Energíasolar. Rev02.2016/17

ENERGÍAS ALTERNATIVAS: ENERGÍA SOLAR
PARTE I Y II. REV 02 . 2016/17
FCO- VILLAFRANCA GRACIA
El calor solar fué considerado como “fuente de vida” por
casi todas las civilizaciones antiguas.

Generación de la Energía Solar
El sol genera energía a partir de la transmutación de materia en
el núcleo por la fusión de hidrogeno a helio, esto se da en
reacciones nucleares, la cual se explica por medio del ciclo
protón-protón, esta cadena tiene tres fases y su reacciones son
las siguientes
1. 1H1+1H1
1H2 + 1e0, positrón (2 veces)
2. 1H2+1H1
2He3+ γ (2 veces)
3. 2He3 + 2He3
2He4+1H1+1H1
Los positrones durante el primer paso de la cadena protón-
protón, chocan con electrones; tienen lugar una aniquilación
y su energía se convierte en radiación γ.
27,6 MeV. Con 1gr de masa 55000 Kw.h (30.000 mil
año)
ENERGÍA SOLAR

Fase 1
-En esta fase, dos protones se combinan en un
núcleo de deuterio (protón y neutrón), liberan un
positrón y un neutrino poco energético.
ENERGÍA SOLAR

Fase 2
-En esta fase, el deuterio se combina con un protón
para formar helio 3 (dos protones y un neutrón),
liberan radiación gamma
Fase 3
-En esta fase, dos núcleos de helio 3 se combinan
para formar un núcleo de helio 4, y liberan dos
protones que vuelven a la cadena repitiendo la fase
1
Entonces, en el interior del sol se desarrollan unas
1038 cadenas protón-protón por segundo, lo que
equivale a 380.000 trillones de kW x s de liberación
de energía.
ENERGÍA SOLAR

ENERGÍA SOLAR

Energía Solar
Reacción termonuclear;
4 gr de hidrógeno 3,97 gr de helio + Energía
E= m . c , ondas electromagnéticas
(fotones), 8 min los 150 millones de Km
2
No se recibe toda la energía.
Época del año
La hora del día
Estado de la atmosfera
Nubes
1m = 800 a 1200 W
4x 10 J/seg =
4 x 10 Kw
2
6
2
L = c T ; T= 1/f
L, longitud de onda
T, periodo
c , velocidad de la luz
en el vacio.
La energía solar que llega a la tierra en menos de dos semanas, es equivalente a la reserva conocida de
todos los combustibles fósiles.
2
3
6
IES Barañáin. Dpto de Tecnología. Fco
Villafranca Gracia. Copyright 2016-17

Constante Solar
La radiación del Sol se reparte en una esfera hipotética.
cuyo centro es el foco emisor (el Sol) y el radio crece a la
misma velocidad que la propia radiación.
La intensidad en dicha superficie será más pequeña
cuanto mayor sea el radio de la misma.
La radiación se debilita a medida que la distancia
aumenta.
La intensidad de esa radiación será I= P/S, siendo P la
potencia que irradia el Sol, y S la superficie de una
esfera de radio igual a 150 millones de Km.
I = 4 x 10 26 / 4 π (1.5 x 10 11)2 = 1,4 Kw/ m2
Este valor coincide con el valor medido por los satélites
artificiales en el espacio vacio justamente por encima de
la atmósfera que rodea nuestro planeta. A este valor se
le llama constante solar, que siendo más precisos es de
1353 W/ m2
ENERGÍA SOLAR

Efecto de la atmósfera
La atmósfera es un obstáculo para el paso de la
radiación.
• Reflexión en la parte superior de las nubes
• Absorción por las moléculas del aire
atmosférico
• Al final, a la tierra nos llega aproximadamente
• 1000 w/m2, que es la que nos interesa a
efectos energéticos
ENERGÍA SOLAR

ENERGÍA SOLAR
 Espectro
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IES Barañáin. Dpto de Tecnología. Fco Villafranca Gracia. Copyright
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ENERGÍA SOLAR
 Espectro
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ENERGÍA SOLAR
 Espectro
11
2016-17

Energía Solar
L = c T ; T= 1/f
L, longitud de onda
T, periodo
c , velocidad de la luz
en el vacio.
Longitud de
onda (micras)
% energía total
recibida
Naturaleza
de la radiación
0,25 a 0,4 1 a 3% Ultra violeta
0,4 a 0,75 40 a 42% Visible
0,75 a 2,5 55 a 59 % Infrarrojo
Superposición de ondas, L= 0,25 a 4 micras
Onda electromagnética
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ENERGÍA SOLAR
Aprovechamiento de la energía
solar
 Sistemas utilizados
◦ Conversión en energía térmica
 De baja y media temperatura
 Captadores o colectores planos, 60 a 80 ºC
 Colectores de concentración, 80 a 300 ºC
 De alta temperatura
 Hornos solares
 Centrales solares
◦ Aprovechamiento pasivo
◦ Instalaciones en viviendas
◦ Fotovoltaico
 Centrales solares fotovoltaicas
 Paneles solares en viviendas,
 Aplicaciones de juguetería, calculadoras, pequeñas
instalaciones de iluminación
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ENERGÍA SOLAR
solar
 Generalidades
◦ Características de los cuerpos expuestos al
Sol
 Un cuerpo en general absorbe y refleja las
radiaciones del Sol.
 Si un cuerpo es negro absorbe todas las
radiaciones y se calienta.
 Si un cuerpo es blanco refleja todas las
radiaciones y no experimenta variación de
temperatura.
• Índice de concentración
 Área de captación del colector / Área de
recepción del colector. En los colectores planos
es 1 y en los de concentración mayor que 1, entre
2 y 1000.
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ENERGÍA SOLAR
solar
 Generalidades
 Efecto invernadero
La energía solar entra en el
invernadero en forma de onda corta
Parte de la energía solar se transforma
en calor al incidir sobre superficies
oscuras en el interior
Los objetos calentados emiten radiación
infrarroja (onda más larga)que rebota
contra el cristal y queda atrapada
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ENERGÍA SOLAR
Conversión térmica de
baja temperatura, 1
 Colectores planos
Rayos de
Sol
El efecto invernadero se produce cuando un material
(por ejemplo el vidrio) es transparente a la radiación de
onda corta del sol y opaco a la radiación de onda larga
que emiten los cuerpos que están calientes.
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ENERGÍA SOLAR
Conversión térmica
de baja temperatura,
2
 Partes de un colector plano
Una placa de cristal
Un absorbedor (radiador). Con anticongelante
Un aislante térmico (fibra de vidrio o de
espuma de poliuretano
Una caja de chapa laminada
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
3
 Colector plano
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ENERGÍA SOLAR
4
 Instalación de baja temperatura
Sistema por bomba Sistema por termosifón
Agua caliente
Agua caliente
Agua fria
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ENERGÍA SOLAR
5
 Instalaciones de baja temperatura
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
Conversión térmica,
6 Instalación de baja temperatura
Con estas instalaciones se genera calor a baja
temperatura, inferior a 100ºC. Se utilizan para la obtención
de agua caliente sanitaria (duchas, cocina, etc.), calefacción
y/o climatización de piscinas.
2,1 m. 200 litros
5 personas.
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ENERGÍA SOLAR
media temperatura, 7
 Instalación de colectores planos
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
 Instalación de colectores planos
Bomba
Agua fría
Agua caliente
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
 Instalación de media temperatura
◦ Colectores de concentración, i= 2 a
1000
Espejos
Eje focal (absorbedor)
200 a 300 ºC Mas de 300 ºC
Necesitan un control electrónico, para el seguimiento del Sol
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
media temperatura,
10 Instalación de media temperatura
◦ Colectores de concentración
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
media temperatura,
11 Instalación de media temperatura,
resumen
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
media temperatura,
12 Instalación de media temperatura
◦ Colectores de concentración
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2016-17

ENERGÍAS ALTERNATIVAS, ENERGÍA SOLAR
PARTE II
FCO- VILLAFRANCA GRACIA
El calor solar fué considerado como “fuente de vida” por
casi todas las civilizaciones antiguas.

ENERGÍA SOLAR
alta temperatura, 1
 Instalación de altas temperatura
◦ Hornos solares, 6000 ºC
 Se utilizan para fines experimentales
 Resistencias de materiales al calor
 Fusión de metales
 Lugares
 Egipto, China, Francia, el mayor está en Francia
(Odeillo) con 1 Mw y constituido con 63 heliostatos.
◦ Centrales Solares
 DCS, (Distributed Collector System).
Concentradores parábolicos
 CRS, (Central Receiver System). Heliostatos.
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
alta temperatura, 2
 Se utilizan para fines experimentales
 Resistencias de materiales al calor
 Fusión de metales
 Lugares
 Egipto, China, Francia, el mayor está en
Francia (Odeillo) con 1 Mw y constituido
con 63 heliostatos.
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ENERGÍA SOLAR
alta temperatura, 3
Horno solar del Centro de
investigación de Odeillo (Francia).
Pirineo oriental
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
alta temperatura, 4
◦ Centrales solares, 400 ºC
 DCS, concentradores cilíndricos parabólicos
Desierto de Mojave, (California)
9 centrales híbridas con un total de 354 Mw
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ENERGÍA SOLAR
alta temperatura, 5
Central híbrida
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ENERGÍA SOLAR
alta temperatura, 6
 CRS, centrales de torre.
Instalación de ensayos de Alburquerque (Nuevo México , 1977).
222 helióstatos de 42 m2, torre de 61 m de altura, 5 Mw.
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ENERGÍA SOLAR
alta temperatura, 7
Plataforma solar, Almería.
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
alta temperatura, 8
Sanlúcar la Mayor (Sevilla))
320 Mw para 180.000 hogares, prevista para 2013.
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
Aprovechamiento
pasivo, 1 La energía solar pasiva es el aprovechamiento de la energía solar de forma directa,
sin transformarla en otro tipo de energía para su utilización. Dicho de otro modo, es
aquella que no requiere sistemas mecánicos ni aporte externo de energía, aunque
puede ser complementada por ellos, por ejemplo para su regulación.
Sistemas utilizados
◦ Calentamiento de recintos
 Aislamiento del recinto
 Instalación de acumuladores
 Diseño y orientación
◦ Conversión fotovoltaica
 Centrales solares fotovoltaicas
 Pequeñas instalaciones
 Viviendas
 Satélites
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
Aprovechamiento pasivo,
2
 Calentamiento de recintos
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
3
 Conversión fotovoltaica
◦ Efecto fotoeléctrico
◦ Heinrich Hertz, alrededor de 1890, descubridor del efecto
fotoeléctrico. El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de
electrones por un material al incidir sobre él una radiación
electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general).
◦ Ver mas….
◦ Introducción (semiconductores)
 Efecto fotovoltaico
◦ El efecto fotovoltaico (FV) es la base del proceso mediante el cual
una célula FV convierte la luz solar en electricidad. La luz solar está
compuesta por fotones, o partículas energéticas. Estos fotones son de
diferentes energías, correspondientes a las diferentes longitudes de
onda del espectro solar.
39
2016-17

ENERGÍA SOLAR
3
◦ Efecto fotovoltaico
◦ Fué Edmond Becquerel el descubridor del llamado efecto
fotovoltaico en 1839, aunque este importante descubrimiento se
mantuvo inexplorado en el olvido por los siguientes 75 años. A la edad
de sólo 19 años Becquerel descubrió que algunos materiales
generaban pequeñas cantidades de corriente eléctrica cuando se
exponían a la luz.
 Energía fotovoltaica… La energía solar fotovoltaica es la energía contenida en los
fotones de la luz, transformada directamente en electricidad gracias a las células
solares, que se fabrican con materiales semiconductores. Una célula fotovoltaica (o
fotopila) es un dispositivo que transforma la energía luminosa en una corriente
eléctrica.
 La primera fotopila fue desarrollada en los Estados Unidos en 1954 por los
investigadores de los laboratorios Bell, que descubrieron que la fotosensibilidad del
silicio podía ser aumentada añadiendo “impurezas”, en una técnica denominada
“dopado”, utilizada en todos los semiconductores. Pero, a pesar del interés de los
científicos a lo largo de los años, las células salieron finalmente los laboratorios
gracias a la carrera espacial. En efecto, las fotopilas representan la solución ideal
para cubrir las necesidades de electricidad a bordo de los satélites, del mismo
modo que en cualquier lugar aislado.
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
4
◦ Semiconductores, materiales que son conductores
de la corriente eléctrica en condiciones especiales
◦ Intrínsecos
◦ Extrínsecos: material dopado con otros
átomos
 Tipo P, dopado con átomos trivalentes: Al
 Tipo N, dopado con átomos pentavalentes: P
◦ Hacen posible el efecto fotovoltaico
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
5
◦ Semiconductores, Si o Ge (4 e valencia)
 Intrínsecos (puros)
a 0º K
 Enlaces covalentes o
compartidos dos a dos
Es un material aislante
 El cristal estará formado por
átomos de Si, eléctricamente
neutros
Si
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
7
◦ Semiconductores
 Intrínsecos (puros)
 a 300º K, (T ambiente
 Se rompen enlaces y se crean
pares e- h+
 El cristal estará formado por
átomos de Si estables, y pares
e- h+ . Se creará una corriente
interna dentro del conductor,
debido a la generación térmica.
 Carga eléctrica del cristal neutra
 Cristal eléctricamente neutro
a 300º K
43
2016-17

ENERGÍA SOLAR
8
◦ Semiconductores
 Extrínsecos tipo P (con impurezas trivalentes, Al,
B, In) Formación del cristal
 Los átomos de Boro se unen con
los de Si, robando un e- de un átomo
cercano de Si. Se crean iones
negativos por cada átomo de
impureza. Son iones fijos que no
intervienen en la conducción.
 Pares e- h+, generación intrínseca
 Muchos huecos h+
 h+, portadores mayoritarios
 e- , portadores minoritarios
 Átomos aceptadores, B (boro)
 Átomos de Si
h+ >>> e- Tipo P,
eléctricamente neutro
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
9
◦ Semiconductores
 Extrínsecos tipo N (con impurezas pentavalentes:
P) Formación del cristal
 Los átomos de Fósforo se unen con
los de Si, y donan un e- al cristal
 Se crean iones positivos por cada
átomo de impureza. Son iones fijos
que no intervienen en la conducción. En
el cristal aparecen:
 Pares e- h+, generación intrínseca
 Muchos electrones e-
 h+, portadores minoritarios
 e- , portadores mayoritarios
 Átomos donadores, P (fósforo)
 Átomos de Si
h+ <<< e- Tipo N,
eléctricamente neutro
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
10
◦ Semiconductores
 Uníon de cristales P y N
Iones de B (boro) aparecen +
Iones de P (fósforo) aparecen -
Formación
Zona de recombinación de e- y h+ en las
proximidades de la unión
Creación de un campo eléctrico E, que impide
la recombinación. Ya no pasarán e - a la zona
N , ni h+ a la zona P
Se crea una zona de agotamiento o de
depresión
E
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ENERGÍA SOLAR
11
◦ Célula fotovoltaica. Funcionamiento
+ Iones fijos: 5 e de valencia, p.e P,
- Iones fijos: 3 e de valencia, p.e Al, In
+ huecos (impurezas y generación intrínseca)
- electrones (impurezas y generación intrínseca)
Campo eléctrico , creado por la recombinación
en las proximidades de la unión P-N
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
12
E fotón = h . f,
h = cte de Planck
h = frecuencia de la onda
E fotón > E enlace
E fotón = E cinética (h+ o e-) + E enlace
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
13
Los fotones debilitan la zona de agotamiento
Fotón absorbido por un e en la zona N: este,
adquiere energía, que favorecido por el campo
eléctrico E , será expulsado del cristal por el
terminal n. A su vez , se crea un hueco que
atraviesa la zona de agotamiento, favorecido por
el campo E y la energía absorbida del fotón, y es
expulsado del cristal por el terminal p.
La zona P se analiza de forma análoga.
La expulsión del cristal de electrones y huecos
encuentran un camino, que es el hilo conductor
de la carga L. La circulación de electrones en un
sentido o huecos en el otro hace que se cree la
corriente eléctrica.
Téngase en cuenta que será muy difícil que se
rompan enlaces en los iones y en los átomos de
silicio que forman la estructura estable del cristal.
n
p
L
E
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
14
◦ 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
anteriormente: Un semiconductor tipo P (exceso de huecos) y otro tipo
N (exceso de electrones). Que al unirlos crea el campo eléctrico E.
50
2016-17

ENERGÍA SOLAR
15
◦ Célula fotovoltaica
En la unión se crea un campo eléctrico, que hace que los e sean
expulsados fuera del cristal cuando un fotón choca contra ellos, dicho e
se recombinará con huecos del Si tipo P, estableciéndose una corriente
eléctrica.
51
2016-17

ENERGÍA SOLAR
16
 Célula fotovoltaica. Características
◦ Tensión = 0.5 a 0.6 V si es Si. Tensión de barrera.
◦ Intensidad= Depende de la carga, de la irradiación solar, superficie de la celda y
el valor de ri (resistencia interna).
◦ Potencia en un instante dado será el producto de la tensión por la corriente que
circula por la carga en ese instante.
◦ Existen formas circulares y cuadrangulares dependiendo del molde de fabricación
o de la sección del cristal.
◦ Si queremos conseguir mas tensiones las conectaremos en serie y formaremos
paneles fotovoltaicos, dependiendo de la potencia a conseguir se harán
conexiones en paralelo de los paneles fotovoltaicos.
◦ La zona del Si tipo P, es el terminal positivo y el semiconductor tipo N, negativo.
◦ Cuando aumenta la temperatura en la unión disminuye la tensión de barrera. La
corriente en un semiconductor aumenta con la temperarura.
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2016-17

ENERGÍA SOLAR
17
◦ Centrales solares
53
2016-17

ENERGÍA SOLAR
18
◦ Centrales solares, instalación
54
2016-17

ENERGÍA SOLAR
19
◦ Pequeñas instalaciones
 Faros
 Teléfonos de carretera
 Alumbrado de pueblos que estén fuera de
la distribución eléctrica
 Camping
 Escaladores de montañas
55
2016-17

ENERGÍA SOLAR
20
56
2016-17

ENERGÍA SOLAR
21
◦ Medianas instalaciones
 Satélites
57
2016-17

ENERGÍA SOLAR
22
 Viviendas
58
2016-17

ENERGÍA SOLAR
Situación en España
 La energía solar en España
◦ Muchas posibilidades
◦ Poco desarrollada
◦ Colectores, células solares (individual)
◦ Centro de experimentación en Tabernas (Almería).
Hay tres centrales y una planta de desalinización.
◦ En el 2007, PS10, 624 heliostatos, torre de 114 m, 11
Mw.
◦ Fotovoltaicas:
◦ Puebla de Montalbán, 8000 m2, 1Mw (Toledo PV).
◦ Tudela , 402 seguidores, 12602 paneles, 1,2 Mw,
70.000 m2.
59
2016-17

ENERGÍA SOLAR
Ventajas e inconvenientes
 Ventajas
◦ Energía limpia
◦ “Gratuita”
◦ Inagotable
 Inconvenientes
◦ Grandes extensiones de instalaciones
◦ Irradiación no uniforme
◦ Carestía respecto al rendimieto
◦ Contaminación: producción y conservación de los
paneles fotovoltaicos
◦ Problemas con las aves: reflejos de los espejos o
heliostatos y el impacto medio-ambiental.
60
2016-17

ENERGÍA SOLAR
 Actividades
◦ Observación de una placa fotovoltaica
◦ Nº de Células: Tensión de la célula:
◦ Tensión en vacio de la placa:
◦ Corriente en carga en carga de la placa:
◦ Conexión de la placa a un receptor de radio o motor
Observar el funcionamiento en lugares con sombra y con
sol. Anotar resultados y observaciones.
61
2016-17

Energía Solar
 Fin del tema
62

Energíasolar. Rev02.2016/17

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