enlace)
En un cristal de Silicio, los electrones compartidos, enlazando a todos los átomos, tienen orbitales (formas) compartidos por dos electrones que van en sentidoscontrarios (no hay flujo neto). Para que haya un flujo de corriente eléctrica, tienen que cambiar de orbital,
Energía química y lumínica
de modo quehaya un flujoneto.
Electrones emparejadosen orbitales y yendo en sentidos contrarios
Electrones solos en orbitales diferentes y yendo en el mismosentido
Orbital posiblepara un electrón, pero ninguno estáasí ahora.
Ya habiendo absorbido la energía, un electrón fluye en un sentido. Otro que quedó atras fluye en el mismo sentido. Ahora hay flujo neto (corriente eléctrica). Lo que ocurreen el grupo de orbitales más adentro también se puedeinterpretar como un “hueco” o partícula con carga + yendo en sentido contrario. Así se evita tratar a
Energía química y lumínica
todos los otros
Electrones emparejadosen orbitales y yendo en sentidos contrarios
Electrones solos en orbitales diferentes y yendo en el mismosentido
Orbital posiblepara un electrón, pero ninguno estáasí ahora.
todos los otroselectrones.
Hueco: partículacon carga + que váhacia
Un cristal de Silicio con impurezas (átomos de Al) tendránun electrón menos por cada impureza atómica. Los orbitales siguen siendo los mismos, básicamente. Entonces, por la falta de electrones, habrán huecos sin que un fotón intervenga.
Silicio tipo P
Hueco: partículacon carga +
Impureza de Al
Un cristal de Silicio con impurezas (átomos de P) tendránun electrón más por cada impureza atómica. Los orbitalessiguen siendo los mismos, básicamente. Entonces, por la sobra de electrones, habrán electrones solos en los orbitales de afuera sin que un fotón intervenga.
Silicio tipo N
Electrón extra
Impureza de P
La unión de un cristal de Silicio tipo N con otro tipo P resulta en que electrones sueltos del lado N son atrapados en huecos del lado tipo P. Esto separa esoselectrones de sus átomos. Donde están los electronesatrapados habrá carga negativa, y donde faltan positiva.
Ensambladura tipo NP
Carga + Carga -Electrón extra del lado N atrapado en un hueco
Lado tipo N Lado tipo P
Carga + Carga -
Celda fotovoltaica : ensambladura NP• La ensambladura genera la región de carga eléctrica
que hara fuerza para separar las cargas que los fotonessuelten del Silicio.
FOTONES
Tipo P
Átomo neutral
hueco positivo (+)
Electrón (-)
región negativa (-)
región positiva (+)
región neutral
región neutralCelda Fotovoltaica(Celda Solar) -de perfil-
Tipo N
Tipo P
La celda fotoquímica de nano-TiO2
y tinte orgánicoy tinte orgánico
Celda fotoquímica
• En este caso, el material que absorbe la luz, el que se lleva el electrón, y el que recibe el electrón para devolverlo al que absorbe la luzson distintos (pueden trabajarse porson distintos (pueden trabajarse porseparado).
Celda fotoquímica
• En este caso, el material que absorbe la luz, el que se lleva el electrón, y el que recibe el electrón para devolverlo al que absorbe la luzson distintos (pueden trabajarse porson distintos (pueden trabajarse porseparado).
Celda fotoquímica
Enlaces relevantes• Celdas solares comerciales
– http://www.siliconsolar.com/commercial-solar-cells.html– 500mA 0.28W Commercial Solar Cell (25 celdas solares)– Commercial Solar Cell From Silicon Solar Inc Rated At 0.55V / 500mA / 0.28W– $2.11 c/u x 25 units = $52.75
• Equipo de electrónica (multímetros, motores, …)– http://www.allelectronics.com/– http://www.multimeterwarehouse.com/DT830BMinif.htm
• Planificación de paneles solares para una casa– http://www.instructables.com/id/DIY-Home-Solar-Planning-a-Solar-Array-Beginners/
• Cómo soldar celdas solares (conectarlas)• Cómo soldar celdas solares (conectarlas)– http://www.youtube.com/watch?v=TDlcaILWP54&feature=related
• Cobre– square Copper sheets 10 X 0.5ft2 06.10.036 36 Ga Copper Sheet - 6 in x 12 in $5.95 c/u– http://www.silversupplies.com/catalog/metals/copper.shtml– http://basiccopper.com/ otro lugar
• Celda solar de Cu / Cu2O (cómo hacerla)– http://www.exo.net/~jillj/activities/solarcell.pdf– http://www.ehow.com/how_4866500_make-homemade-solar-cells.html
• Celda solar con blackberries (la que hicimos)– http://www.sciencegeekgirl.com/activities/Blackberry%20solar%20cell.pdf– http://www.solideas.com/papers/Exploratorium_Solar.pdf
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