Optoelectrónica

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CELDAS SOLARES
UNIDAD III
Los dispositivos fotovoltaicos generan una fuerza electromotriz cuando se exponen a una
fuente luminosa. Convierten directamente la energía luminosa en energía eléctrica. No
requiere una fuente de energía eléctrica externa para producir un flujo de corriente, como en
los dispositivos fotoconductores. Una celda solar consiste en una unión p-n de silicio.
Si no se aplica luz a la unión, el circuito mostrado no produce flujo de corriente (no se
polariza el diodo p-n). Si se ilumina la región, habrá un flujo de corriente causado por el
voltaje que aparece en las terminales de la celda fotovoltaica. Este voltaje se denomina
fotovoltaje VPH y la corriente resultante fotocorriente IPH. Como sucede con cualquier fuente
de energía eléctrica, el voltaje de salida es un máximo cuando la carga es un circuito abierto
(RL = ∞), y se produce el voltaje fotovoltaico VOC. La corriente de salida es un máximo
cuando la carga es un corto circuito (RL = o) y se denomina corriente de corto circuito ISC.
Corriente de cortocircuito y voltaje de circuito abierto contra intensidad luminosa
Tipo p
Tipo n
Contacto metálico
co
Vidrio
Luz solar incidente
+
VOC
_
Contactos de anillo
exterior
La corriente de corto circuito es
función lineal de la iluminación, no
así para VOC. El mayor incremento
para VOC ocurre para aumentos de
menor nivel de la iluminación. A lo
largo, un aumento en la
iluminación tendrá poco efecto
sobre VOC, aunque ISC aumentará,
incrementando la capacidad de
potencia.

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Los materiales que se usan en la construcción de celdas solares son: Selenio, Silicio, Arseniuro
de Galio, Arseniuro de Indio y Sulfuro de Cadmio.
Respuesta espectral del Si, Se y la visión
La respuesta de la celda de Se es próxima a la correspondiente al ojo. Este hecho tiene una
amplia aplicación en equipo fotográfico como medidores de exposición y los diafragmas de
exposición automática.
La eficiencia de operación de una celda solar se determina mediante la salida de potencia
eléctrica dividida entre la potencia que proporciona la fuente luminosa.
𝜂 =
𝑃 𝑜 (𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎)
𝑃𝑖 (𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑜𝑠𝑎)
(100%)
Los niveles típicos de eficiencia varían de 10 a 40%. La celda fotovoltaica de unión p-n de Si
se usa en aplicaciones espaciales en que el sol es la única fuente de luz. Cuando se emplean
así, estas celdas se denominan celdas solares o baterías solares.
A pesar de la alta eficiencia de las celdas de Si, También se utiliza el Se, debido a que
proporciona características más estables con la temperatura y el transcurso del tiempo.
La velocidad de respuesta es mayor que las celdas fotoconductoras de CdS. Típicamente
responden a niveles de luz entre 10KHz a 50KHz.

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El efecto de la temperatura sobre las características de los dispositivos fotovoltaicos se
representa en la siguiente gráfica:
El voltaje a circuito abierto decrece a medida que la temperatura aumenta de 25°C a 75°C.
Así, no puede suministrar tanto voltaje (y en consecuencia tanta potencia) a 75°C como puede
hacerlo a 25°C. La corriente a corto circuito es prácticamente independiente de la temperatura.
Actualmente existen tres generaciones de celdas solares:
 Primera generación. El dispositivo consiste en una gran superficie de silicio, formada por
una única capa de uniones p-n, la cual es capaz de generar electricidad usando el espectro
visible de la luz solar. De este tipo son la mayoría de las células que se producen en la
actualidad. Su eficiencia es baja, el rendimiento práctico no suele ir más allá del 15% y su
coste, debido al proceso de elaboración, muy elevado.
 Segunda generación. Se basa en múltiples capas de uniones p-n. Cada capa está diseñada
para absorber una longitud de onda mayor de la luz, incrementando la producción de
electricidad y por tanto, la eficiencia.
 Tercera generación. Esta generación es muy diferente de las otras dos. El semiconductor
no se apoya sobre las uniones p-n tradicionales para separar las cargas eléctricas foto-
generadas. Estos nuevos dispositivos son las células solares del tipo sensibilizado por tinte
(dye sensitized solar cells), las células de polímeros orgánicos y las de puntos cuánticos
(quantum dot).
La actual tercera generación de celdas solares, también construidas a base de láminas
delgadas, obvia las dificultades anteriores de la siguiente forma. Las capas de material
semiconductor se depositan directamente sobre metal, eliminando así pasos los adicionales
para colocar los contactos. Además, el procedimiento elimina la fragilidad del dispositivo,
0.1 0.2 0.3 0.4
VPH
25°C
75°C
IPH, mA
ISC
1
0.5
0
VOC

4. 4
proporcionando celdas solares con un alto grado de flexibilidad, lo que resulta altamente
ventajoso desde el punto de vista de su manipulación mecánica.
Pero quizás la ventaja más importante sea que el proceso productivo se simplifica
enormemente. En vez de la complicada deposición al vacío, las capas semiconductoras se
aplican mediante un chorro de tinta que contiene partículas semiconductoras nanométricas,
usando un proceso de impresión rotativo similar al del offset convencional, empleado
comúnmente para imprimir periódicos y revistas.
La celda solar de láminas delgadas
Las capas absorbentes en una celda solar de silicio tienen un espesor de 0.35 milímetros; la de
una celda de láminas delgadas es de sólo 0.001 milímetros (1 micrómetro). Esto es posible
porque los materiales utilizados absorben la radiación solar con mucha mayor eficiencia que el
silicio cristalino.
Hay tres tipos diferentes de celdas a
láminas delgadas: silicio amorfo (a-Si),
cadmio-telurio (CdTe) y seleniuro de
cobre-indio-galio (CuInGaSe). Todas se
caracterizan por su gran flexibilidad, al
estar depositadas directamente sobre una
fina capa de metal o vidrio.

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ECONOMÍA
ENERGIA SOLAR ELECTRIFICACION CONVENCIONAL
• No requiere instalación de transformador, ni
red primaria, ni cable preensamblado.
• Necesariamente se debe instalar red
primaria, transformador y tendido secundario
con cable preensamblado.
• Cantidad de materiales bajo (celdas
fotovoltaicas, banco de baterías, regulador,
lámparas y cable eléctrico).
• Listado de materiales extenso.
• Costo de instalación muy económico. • Costo de instalación alto, debido al tendido
de las líneas y la hincada de postes.
• Costos de mano de obra muy precisos. • Costo de instalación por kilómetro de línea
es considerable y más aún en zonas de
condiciones adversas.
• El proyecto no necesita pago de trámites de
derecho ante ninguna entidad.
• Como cualquier proyecto eléctrico
convencional requiere del pago de derechos
por trámites ante la empresa electrificadora.
• Costo del transporte de materiales mínimo
debido a la cantidad de los mismos.
• El costo de transporte se incrementa
considerablemente por lo robusto y pesado de
los materiales.
• No requiere instalación de acometida ni
contador de energía.
• Es obligatorio el uso del contador de
energía y de su respectiva acometida, cuyos
costos deben ser asumidos por el usuario.
• No requiere cobro de facturación posterior a
la instalación de la celda debido a que la
fuente de la energía es el sol.
• Después de instalado el contador el usuario
asume los costos por el cobro de facturación.
• El tiempo de garantía de la celda
fotovoltáica es de 25 años.
• El tiempo de garantía de la red es de 15
años (máximo).
• No requiere estudios de factibilidad ni
planos topográficos, debido a que la
instalación es domiciliaria.
• Requiere estudios de factibilidad y planos
topográficos, debido a las condiciones
accidentales de los terrenos.
AMBIENTALES
ENERGIA SOLAR ELECTRIFICACION CONVENCIONAL
• El impacto ambiental es nulo, ya que la
instalación es domiciliaria.
• El impacto ambiental es considerable por la
poda de árboles y vegetación para el tendido.
• No necesita permiso de autoridad
municipal, debido a que la instalación se
realiza en el mismo predio.
• Por ser un proyecto que tiene impacto sobre
el ecosistema, requiere de licencia ambiental
expedida.
• La continuidad del servicio de energía es
constante, porque se depende exclusivamente
de la fuente solar.
• El servicio de energía depende de la
empresa comercializadora.

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APLICACIONES
 Sistemas de bombeo solar
Entre estas ventajas destaca el hecho de que los sistemas de bombeo pueden prescindir de
la batería. Como el incremento de las necesidades hídricas coincide con las épocas de mayor
radiación solar, suelen ser especialmente útiles en las demandas de cantidades medianas de
agua.
Existen diversos tipos de modelos de sistemas de bombeo fotovoltaicos, siendo el
más conocido de todos el de accionamiento directo. Otro sistema muy empleado es
el método tradicional de extracción de agua mediante bomba de corriente alterna.
A partir de estos elementos, la energía generada por los módulos fotovoltaicos pasa
directamente a un inversor, éste transforma la tensión continua en alterna, inyectando la
energía producida en la red eléctrica comercial.
 Estaciones centrales
Son plantas de gran capacidad (de hasta varios MW) operadas por la compañía suministradora.
La interconexión con la red siempre es trifásica debido al rango de potencia.
Los sistemas de bombeo
alimentados por paneles solares
fotovoltaicos pueden
proporcionar agua mediante su
conexión a bombas, tanto de
corriente continua como de
corriente alterna. Ofrecen una
fiabilidad eléctrica muy elevada,
llegando a un funcionamiento
automatizado.

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Paneles solares formados con módulos fotovoltaicos, Expo 2005 Aichi, Japón.
 Centrales conectadas a red con subvención a la producción (de un 75% actualmente en
España).
 Estaciones repetidoras de microondas y de radio.
 Electrificación de pueblos en áreas remotas (electrificación rural).
 Instalaciones médicas en áreas rurales.
 Corriente eléctrica para casas de campo.
 Sistemas de comunicaciones de emergencia.
 Sistemas de vigilancia de datos ambientales y de calidad del agua.
 Faros, boyas y balizas de navegación marítima.
 Bombeo para sistemas de riego, agua potable en áreas rurales y abrevaderos para
ganado.
 Balizamiento para protección aeronáutica.
 Sistemas de protección catódica.
 Sistemas de desalinización.
 Sistemas para cargar los acumuladores de barcos.
 Fuente de energía para naves espaciales.
 Postes SOS (teléfonos de emergencia de carretera).
 Parquímetros.
 Recarga de scooter eléctricos.
 Señalización ferroviaria.
 Vehículos de recreo