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1
Objetivo General.
Desarrollar un panel solar a base de diodos emisores de luz (LED´s), para
transformarenergía solar a energía eléctrica.
Objetivos Específicos.
1. Describir cómo funcionanlos diodos emisores de luz.
2. Investigar el principio de los paneles solares con sus beneficios y
aportes a la sociedad.
3. Diseñar el prototipo de un sistema de LED´s para energía eléctrica.
4. Construir un panel solar a base de LED´s
5. Demostrar el funcionamiento del proyecto
2
Planteamiento del problema
En estos tiempos hemos llegado al punto que nuestros recursos
principales; electricidad, materia prima, el agua, etc. Se están acabando a
través de la contaminación.
El presente proyecto tomauna medida alternativa para reducir el mal
gasto de nuestros recursosy concientizar el daño que la humanidadle esta
haciendo al planeta.
3
1. INVESTIGACIÓN BIBLIOGRAFICA.
1.1 Que es un Panel Solar Fotovoltaico.
Los paneles fotovoltaicos: están formados por numerosas celdas que convierten la luz en
electricidad. Las celdas a veces son llamadas células fotovoltaicas. Estas celdas dependen del
efecto fotovoltaico por el que la energía lumínica produce cargas positiva y negativa en dos
semiconductores próximos de diferente tipo, produciendo así un campo eléctrico capaz de
generar una corriente.
Los materiales para celdas solares suelen ser silicio cristalino o arseniuro de galio. Los cristales
de arseniuro de galio se fabrican especialmente para uso fotovoltaico, mientras que los cristales
de silicio están disponibles en lingotes normalizados, más baratos, producidos principalmente
para el consumo de la industria microelectrónica. El silicio policristalino tiene una menor
eficacia de conversión, pero también menor coste.
Cuando se expone a luz solar directa, una celda de silicio de 6 cm de diámetro puede producir
una corriente de alrededor 0,5 A a 0,5 V (equivalente a un promedio de 90 W/m², en un
campo de normalmente 50-150 W/m², dependiendo del brillo solar y la eficiencia de la celda).
El arseniuro de galio es más eficaz que el silicio, pero también más costoso.
Las células de silicio más empleadas en los paneles fotovoltaicos se pueden dividir en tres
subcategorías:
 Las células de silicio mono cristalino están constituidas por un único cristal de silicio.
Este tipo de células presenta un color azul oscuro uniforme.
 Las células de silicio policristalino (también llamado multicristalino) están constituidas
por un conjunto de cristales de silicio, lo que explica que su rendimiento sea algo
inferior al de las células mono cristalinas. Se caracterizan por un color azul más intenso.
 Las células de silicio amorfo. Son menos eficientes que las células de silicio cristalino,
pero también más baratas. Este tipo de células es, por ejemplo, el que se emplea en
aplicaciones solares como relojes o calculadoras.
Los paneles solares se construyen con estas celdas agrupadas en forma apropiada. Para
protegerlos de daños, causados por radiación o por el manejo de éstos, en la superficie frontal
se los cubre con una cubierta de vidrio y se pegan sobre un sustrato —el cual puede ser un
panel rígido o una manta blanda—. Se hacen conexiones eléctricas en serie – paralelo para fijar
el voltaje total de salida. Los ensamblajes resultantes se llaman paneles solares.
Qué pasa con la intensidad (Amp) y la tensión de corriente (V)
Para hacer un panel solar recordemos los conceptos de ‘serie´ y ´paralelo´ aquí, en gráficos:
4
 Las Conexiones en Serie suman los Voltajes y se mantienen los Amperajes
Una célula (también llamado ´celda´) solar tiene una cara, campo o lado negativo (-) y
puede ser de color azul, mira al Sol y el campo o lado positivo de color plomizo es la
parte posterior (atrás).
Las células solares se conectan entre sí en hileras (horizontal) y filas (vertical) como
haciendo cadenas.
Un Panel Solar se puede formar con ‘ X ‘ hileras conectadas entre sí y cada hilera
tener ‘ Y ‘ células para armar un módulo o panel solar total con ( ‘ X ‘ x ‘ Y ‘ ) células
solares.
En la imagen abajo vemos tres (3) hileras compuestas de cuatro (4) célulascada
hilera, lo que hace un panel de 12 células en total o lo que es lo mismo un panel
de cuatro (4) filas compuestas de tres (3) células cada fila.
Las células conectadas en serie suman el voltaje de cada célula. Se conecta un
terminal positivo de una célula con otro terminal negativo de la siguiente
manera: positivo con negativo.
En la misma célula un negativo se conecta con un positivo. De la cara positiva
sale una cinta hacia la cara negativa de la célula siguiente. Este negativo en la
segunda célula se conecta con el positivo de la misma célula. De aquí sale otra
cinta positiva hasta una tercera célula (no se dibujó) manteniendo la misma
conexión (-) =>(+) => (-) => (+)…etc.
Si cada célula es de 0.5 V y 2.0 Amp esta hilera de cuatro células tendrá un total
de 2.0 voltios y 2.0 amperios.
Conexión en Serie
5
 Las conexiones en Paralelo suman los Amperios, y se mantiene el Voltaje
La conexión paralela es cuando se conectan los terminales positivos de todas las células
con un alambre transversal que los unen y todos los terminales negativos de todas las
células en igual fijación transversal como se aprecian en la siguiente imagen:
Conexión de celdas en paralelo
1.2 Que es un Diodo Emisor de Luz (LED).
Un LED (del acrónimo inglés LED, ligh-emitting diode: ‘diodo emisor de luz’; el plural
aceptado por la RAE es ledes) es un componente opto electrónico pasivo y, más
concretamente, un diodo que emite luz.
Los ledes se usan como indicadores en muchos dispositivos y en iluminación. Los primeros
ledes emitían luz roja de baja intensidad, pero los dispositivos actuales emiten luz de alto brillo
en el espectro infrarrojo, visible y ultravioleta.
Debido a su capacidad de operación a altas frecuencias, son también útiles en tecnologías
avanzadas de comunicaciones y control. Los ledes infrarrojos también se usan en unidades de
control remoto de muchos productos comerciales incluyendo equipos de audio y video.
Cuando un led se encuentra en polarización directa, los electrones pueden recombinarse con
los huecos en el dispositivo, liberando energía en forma de fotones. Este efecto es llamado
electroluminiscencia y el color de la luz (correspondiente a la energía del fotón) se determina a
partir de la banda de energía del semiconductor. Por lo general, el área de un led es muy
pequeña (menor a 1 mm2
), y se pueden usar componentes ópticos integrados para formar su
patrón de radiación. Comienza a lucir con una tensión de unos 2 Voltios.
6
Estructura interna de un led común
Un diodo LED común se compone de las siguientes partes:
Extremo superior abovedado de la cápsula de resina epoxi, que hace también función de lente
convexa. La existencia de esta lente permite concentrar el haz de luz que emite el chip y
proyectarlo en una sola dirección. Cápsula de resina epoxi protectora del chip. Chip o diodo
semiconductor emisor de luz. Copa reflectora. En el interior de esta copa se aloja el chip
emisor de luz. Base redonda de la cápsula de resina epoxi. Esta base posee una marca plana
situada junto a uno de los dos alambres de conexión del LED al circuito externo, que sirve
para identificar el terminal negativo (–) correspondiente al cátodo del chip. Terminal negativo
(–) de conexión a un circuito eléctrico o electrónico externo. En un LED nuevo este terminal
se identifica a simple vista, porque siempre es más corto que el terminal positivo. Alambre
terminal positivo (+) correspondiente al ánodo del chip del diodo, que se utiliza para
conectarlo al circuito externo. Alambre muy delgado de oro, conectado internamente con el
terminal positivo (+) y con el ánodo del chip. Estructura interna del chip de un diodo LED.
En esta ilustración el chip se compone de nitruro de galio (GaN) como elemento
semiconductor. Aquí la corriente de electrones “I” que parte del polo negativo (–) de la batería
“B”, penetra en el diodo LED por el cátodo (negativo), correspondiente a la región “N”.
Cuando a este chip se le aplica un voltaje adecuado que lo polarice de forma directa, los
electrones adquieren la energía extra necesaria que les permite circular y atravesar las dos
regiones que lo componen. Desde el mismo momento que la batería “B” suministra a los
electrones la energía suficiente para vencer la oposición que les ofrece a su paso la barrera de
potencial que se crea en el punto de unión o juntura que limita las dos regiones del diodo, estos
pueden pasar a ocupar los huecos existentes en la región “P” (positiva).
Acto seguido los electrones continúan su recorrido por esa otra parte del diodo, circulan por el
circuito externo, atraviesan la resistencia limitadora de corriente “R” y alcanzan, finalmente, el
polo positivo (+) de la batería o fuente de energía de corriente directa, completando así su
recorrido por todo el circuito. Una vez que los electrones comienzan a circular por el interior
del diodo, en el mismo momento que cada uno de ellos atraviesa la barrera de potencial y se
une a un hueco en la región “P”, el exceso de energía extra previamente adquirida procedente
de la batería la libera en forma de fotón de luz. En el caso del diodo LED de este ejemplo, la
luz emitida será ultravioleta (UV), invisible al ojo humano, por ser nitruro de galio (GaN) el
componente químico del material semiconductor que compone este chip.
7
El chip de un diodo LED común no se considera una “lámpara” propiamente dicho como
ocurre con otras fuentes de iluminación o bombillas más tradicionales. Para que sea
considerado como tal, además del chip emisor de luz en sí, tiene que contener también otros
elementos adicionales, como son: un controlador electrónico odriver, un disipador de calor y
componentes ópticos apropiados, tal como poseen las “lámparas LED” de alta potencia
luminosa utilizadas para su uso en alumbrado general.
1.3Energía Solar.
La energía solar es una energía renovable, obtenida a partir del aprovechamiento de la
radiación electromagnética procedente del Sol. La radiación solar que alcanza la Tierra ha sido
aprovechada por el ser humano desde la Antigüedad, mediante diferentes tecnologías que han
ido evolucionando. En la actualidad, el calor y la luz del Sol puede aprovecharse por medio de
diversos captadores como células fotovoltaicas, helióstatos o colectores térmicos, pudiendo
transformarse en energía eléctrica o térmica. Es una de las llamadas energías renovables o
energías limpias, que podrían ayudar a resolver algunos de los problemas más urgentes que
afronta la humanidad.
Las diferentes tecnologías solares se pueden clasificar en pasivas o activas según cómo
capturan, convierten y distribuyen la energía solar. Las tecnologías activas incluyen el uso de
paneles fotovoltaicos y colectores solar térmicos para recolectar la energía. Entre las técnicas
pasivas, se encuentran diferentes técnicas enmarcadas en la arquitectura bioclimática: la
orientación de los edificios al Sol, la selección de materiales con una masa térmica favorable o
que tengan propiedades para la dispersión de luz, así como el diseño de espacios mediante
ventilación natural.
En 2011, la Agencia Internacional de la Energía afirmó que «El desarrollo de tecnologías
solares limpias, baratas e inagotables supondrá un enorme beneficio a largo plazo. Aumentará
la seguridad energética de los países mediante el uso de una fuente de energía local, inagotable
y, aún más importante, independientemente de importaciones, aumentará la sostenibilidad,
reducirá la contaminación, disminuirá los costes de la mitigación del cambio climático, y evitará
la subida excesiva de los precios de los combustibles fósiles. Estas ventajas son globales. De
esta manera, los costes para su incentivo y desarrollo deben ser considerados inversiones;
deben ser realizadas de forma correcta y ampliamente difundidas.
8
La fuente de energía solar más desarrollada en la actualidad es la energía solar fotovoltaica.
Según informes de la organización ecologista Greenpeace, la energía solar fotovoltaica podría
suministrar electricidad a dos tercios de la población mundial en 2030.
Gracias a los avances tecnológicos, la sofisticación y la economía de escala, el coste de la
energía solar fotovoltaica se ha reducido de forma constante desde que se fabricaron las
primeras células solares comerciales, aumentando a su vez la eficiencia, y su coste medio de
generación eléctrica ya es competitivo con las energías no renovables en un creciente número
de regiones geográficas, alcanzando la paridad de red. Otras tecnologías solares, como la
energía solar termoeléctrica están reduciendo sus costes también de forma considerable.
La Tierra recibe 174 peta vatios de radiación solar entrante (insolación) desde la capa más alta
de la atmósfera. Aproximadamente el 30 % regresa al espacio, mientras que las nubes, los
océanos y las masas terrestres absorben la restante. El espectro electromagnético de la luz solar
en la superficie terrestre lo ocupa principalmente la luz visible y los rangos de infrarrojos con
una pequeña parte de radiación ultravioleta.
La potencia de la radiación varía según el momento del día, las condiciones atmosféricas que la
amortiguan y la latitud. En condiciones de radiación aceptables, la potencia equivale
aproximadamente a 1000 W/m² en la superficie terrestre. Esta potencia se denomina
irradiación. Nótese que en términos globales prácticamente toda la radiación recibida es
reemitida al espacio (de lo contrario se produciría un calentamiento abrupto). Sin embargo,
existe una diferencia notable entre la radiación recibida y la emitida.
La radiación es aprovechable en sus componentes directos y difusos, o en la suma de ambos.
La radiación directa es la que llega directamente del foco solar, sin reflexiones o refracciones
intermedias. La bóveda celeste diurna emite la radiación difusa debido a los múltiples
fenómenos de reflexión y refracción solar en la atmósfera, en las nubes y el resto de elementos
atmosféricos y terrestres. La radiación directa puede reflejarse y concentrarse para su
utilización, mientras que no es posible concentrar la luz difusa que proviene de todas las
direcciones.
La irradiación directa normal (o perpendicular a los rayos solares) fuera de la atmósfera, recibe
el nombre de constante solar y tiene un valor medio de 1366 W/m² (que corresponde a un
valor máximo en el perihelio de 1395 W/m² y un valor mínimo en el afelio de 1308 W/m²).
La radiación absorbida por los océanos, las nubes, el aire y las masas de tierra incrementan la
temperatura de éstas. El aire calentado es el que contiene agua evaporada que asciende de los
océanos, y también en parte de los continentes, causando circulación atmosférica o
convección. Cuando el aire asciende a las capas altas, donde la temperatura es baja, va
disminuyendo su temperatura hasta que el vapor de agua se condensa formando nubes. El
calor latente de la condensación del agua amplifica la convección, produciendo fenómenos
como el viento, borrascas y anticiclones. 10
La energía solar absorbida por los océanos y masas
terrestres mantiene la superficie a 14 °C.11
Para la fotosíntesis de las plantas verdes la energía
solar se convierte en energía química, que produce alimento, madera y biomasa, de la cual
derivan también los combustibles fósiles.
9
Desarrollo de la tecnología solar.
El desarrollo temprano de las tecnologías solares, comenzando en la década de 1860 estuvo
motivado por la expectación de que el carbón pronto escasearía. Sin embargo, el desarrollo de
la energía solar se estancó a comienzos del siglo XX debido a la cada vez mayor disponibilidad
y economía de escala de fuentes no renovables como el carbón y el petróleo. En 1974, se
estimaba que tan sólo seis casas privadas en toda Norteamérica eran alimentadas mediante
sistemas solares. No obstante, la crisis del petróleo de 1973 y la crisis de 1979 provocaron un
cambio importante de la política energética alrededor del mundo y puso de nuevo el foco de
atención en las incipientes tecnologías solares. Se desarrollaron las primeras estrategias de
desarrollo, centradas en programas de incentivos como el Federal Photovoltaic Utilization Program
en Estados Unidos y el Sunshine Program en Japón. Otros esfuerzos fueron la creación de
organizaciones de investigación en Estados Unidos (NREL), Japón (NEDO) y Alemania
(Fraunhofer–ISE). Entre 1970 y 1983, las instalaciones de sistemas fotovoltaicos crecieron
rápidamente, pero la caída del precio del petróleo en la década de 1980 moderó el crecimiento
de la energía solar entre 1984 y 1996.
Desde 1996 hasta hoy.
A mediados de la década de 1990, comenzó a acelerarse el desarrollo de la energía fotovoltaica
sobre tejados, tanto residenciales como comerciales, así como las plantas de conexión a red,
debido a la creciente preocupación por el suministro de petróleo y gas natural, el protocolo de
Kyoto y la preocupación por el cambio climático, así como a la mejora en la competitividad de
los costes de la energía fotovoltaica frente a otras fuentes de energía. A comienzos del siglo
XXI, la adopción de mecanismos de subvención y políticas de apoyo a las energías renovables,
que daban a éstas prioridad de acceso a la red, incrementaron exponencialmente el desarrollo
de la energía fotovoltaica, primero en Europa y después en el resto del mundo. La energía solar
termoeléctrica (CSP), sin embargo, aunque también ha progresado en las últimas décadas,
todavía supone una pequeña fracción de la contribución global de la energía solar al
abastecimiento energético.
Tecnología y usos de la energía solar
Clasificación por tecnologías y su correspondiente uso más general:
 Energía solar activa: para uso de baja temperatura (entre 35 °C y 60 °C), se utiliza en
casas; de media temperatura, alcanza los 300 °C; y de alta temperatura, llega a alcanzar
los 2000 °C. Esta última, se consigue al incidir los rayos solares en espejos, que van
dirigidos a un reflector que lleva a los rayos a un punto concreto. También puede ser
por centrales de torre y por espejos parabólicos.
 Energía solar pasiva: Aprovecha el calor del sol sin necesidad de mecanismos o
sistemas mecánicos.
 Energía solar térmica: Es usada para producir agua caliente de baja temperatura para
uso sanitario y calefacción.
 Energía solar fotovoltaica: Es usada para producir electricidad mediante placas de
semiconductores que se alteran con la radiación solar.
10
 Energía termo solar de concentración: Es usada para producir electricidad con un ciclo
termodinámico convencional a partir de un fluido calentado a alta temperatura (aceite
térmico).
 Energía solar híbrida: Combina la energía solar con otra energía. Según la energía con
la que se combine es una hibridación:
o Renovable: biomasa, energía eólica.26
o No renovable: Combustible fósil.
 Energía eólico solar: Funciona con el aire calentado por el sol, que sube por una
chimenea donde están los generadores.
2. RELACIÓN DEL PROYECTO CON OTRAS CIENCIAS.
“La energía no se destruye ni se crea solo se transforma”.
2.1 FISICA: nuestro Proyecto se relaciona con las ciencias físicas por que convierte energía
solar a energía eléctrica, dicha transformación de energía es un evento estudiado por la
física.
2.2 ELECTRONICA: La relación de nuestro Proyecto con la electrónica es que el elemento
transformador es un diodo emisor de luz (LED´S), el cual es un elemento electrónico.
2.3 MATEMATICA: La relación de nuestro Proyecto con la matemática es que el cálculo
para determinar la potencia de nuestro dispositivo fotovoltaico, es un cálculo matemático.
2.4 ECOLOGIA: La relación de nuestro Proyecto con la ecología es que este utiliza
tecnología para producir sistemas fotovoltaicos de bajo costo, ahorradores de energía y
amigables con el medio ambiente.
3 GLOSARIO.
 AGENTES ATMOSFÉRICOS: son los responsables de la destrucción de las rocas
en los procesos de meteorización. Los agentes atmosféricos más activos son: humedad,
temperatura y viento.
 AMPERIO: El amperio o ampere (símbolo A), es la unidad de intensidad de
corriente eléctrica. Forma parte de las unidades básicas en el Sistema Internacional de
Unidades y fue nombrado en honor al matemático y físico francés André-Marie
Ampère. El amperio es la intensidad de una corriente constante que, manteniéndose en
dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular
despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro en el vacío, produciría
una fuerza igual a 2×10-7
newton por metro de longitud.
 ÁNODO: es conocido como el electrodo responsable de la reacción de oxidación de
los elementos. Un gran error que fue desarrollado es pensar en que su polaridad es
eternamente positiva. La mayoría de las veces este concepto es erróneo ya que
11
dependiendo del dispositivo utilizado la polaridad puede variar y a esto se le suma el
modo en que trabaja teniendo en cuenta el flujo y la dirección de la corriente eléctrica.
Poniendo las cosas un poco más claras, el ánodo es positivo si absorbe energía y
negativo cuando la suministra. 3. ARSENIURO DE GALIO: es un compuesto de
galio y arsénico. Es un importante semiconductor y se usa para fabricar dispositivos
como circuitos integrados a frecuencias de microondas, diodos de emisión infrarroja,
diodos láser y células fotovoltaicas.
 CATODO: Polo negativo de una pila eléctrica.
 CELDAS SOLARES: son pequeñas células hechas de silicio cristalino y/o arseniuro
de galio, que son materiales semiconductores, esto quiere decir que son materiales que
pueden comportarse como conductores de electricidad o como aislante depende del
estado en que se encuentren.
 CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA: consiste en la transformación directa de la
energía luminosa en energía eléctrica. Se utilizan para ello unas placas solares formadas
por células fotovoltaicas (de silicio o de germanio).
 CONVERSIÓN TÉRMICA DE ALTA TEMPERATURA: consiste en
transformar la energía solar en energía térmica almacenada en un fluido. Para calentar
el líquido se emplean unos dispositivos llamados colectores.
 DIODO: Componente electrónico que permite el paso de la corriente en un solo
sentido. La flecha de la representación simbólica muestra la dirección en la que fluye la
corriente.
 ELECTRÓN: es una partícula elemental estable cargada negativamente que
constituye uno de los componentes fundamentales del átomo. Forma parte del grupo
de los leptones.
 ELECTROLUMINISCENSIA: es un fenómeno óptico y eléctrico en el cual un
material emite luz en respuesta a una corriente eléctrica que fluye a través de él, o por
causa de la fuerza de un campo eléctrico. Debe distinguirse de la emisión de luz por
causa de la temperatura (incandescencia), por causa de la acción de productos químicos
(quimioluminiscencia) o de otros fenómenos que también pueden generar luz.
 FOTÓN:En física moderna, el fotón (en griego φῶς phōs (gen. φωτός) 'luz', y -ón) es la
partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno
electromagnético.
 VOLTIO:El voltio, o volt, por símbolo V, es la unidad derivada del Sistema
Internacional para el potencial eléctrico, la fuerza electromotriz y la tensión eléctrica.
Recibe su nombre en honor a Alessandro Volta, quien en 1800 inventó la pila voltaica,
la primera batería química.
12
4 ESQUEMA DEL PROYECTO.
4.1 ESQUEMA.
4.2 EXPLICACIÓN.
El proyecto consiste en elaborar un panel solar fotovoltaico por medio de Diodos de emisión
de luz (LED), para trasformar la energía solar en energía eléctrica, específicamente corriente
directa y con esta energía hacer funcionar uno de tres depósitos que utiliza este tipo de energía.
El proceso es el siguiente el Sol Produce la Energía Solar, el Panel Solar echo de LED capta
esta energía, el Led al recibir al recibirla produce un vació de electrones en la “Región
Agotada”del semiconductor, este vacío debe de ser llenado por electrones desde la zona P de
semiconductor a la zona N, generando un flujo de electrones que se denomina “Polarización
Inversa” y que rellena la región agotada con electrones, el movimiento de esto genera un
“Flujo Eléctrico” que es expulsado por el ánodo y el cátodo de forma constante, a este flujo
se le denomina “Corriente Inversa de Saturación” y es del orden de los 0.225 Voltios por
LED. Es una pequeña corriente del orden de los micro amperes, por lo que necesita la suma
de muchos LED para ser útil.
Panel Solar
• Principio
• Paneles Solares
• Conexión de paneles
• Serie
• Paralelo
Panel solarbase a LED
• Diodo emisor de Luz
• Celda Fotovoltaica
• Materiales y Construcción
• Tarjeta perforada
• Led
• Cautín
• Estaño
• Cable
Aplicaciones
• Elementos de Carga
• Ventajas
• Desventajas
13
5 BIBLIOGRAFIA.
Link Consultados.
https://es.wikipedia.org/wiki/Panel_solar
https://es.wikipedia.org/wiki/Led
https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar
https://es.wikipedia.org/wiki/Electroluminiscencia
https://es.wikipedia.org/wiki/Fot%C3%B3n
https://es.wikipedia.org/wiki/Amperio
https://es.wikipedia.org/wiki/Voltio
En Fecha: 3 de abril de 2016.

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Proyecto panel solar

  • 1. 1 Objetivo General. Desarrollar un panel solar a base de diodos emisores de luz (LED´s), para transformarenergía solar a energía eléctrica. Objetivos Específicos. 1. Describir cómo funcionanlos diodos emisores de luz. 2. Investigar el principio de los paneles solares con sus beneficios y aportes a la sociedad. 3. Diseñar el prototipo de un sistema de LED´s para energía eléctrica. 4. Construir un panel solar a base de LED´s 5. Demostrar el funcionamiento del proyecto
  • 2. 2 Planteamiento del problema En estos tiempos hemos llegado al punto que nuestros recursos principales; electricidad, materia prima, el agua, etc. Se están acabando a través de la contaminación. El presente proyecto tomauna medida alternativa para reducir el mal gasto de nuestros recursosy concientizar el daño que la humanidadle esta haciendo al planeta.
  • 3. 3 1. INVESTIGACIÓN BIBLIOGRAFICA. 1.1 Que es un Panel Solar Fotovoltaico. Los paneles fotovoltaicos: están formados por numerosas celdas que convierten la luz en electricidad. Las celdas a veces son llamadas células fotovoltaicas. Estas celdas dependen del efecto fotovoltaico por el que la energía lumínica produce cargas positiva y negativa en dos semiconductores próximos de diferente tipo, produciendo así un campo eléctrico capaz de generar una corriente. Los materiales para celdas solares suelen ser silicio cristalino o arseniuro de galio. Los cristales de arseniuro de galio se fabrican especialmente para uso fotovoltaico, mientras que los cristales de silicio están disponibles en lingotes normalizados, más baratos, producidos principalmente para el consumo de la industria microelectrónica. El silicio policristalino tiene una menor eficacia de conversión, pero también menor coste. Cuando se expone a luz solar directa, una celda de silicio de 6 cm de diámetro puede producir una corriente de alrededor 0,5 A a 0,5 V (equivalente a un promedio de 90 W/m², en un campo de normalmente 50-150 W/m², dependiendo del brillo solar y la eficiencia de la celda). El arseniuro de galio es más eficaz que el silicio, pero también más costoso. Las células de silicio más empleadas en los paneles fotovoltaicos se pueden dividir en tres subcategorías:  Las células de silicio mono cristalino están constituidas por un único cristal de silicio. Este tipo de células presenta un color azul oscuro uniforme.  Las células de silicio policristalino (también llamado multicristalino) están constituidas por un conjunto de cristales de silicio, lo que explica que su rendimiento sea algo inferior al de las células mono cristalinas. Se caracterizan por un color azul más intenso.  Las células de silicio amorfo. Son menos eficientes que las células de silicio cristalino, pero también más baratas. Este tipo de células es, por ejemplo, el que se emplea en aplicaciones solares como relojes o calculadoras. Los paneles solares se construyen con estas celdas agrupadas en forma apropiada. Para protegerlos de daños, causados por radiación o por el manejo de éstos, en la superficie frontal se los cubre con una cubierta de vidrio y se pegan sobre un sustrato —el cual puede ser un panel rígido o una manta blanda—. Se hacen conexiones eléctricas en serie – paralelo para fijar el voltaje total de salida. Los ensamblajes resultantes se llaman paneles solares. Qué pasa con la intensidad (Amp) y la tensión de corriente (V) Para hacer un panel solar recordemos los conceptos de ‘serie´ y ´paralelo´ aquí, en gráficos:
  • 4. 4  Las Conexiones en Serie suman los Voltajes y se mantienen los Amperajes Una célula (también llamado ´celda´) solar tiene una cara, campo o lado negativo (-) y puede ser de color azul, mira al Sol y el campo o lado positivo de color plomizo es la parte posterior (atrás). Las células solares se conectan entre sí en hileras (horizontal) y filas (vertical) como haciendo cadenas. Un Panel Solar se puede formar con ‘ X ‘ hileras conectadas entre sí y cada hilera tener ‘ Y ‘ células para armar un módulo o panel solar total con ( ‘ X ‘ x ‘ Y ‘ ) células solares. En la imagen abajo vemos tres (3) hileras compuestas de cuatro (4) célulascada hilera, lo que hace un panel de 12 células en total o lo que es lo mismo un panel de cuatro (4) filas compuestas de tres (3) células cada fila. Las células conectadas en serie suman el voltaje de cada célula. Se conecta un terminal positivo de una célula con otro terminal negativo de la siguiente manera: positivo con negativo. En la misma célula un negativo se conecta con un positivo. De la cara positiva sale una cinta hacia la cara negativa de la célula siguiente. Este negativo en la segunda célula se conecta con el positivo de la misma célula. De aquí sale otra cinta positiva hasta una tercera célula (no se dibujó) manteniendo la misma conexión (-) =>(+) => (-) => (+)…etc. Si cada célula es de 0.5 V y 2.0 Amp esta hilera de cuatro células tendrá un total de 2.0 voltios y 2.0 amperios. Conexión en Serie
  • 5. 5  Las conexiones en Paralelo suman los Amperios, y se mantiene el Voltaje La conexión paralela es cuando se conectan los terminales positivos de todas las células con un alambre transversal que los unen y todos los terminales negativos de todas las células en igual fijación transversal como se aprecian en la siguiente imagen: Conexión de celdas en paralelo 1.2 Que es un Diodo Emisor de Luz (LED). Un LED (del acrónimo inglés LED, ligh-emitting diode: ‘diodo emisor de luz’; el plural aceptado por la RAE es ledes) es un componente opto electrónico pasivo y, más concretamente, un diodo que emite luz. Los ledes se usan como indicadores en muchos dispositivos y en iluminación. Los primeros ledes emitían luz roja de baja intensidad, pero los dispositivos actuales emiten luz de alto brillo en el espectro infrarrojo, visible y ultravioleta. Debido a su capacidad de operación a altas frecuencias, son también útiles en tecnologías avanzadas de comunicaciones y control. Los ledes infrarrojos también se usan en unidades de control remoto de muchos productos comerciales incluyendo equipos de audio y video. Cuando un led se encuentra en polarización directa, los electrones pueden recombinarse con los huecos en el dispositivo, liberando energía en forma de fotones. Este efecto es llamado electroluminiscencia y el color de la luz (correspondiente a la energía del fotón) se determina a partir de la banda de energía del semiconductor. Por lo general, el área de un led es muy pequeña (menor a 1 mm2 ), y se pueden usar componentes ópticos integrados para formar su patrón de radiación. Comienza a lucir con una tensión de unos 2 Voltios.
  • 6. 6 Estructura interna de un led común Un diodo LED común se compone de las siguientes partes: Extremo superior abovedado de la cápsula de resina epoxi, que hace también función de lente convexa. La existencia de esta lente permite concentrar el haz de luz que emite el chip y proyectarlo en una sola dirección. Cápsula de resina epoxi protectora del chip. Chip o diodo semiconductor emisor de luz. Copa reflectora. En el interior de esta copa se aloja el chip emisor de luz. Base redonda de la cápsula de resina epoxi. Esta base posee una marca plana situada junto a uno de los dos alambres de conexión del LED al circuito externo, que sirve para identificar el terminal negativo (–) correspondiente al cátodo del chip. Terminal negativo (–) de conexión a un circuito eléctrico o electrónico externo. En un LED nuevo este terminal se identifica a simple vista, porque siempre es más corto que el terminal positivo. Alambre terminal positivo (+) correspondiente al ánodo del chip del diodo, que se utiliza para conectarlo al circuito externo. Alambre muy delgado de oro, conectado internamente con el terminal positivo (+) y con el ánodo del chip. Estructura interna del chip de un diodo LED. En esta ilustración el chip se compone de nitruro de galio (GaN) como elemento semiconductor. Aquí la corriente de electrones “I” que parte del polo negativo (–) de la batería “B”, penetra en el diodo LED por el cátodo (negativo), correspondiente a la región “N”. Cuando a este chip se le aplica un voltaje adecuado que lo polarice de forma directa, los electrones adquieren la energía extra necesaria que les permite circular y atravesar las dos regiones que lo componen. Desde el mismo momento que la batería “B” suministra a los electrones la energía suficiente para vencer la oposición que les ofrece a su paso la barrera de potencial que se crea en el punto de unión o juntura que limita las dos regiones del diodo, estos pueden pasar a ocupar los huecos existentes en la región “P” (positiva). Acto seguido los electrones continúan su recorrido por esa otra parte del diodo, circulan por el circuito externo, atraviesan la resistencia limitadora de corriente “R” y alcanzan, finalmente, el polo positivo (+) de la batería o fuente de energía de corriente directa, completando así su recorrido por todo el circuito. Una vez que los electrones comienzan a circular por el interior del diodo, en el mismo momento que cada uno de ellos atraviesa la barrera de potencial y se une a un hueco en la región “P”, el exceso de energía extra previamente adquirida procedente de la batería la libera en forma de fotón de luz. En el caso del diodo LED de este ejemplo, la luz emitida será ultravioleta (UV), invisible al ojo humano, por ser nitruro de galio (GaN) el componente químico del material semiconductor que compone este chip.
  • 7. 7 El chip de un diodo LED común no se considera una “lámpara” propiamente dicho como ocurre con otras fuentes de iluminación o bombillas más tradicionales. Para que sea considerado como tal, además del chip emisor de luz en sí, tiene que contener también otros elementos adicionales, como son: un controlador electrónico odriver, un disipador de calor y componentes ópticos apropiados, tal como poseen las “lámparas LED” de alta potencia luminosa utilizadas para su uso en alumbrado general. 1.3Energía Solar. La energía solar es una energía renovable, obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación electromagnética procedente del Sol. La radiación solar que alcanza la Tierra ha sido aprovechada por el ser humano desde la Antigüedad, mediante diferentes tecnologías que han ido evolucionando. En la actualidad, el calor y la luz del Sol puede aprovecharse por medio de diversos captadores como células fotovoltaicas, helióstatos o colectores térmicos, pudiendo transformarse en energía eléctrica o térmica. Es una de las llamadas energías renovables o energías limpias, que podrían ayudar a resolver algunos de los problemas más urgentes que afronta la humanidad. Las diferentes tecnologías solares se pueden clasificar en pasivas o activas según cómo capturan, convierten y distribuyen la energía solar. Las tecnologías activas incluyen el uso de paneles fotovoltaicos y colectores solar térmicos para recolectar la energía. Entre las técnicas pasivas, se encuentran diferentes técnicas enmarcadas en la arquitectura bioclimática: la orientación de los edificios al Sol, la selección de materiales con una masa térmica favorable o que tengan propiedades para la dispersión de luz, así como el diseño de espacios mediante ventilación natural. En 2011, la Agencia Internacional de la Energía afirmó que «El desarrollo de tecnologías solares limpias, baratas e inagotables supondrá un enorme beneficio a largo plazo. Aumentará la seguridad energética de los países mediante el uso de una fuente de energía local, inagotable y, aún más importante, independientemente de importaciones, aumentará la sostenibilidad, reducirá la contaminación, disminuirá los costes de la mitigación del cambio climático, y evitará la subida excesiva de los precios de los combustibles fósiles. Estas ventajas son globales. De esta manera, los costes para su incentivo y desarrollo deben ser considerados inversiones; deben ser realizadas de forma correcta y ampliamente difundidas.
  • 8. 8 La fuente de energía solar más desarrollada en la actualidad es la energía solar fotovoltaica. Según informes de la organización ecologista Greenpeace, la energía solar fotovoltaica podría suministrar electricidad a dos tercios de la población mundial en 2030. Gracias a los avances tecnológicos, la sofisticación y la economía de escala, el coste de la energía solar fotovoltaica se ha reducido de forma constante desde que se fabricaron las primeras células solares comerciales, aumentando a su vez la eficiencia, y su coste medio de generación eléctrica ya es competitivo con las energías no renovables en un creciente número de regiones geográficas, alcanzando la paridad de red. Otras tecnologías solares, como la energía solar termoeléctrica están reduciendo sus costes también de forma considerable. La Tierra recibe 174 peta vatios de radiación solar entrante (insolación) desde la capa más alta de la atmósfera. Aproximadamente el 30 % regresa al espacio, mientras que las nubes, los océanos y las masas terrestres absorben la restante. El espectro electromagnético de la luz solar en la superficie terrestre lo ocupa principalmente la luz visible y los rangos de infrarrojos con una pequeña parte de radiación ultravioleta. La potencia de la radiación varía según el momento del día, las condiciones atmosféricas que la amortiguan y la latitud. En condiciones de radiación aceptables, la potencia equivale aproximadamente a 1000 W/m² en la superficie terrestre. Esta potencia se denomina irradiación. Nótese que en términos globales prácticamente toda la radiación recibida es reemitida al espacio (de lo contrario se produciría un calentamiento abrupto). Sin embargo, existe una diferencia notable entre la radiación recibida y la emitida. La radiación es aprovechable en sus componentes directos y difusos, o en la suma de ambos. La radiación directa es la que llega directamente del foco solar, sin reflexiones o refracciones intermedias. La bóveda celeste diurna emite la radiación difusa debido a los múltiples fenómenos de reflexión y refracción solar en la atmósfera, en las nubes y el resto de elementos atmosféricos y terrestres. La radiación directa puede reflejarse y concentrarse para su utilización, mientras que no es posible concentrar la luz difusa que proviene de todas las direcciones. La irradiación directa normal (o perpendicular a los rayos solares) fuera de la atmósfera, recibe el nombre de constante solar y tiene un valor medio de 1366 W/m² (que corresponde a un valor máximo en el perihelio de 1395 W/m² y un valor mínimo en el afelio de 1308 W/m²). La radiación absorbida por los océanos, las nubes, el aire y las masas de tierra incrementan la temperatura de éstas. El aire calentado es el que contiene agua evaporada que asciende de los océanos, y también en parte de los continentes, causando circulación atmosférica o convección. Cuando el aire asciende a las capas altas, donde la temperatura es baja, va disminuyendo su temperatura hasta que el vapor de agua se condensa formando nubes. El calor latente de la condensación del agua amplifica la convección, produciendo fenómenos como el viento, borrascas y anticiclones. 10 La energía solar absorbida por los océanos y masas terrestres mantiene la superficie a 14 °C.11 Para la fotosíntesis de las plantas verdes la energía solar se convierte en energía química, que produce alimento, madera y biomasa, de la cual derivan también los combustibles fósiles.
  • 9. 9 Desarrollo de la tecnología solar. El desarrollo temprano de las tecnologías solares, comenzando en la década de 1860 estuvo motivado por la expectación de que el carbón pronto escasearía. Sin embargo, el desarrollo de la energía solar se estancó a comienzos del siglo XX debido a la cada vez mayor disponibilidad y economía de escala de fuentes no renovables como el carbón y el petróleo. En 1974, se estimaba que tan sólo seis casas privadas en toda Norteamérica eran alimentadas mediante sistemas solares. No obstante, la crisis del petróleo de 1973 y la crisis de 1979 provocaron un cambio importante de la política energética alrededor del mundo y puso de nuevo el foco de atención en las incipientes tecnologías solares. Se desarrollaron las primeras estrategias de desarrollo, centradas en programas de incentivos como el Federal Photovoltaic Utilization Program en Estados Unidos y el Sunshine Program en Japón. Otros esfuerzos fueron la creación de organizaciones de investigación en Estados Unidos (NREL), Japón (NEDO) y Alemania (Fraunhofer–ISE). Entre 1970 y 1983, las instalaciones de sistemas fotovoltaicos crecieron rápidamente, pero la caída del precio del petróleo en la década de 1980 moderó el crecimiento de la energía solar entre 1984 y 1996. Desde 1996 hasta hoy. A mediados de la década de 1990, comenzó a acelerarse el desarrollo de la energía fotovoltaica sobre tejados, tanto residenciales como comerciales, así como las plantas de conexión a red, debido a la creciente preocupación por el suministro de petróleo y gas natural, el protocolo de Kyoto y la preocupación por el cambio climático, así como a la mejora en la competitividad de los costes de la energía fotovoltaica frente a otras fuentes de energía. A comienzos del siglo XXI, la adopción de mecanismos de subvención y políticas de apoyo a las energías renovables, que daban a éstas prioridad de acceso a la red, incrementaron exponencialmente el desarrollo de la energía fotovoltaica, primero en Europa y después en el resto del mundo. La energía solar termoeléctrica (CSP), sin embargo, aunque también ha progresado en las últimas décadas, todavía supone una pequeña fracción de la contribución global de la energía solar al abastecimiento energético. Tecnología y usos de la energía solar Clasificación por tecnologías y su correspondiente uso más general:  Energía solar activa: para uso de baja temperatura (entre 35 °C y 60 °C), se utiliza en casas; de media temperatura, alcanza los 300 °C; y de alta temperatura, llega a alcanzar los 2000 °C. Esta última, se consigue al incidir los rayos solares en espejos, que van dirigidos a un reflector que lleva a los rayos a un punto concreto. También puede ser por centrales de torre y por espejos parabólicos.  Energía solar pasiva: Aprovecha el calor del sol sin necesidad de mecanismos o sistemas mecánicos.  Energía solar térmica: Es usada para producir agua caliente de baja temperatura para uso sanitario y calefacción.  Energía solar fotovoltaica: Es usada para producir electricidad mediante placas de semiconductores que se alteran con la radiación solar.
  • 10. 10  Energía termo solar de concentración: Es usada para producir electricidad con un ciclo termodinámico convencional a partir de un fluido calentado a alta temperatura (aceite térmico).  Energía solar híbrida: Combina la energía solar con otra energía. Según la energía con la que se combine es una hibridación: o Renovable: biomasa, energía eólica.26 o No renovable: Combustible fósil.  Energía eólico solar: Funciona con el aire calentado por el sol, que sube por una chimenea donde están los generadores. 2. RELACIÓN DEL PROYECTO CON OTRAS CIENCIAS. “La energía no se destruye ni se crea solo se transforma”. 2.1 FISICA: nuestro Proyecto se relaciona con las ciencias físicas por que convierte energía solar a energía eléctrica, dicha transformación de energía es un evento estudiado por la física. 2.2 ELECTRONICA: La relación de nuestro Proyecto con la electrónica es que el elemento transformador es un diodo emisor de luz (LED´S), el cual es un elemento electrónico. 2.3 MATEMATICA: La relación de nuestro Proyecto con la matemática es que el cálculo para determinar la potencia de nuestro dispositivo fotovoltaico, es un cálculo matemático. 2.4 ECOLOGIA: La relación de nuestro Proyecto con la ecología es que este utiliza tecnología para producir sistemas fotovoltaicos de bajo costo, ahorradores de energía y amigables con el medio ambiente. 3 GLOSARIO.  AGENTES ATMOSFÉRICOS: son los responsables de la destrucción de las rocas en los procesos de meteorización. Los agentes atmosféricos más activos son: humedad, temperatura y viento.  AMPERIO: El amperio o ampere (símbolo A), es la unidad de intensidad de corriente eléctrica. Forma parte de las unidades básicas en el Sistema Internacional de Unidades y fue nombrado en honor al matemático y físico francés André-Marie Ampère. El amperio es la intensidad de una corriente constante que, manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro en el vacío, produciría una fuerza igual a 2×10-7 newton por metro de longitud.  ÁNODO: es conocido como el electrodo responsable de la reacción de oxidación de los elementos. Un gran error que fue desarrollado es pensar en que su polaridad es eternamente positiva. La mayoría de las veces este concepto es erróneo ya que
  • 11. 11 dependiendo del dispositivo utilizado la polaridad puede variar y a esto se le suma el modo en que trabaja teniendo en cuenta el flujo y la dirección de la corriente eléctrica. Poniendo las cosas un poco más claras, el ánodo es positivo si absorbe energía y negativo cuando la suministra. 3. ARSENIURO DE GALIO: es un compuesto de galio y arsénico. Es un importante semiconductor y se usa para fabricar dispositivos como circuitos integrados a frecuencias de microondas, diodos de emisión infrarroja, diodos láser y células fotovoltaicas.  CATODO: Polo negativo de una pila eléctrica.  CELDAS SOLARES: son pequeñas células hechas de silicio cristalino y/o arseniuro de galio, que son materiales semiconductores, esto quiere decir que son materiales que pueden comportarse como conductores de electricidad o como aislante depende del estado en que se encuentren.  CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA: consiste en la transformación directa de la energía luminosa en energía eléctrica. Se utilizan para ello unas placas solares formadas por células fotovoltaicas (de silicio o de germanio).  CONVERSIÓN TÉRMICA DE ALTA TEMPERATURA: consiste en transformar la energía solar en energía térmica almacenada en un fluido. Para calentar el líquido se emplean unos dispositivos llamados colectores.  DIODO: Componente electrónico que permite el paso de la corriente en un solo sentido. La flecha de la representación simbólica muestra la dirección en la que fluye la corriente.  ELECTRÓN: es una partícula elemental estable cargada negativamente que constituye uno de los componentes fundamentales del átomo. Forma parte del grupo de los leptones.  ELECTROLUMINISCENSIA: es un fenómeno óptico y eléctrico en el cual un material emite luz en respuesta a una corriente eléctrica que fluye a través de él, o por causa de la fuerza de un campo eléctrico. Debe distinguirse de la emisión de luz por causa de la temperatura (incandescencia), por causa de la acción de productos químicos (quimioluminiscencia) o de otros fenómenos que también pueden generar luz.  FOTÓN:En física moderna, el fotón (en griego φῶς phōs (gen. φωτός) 'luz', y -ón) es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético.  VOLTIO:El voltio, o volt, por símbolo V, es la unidad derivada del Sistema Internacional para el potencial eléctrico, la fuerza electromotriz y la tensión eléctrica. Recibe su nombre en honor a Alessandro Volta, quien en 1800 inventó la pila voltaica, la primera batería química.
  • 12. 12 4 ESQUEMA DEL PROYECTO. 4.1 ESQUEMA. 4.2 EXPLICACIÓN. El proyecto consiste en elaborar un panel solar fotovoltaico por medio de Diodos de emisión de luz (LED), para trasformar la energía solar en energía eléctrica, específicamente corriente directa y con esta energía hacer funcionar uno de tres depósitos que utiliza este tipo de energía. El proceso es el siguiente el Sol Produce la Energía Solar, el Panel Solar echo de LED capta esta energía, el Led al recibir al recibirla produce un vació de electrones en la “Región Agotada”del semiconductor, este vacío debe de ser llenado por electrones desde la zona P de semiconductor a la zona N, generando un flujo de electrones que se denomina “Polarización Inversa” y que rellena la región agotada con electrones, el movimiento de esto genera un “Flujo Eléctrico” que es expulsado por el ánodo y el cátodo de forma constante, a este flujo se le denomina “Corriente Inversa de Saturación” y es del orden de los 0.225 Voltios por LED. Es una pequeña corriente del orden de los micro amperes, por lo que necesita la suma de muchos LED para ser útil. Panel Solar • Principio • Paneles Solares • Conexión de paneles • Serie • Paralelo Panel solarbase a LED • Diodo emisor de Luz • Celda Fotovoltaica • Materiales y Construcción • Tarjeta perforada • Led • Cautín • Estaño • Cable Aplicaciones • Elementos de Carga • Ventajas • Desventajas