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La energía solar, el futuro de la humanidad (perspectiva aplicativa)

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El siguiente documento va dirigido para aquellas personas interesadas en poner un sistema fotovoltaico en su hogar o cualquier lugar

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La energía solar, el futuro de la humanidad (perspectiva aplicativa)

  1. 1. BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA FACULTAD DE INGENIERÍA COLEGIO DE INGENIERÍA INDUSTRIAL GABRIELA YAÑEZ PÉREZ DHTIC ENSAYO MAGDA SELENE HERNÁNDEZ FIGUEROA 11 DE ABRIL DE 2012
  2. 2. LA ENERGÍA SOLAR, EL FUTURO DE LA HUMANIDAD (Perspectiva aplicativa)La energía solar es un recurso inminente para todo ser humano, su intensidad varía enel transcurso del día debido a la rotación de la Tierra, y cambia en las estacionesdebido a la translación de ésta con respecto del Sol. La cantidad de energía que se recibe del Sol anualmente se estima en 1.49x10^8kWh, energía muy superior al consumo mundial. Ésta es limpia, inagotable y no cuesta,sin embargo el problema es como poder convertirla en una forma de energía que sepueda aprovechar, como la eléctrica. La conversión de energía solar en eléctrica se produce en las células solares queson parte del efecto fotovoltaico. Los paneles fotovoltaicos surgen de la necesidad y alta factibilidad para convertirla energía solar en eléctrica útil al hombre; estos paneles son hasta ahora la mejorforma de llevar a cabo esta conversión de manera directa a través del efecto antesmencionado que explicaremos a continuación. El sistema fotovoltaico esta compuesto por 4 partes principales que son: el panelfotovoltaico (el alma de este sistema, ya que es el que genera la corriente eléctrica),una batería, un regulador, y un convertidor. La parte más importante como ya se había mencionado es el panel, que por logeneral contiene de 30 a 48 células fotovoltaicas. Cada una de estas células estaformada por un material semiconductor, ya que en este tipo de materiales los electronesde valencia no están tan fuertemente unidos a los núcleos del átomo y esto permite queel efecto fotovoltaico se lleve a cabo, es decir que los fotones provenientes de laradiación solar que inciden sobre ella arranquen los electrones de valencia de losátomos que constituyen a la célula.
  3. 3. Para crear una célula fotovoltaica primero se cortan delgadas obleas de materialsemiconductor (como el silicio), para poder originar un campo eléctrico, positivo en unlado y negativo en el otro, a la zona negativa se le llamará “P” y a la positiva “N”.Posteriormente se deben incrustar impurezas en la parte superior de la célula, lasimpurezas deben ser de un material cuyos átomos tengan más electrones de valenciaque los del material de la célula. Posteriormente se coloca una lámina a lo largo de laparte de abajo de la célula cuya función es sacar la corriente fotovoltaica por la zona P,y luego de atravesar el circuito entrará a la célula por la zona N a través de unapequeña rejilla que no evite la llegada íntegra de los fotones del Sol a la célula. Bien, como ya se había mencionado el panel esta formado por varias célulasconectadas entre sí, ya que una sola no aportaría la energía suficiente para alimentarlas instalaciones que se tienen en la actualidad; la eficiencia de los paneles solaresdepende de varios factores como su posición o la ubicación geográfica, pero tambiénde otro muy importante que es la reflexión de la luz causada por las células, es decir laoblea que forma a las células fotovoltaicas es sumamente pulida lo que hace que puedallegar a reflejar hasta una tercera parte de la luz que incide sobre ella, para evitar estose lleva a cabo un procedimiento llamado “texturizado” en el cual se vuelve rugosa lasuperficie (por medio de pequeñas pirámides microscópicas), lo que hace que la luz seareflejada hacia el interior de las células. Además del panel, otra parte muy importante del sistema fotovoltaico es labatería, ya que ésta es la encargada de almacenar mediante un proceso reversible laenergía eléctrica en forma de energía química, para poder disponer de ésta en periodosque no es posible la generación de ella. Las otras partes importantes del sistema fotovoltaico son: El regulador: que se encarga de controlar el estado de carga de la batería, evitando tanto la descarga por debajo del nivel mínimo, como la sobrecarga. Otro elemento es el convertidor, que adapta la energía proveniente del generador fotovoltaico o de las baterías, que generalmente es en forma de corriente continua a corriente alterna, o simplemente la deja pasar como corriente continua.
  4. 4. Todas las partes mencionadas con anterioridad son necesarias para la instalaciónde un sistema fotovoltaico. Por otro lado, es necesario conocer las normas básicas para nuestro sistemafotovoltaico, como son limpiar la superficie del panel muy de vez en cuando, por muchodos veces al año, o mantener las baterías y el regulador en un lugar o contenedor librede humedad o agua para evitar la corrosión o el daño de estas partes. Por último, el panel solar puede estar montado sobre tres tipos de soportes quedebemos tomar en cuenta ya que “(…) tanto la irradiancia como la radiación solarcaptada por un panel fotovoltaico dependen de la orientación e inclinación de éste”(Castro, 2000, p.33) El primer tipo de soporte para el sistema fotovoltaico es sin seguimiento, es decir lasuperficie colectora es fija, por lo que son los más económicos y simples ya que notienen elementos móviles, para este tipo de sistemas se debe de evaluar el ánguloóptimo del panel para tener un buen aprovechamiento. El siguiente sistema es deseguimiento en un eje, es decir sólo tiene un tipo de movimiento; y el tercero y mássofisticado es el de seguimiento y dos ejes, éste maximiza el aprovechamiento de laenergía solar ya que permite que los rayos solares incidan siempre de maneraperpendicular al panel. Este sistema es el más difícil y costoso de conseguir ygeneralmente lo usan instalaciones especiales de alta potencia que mandan energía ala red eléctrica de algún lugar. “El objetivo de cualquier superficie colectora de energía solar es optimizar la energíarecibida a lo largo del día y para ello el caso ideal es que la radiación solar incidaperpendicularmente sobre la superficie de los paneles en el momento” (Castro, 2000,p.33) Con respecto a la energía que se puede obtener a través de una instalaciónfotovoltaica deberá ser necesario conocer los valores de radiación en el tiempo y lugardonde se encuentre nuestra instalación, es por ello que debemos tomar como base de
  5. 5. medición los parámetros geográficos, como la altitud del lugar, día del año y la hora deldía, así mismo tomaremos en cuenta las características meteorológicas del lugar. Además de lo anterior es importante tratar el siguiente punto:Dentro de las protecciones de descargas eléctricas, debemos tener en cuenta quenuestro aparato se mantiene a la intemperie, por lo que debemos tener en cuenta laubicación, el ángulo de inclinación, etcétera, y cómo se encuentra expuesto a unadescarga eléctrica durante una tormenta, se recomienda colocar un apartarayos deóxido metálico para proteger nuestro sistema de captación de energía, además de queproporcionará mayor seguridad a todo nuestro sistema de control. También se debe de tener en cuenta la protección de la baterías, pues estas son lasque representan un costo mucho mayor que los demás equipos eléctricos que seencuentran en nuestro sistema fotovoltaico, cabe destacar que los interruptorestermomagneticos son otros elementos que nos ayudan a controlar las descargaseléctricas producidas durante la operación de nuestro sistema. Como se comentó con anterioridad nuestro objetivo primordial es proteger nuestrabatería y así poder alagar la vida del acumulador, para ello también se utiliza unregulador de carga, que es el encargado de la entrada y salida de corriente excesiva odescarga que pueda dañar a la batería, todo esto lo hace apoyándose con otrosdispositivos electromecánicos tales como: relés, contactores y transistores. Algo muy importante que podemos aprovechar al instalar celdas fotovoltaicas enel hogar, es que si éstas no pueden ser satisfechas por el panel fotovoltaico, podemossolicitar a CFE que complemente la energía que requiere la casa, de tal manera quepodamos obtener energía de nuestro panel, y de modo que cuando la batería del paneleste descargada podamos obtener energía de CFE para así satisfacer nuestroconsumo energético.
  6. 6. En un sistema fotovoltaico básico para una casa autosustentable se observa losiguiente: Capacidad = 65 Wp Dimensiones = 0.751x0.652x0.036 (en metros) Peso = 6 kg. Capacidad efectiva del sistema = 225 Watts-hora/día Consideraciones:� Tiempo de uso efectivo (promedio) = 5.5 horas� Eficiencia del sistema = 63 por ciento� Pérdidas en el voltaje = 15 %� Pérdidas de la batería = 15 %� Pérdidas del controlador = 5 %� Pérdidas en el cableado = 2 % Concepto Monto Panel fotovoltaico 4,510.00 Batería de respaldo 1,500.00 Controlador de carga 800.00 Accesorios (tubos, soportes, cajas, cables, etc.) 5,190.00 Total: 12,000.00Para un sistema intermedio podemos decir: Capacidad = 85 Wp Dimensiones = 1.007x0.652x0.036 (en metros) Peso = 8.3 kg. Capacidad efectiva del sistema = 262 Watts-hora/día Consideraciones:� Tiempo de uso efectivo (promedio) = 5.5 horas� Eficiencia del sistema = 56 por ciento� Pérdidas en el voltaje = 15 %� Pérdidas de la batería = 15 %
  7. 7. � Pérdidas del inversor = 7 %� Pérdidas del controlador = 5 %� Pérdidas en el cableado = 2 % Concepto monto: Panel fotovoltaico 5,830.00 Batería de respaldo 1,500.00 Controlador de carga 800.00 Inversor 1,000.00 Accesorios (tubos, soportes, cajas, cables, etc.) 4,870.00 Total: 14,000.00Para un sistema grande se observa: Capacidad = 130 Wp Dimensiones = 1.425x0.652x0.036 (en metros) Peso = 12.2 kg. Capacidad efectiva del sistema = 400 Watts-hora/día Consideraciones:� Tiempo de uso efectivo (promedio) = 5.5 horas� Eficiencia del sistema = 56 por ciento� Pérdidas en el voltaje = 15 %� Pérdidas de la batería = 15 %� Pérdidas del inversor = 7 %� Pérdidas del controlador = 5 %� Pérdidas en el cableado = 2 % Concepto Monto Panel fotovoltaico 8,580.00 Batería de respaldo (dos baterías) 3,000.00 Controlador de carga 800.00 Inversor 1,500.00 Accesorios (tubos, soportes, cajas, cables, etc.) 3,120.00
  8. 8.  Total: 17,000.00Para los tres tipos de sistema: Tiempo de vida del sistema fotovoltaico = 20 años Tiempo de vida de la batería (promedio) = 4 años Además de lo anterior, es importante mostrar las ventajas y desventajas de estetipo de celdas; entre las ventajas más notorias, están los costos, que se han reducido alo largo de los últimos años y sigue una tendencia hacia un precio más accesible,además de que ofrecen una mayor eficiencia en el funcionamiento, actualmente seutilizan como una solución viable para el alumbramiento público en las ciudades, y esamigable con la ecología ya que se utiliza una fuente de energía limpia: la del Sol. Porel contrario, algunas desventajas es que la energía producida es muy reducida y porello es necesario colocar varios paneles para obtener la suficiente energía paraalimentar una vivienda, otro punto muy importante es que no siempre funciona entodos los lugares debido a las zonas geográficas, además de que las baterías que senecesitan muchas veces no se encuentran en nuestro país y tenemos que importarlaspor lo que se eleva el costo total de nuestra instalación, por último es importantedestacar que la energía producida por el panel es corriente directa, y la mayoría denuestros aparatos eléctricos funcionan con corriente alterna por lo que se tiene queutilizar un convertidor de energía, el cual durante su funcionamiento tiene pérdidasentre un 10% y 15%. Nuestro planeta cada vez se encuentra más deteriorado a causa del hombre y suestilo de vida, la necesidad de cambiar las formas tradicionales de producción deenergía es cada vez más latente y además es vital empezar a utilizar fuentes deenergía renovables y sobre todo limpias, las celdas fotovoltaicas son sólo una de lasmuchas soluciones que deben implementarse y son una mínima parte del cambio,cambio que debe ser alimentado y complementado por otros medios de ahorro comofocos ahorradores, electrodomésticos de bajo consumo de energía, y sobre todo, lomás importante por la conciencia humana.
  9. 9. FUENTES Alcor, E. (2002). Instalaciones solares fotovoltaicas (3ª ed.). Sevilla, España: PROGENSA. Castro, M., Carpio, J., Guirado, R., Colmenar, A & Dávila, L. (2000). Energía solar fotovoltaica. Sevilla: PROGENSA. CFE, (2010), Energía Renovable, Extraído el 8 de marzo de 2012, http://www.cfe.gob.mx/sustentabilidad/energiarenovable/Paginas/default.aspx Escudero, A. (2008). Sistemas de energía solar fotovoltaica para equipos de telecomunicación. Extraído el 12 de marzo de 2012, http://www.it46.se/courses/solar/materials/es/IT46_es_energia_solar_introduccion.pd f Prospectiva de las Tecnología Solar Fotovoltaica para la Generación de Electricidad. Extraída el 9 de marzo de 2012, http://www.energia.gob.observalosiguientemx/webSener/res/168/A7_Fotovol.pdf

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