Física Moderna con Laboratorio

Celdas Solares

Equipo α-pulpoErnesto Benítez Rodríguez

Luke GoodmanAlma Elena Piceno Martínez

16/01/2012Facultad de ciencias físico-matemáticas

Introducción

Las celdas solares convierten la luz del Sol directamente en electricidad debido al efecto fotovoltaico.

Cuando un fotón lo suficientemente energético choca con un átomo de algún material, el átomo absorbe la energía del fotón y un electrón de éste queda en un estado excitado, lo que permite, en algunos casos, que este electrón se mueva libremente. Si son varios los electrones en esta condición puede llegar a producirse una corriente eléctrica en el material.

El primer reporte sobre el efecto fotovoltaico fue realizado por Henry Becquerel en 1839, cuando observó que al iluminar electrodos de oro y platino sumergidos en una solución alcalina o ácida se producía una cierta fuerza electromotriz

La forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, de tal manera que la luz incidente produce una diferencia de potencial entre las placas de la celda.

Se elaboran comúnmente de silicio en forma de placas monocristalinas, policristalinas o láminas delgadas. Estas planchas tienen un grosor de entre 1/2 y 1/3 de milímetro, con un alto grado de pureza del silicio y una red cristalina casi perfecta. Se cortan en lingotes monocristalinos que se han desarrollado a aproximadamente 1400°C.

Para producir el efecto fotovoltaico se utilizan materiales semiconductores. En los materiales semiconductores existe una región que separa la banda de valencia de la banda de conducción, llamada banda prohibida, bastante más pequeña que la de un aislante; en el caso del silicio esta banda es de 1.1 eV.

Para lograr la conducción se necesita que los electrones en la banda de valencia “salten” la banda prohibida y lleguen a la banda de conducción, una forma de lograr esto es impactando sobre los átomos fotones lo suficientemente energéticos, es por esto que en las celdas solares se utilizan materiales con una banda prohibida del orden de la energía de un fotón de luz.

Si a un semiconductor se le introduce una pequeña proporción de otro material, llamada impureza, se puede conseguir que tenga un electrón de más o de menos en la banda de conducción o en la banda de valencia; si esto ocurre en la banda de conducción el material se denomina tipo n, mientras que si ocurre en la banda de valencia se denomina de tipo p.

Una celda solar consta de dos capas; la capa la capa superior es un superconductor del tipo n y la capa inferior es un superconductor del tipo p. La unión entre estas capas crea un campo eléctrico permanente, de n hacia p, debido a la recombinación de los electrones en n con los huecos en p; este campo eléctrico sólo permite el flujo de corriente en una dirección: los electrones pueden moverse de la región p hacia la n.

Cuando un fotón arranca un electrón al material, se crea un electrón libre y un hueco; debido al campo eléctrico los electrones se acumulan en la región n, que se convierte en un polo negativo, mientras que los huecos lo hacen en la región p, convirtiéndola en un polo positivo. De esta manera se genera un voltaje en la celda solar, y al conectar una resistencia entre los dos polos se presenta una corriente.

Objetivos

En esta práctica caracterizaremos celdas solares de distintos tamaños y tipos, obteniendo el voltaje y la corriente que proporcionan cuando se exponen al Sol, así como el voltaje proporcionado por el aerogenerador; también caracterizaremos el inversor usado para convertir para su uso el voltaje que producen las celdas de DC a AC.

Desarrollo experimental

Materiales

Celdas solares de distintos tamaños Caimanes Cables de unión para las celdas solares pequeñas Sol =) Multímetros, usados como amperímetros y voltímetros

Se midió el voltaje y la corriente proporcionados por los distintos dispositivos al estar trabajando, usando los multímetros. En el caso de las celdas pequeñas se acoplaron dos celdas y se midió de la misma manera el voltaje y la corriente proporcionados; así como, con la celda grande, se cubrieron distintas partes de su superficie expuesta al Sol.

Resultados y Análisis

El voltaje y la corriente medidos de la celda mediana se muestran a continuación:

Voltaje [V] Corriente [mA]5.17 112.115

En la siguiente foto podemos ver una luz led encendida usando esta corriente obtenida de la celda solar.

Para las celdas pequeñas se tomaron los siguientes datos:

Voltaje [V] Corriente [mA]Una celda 0.488 112Dos celdas conectadas en paralelo

0.465 126

Dos celdas conectadas en serie 0.88 36

Podemos notar que al conectar las celdas en paralelo se mantuvieron aproximadamente tanto el voltaje como la corriente obtenidos; mientras que, al conectarlas en series, el voltaje prácticamente se duplicó y la corriente disminuyó a aproximadamente un cuarto de la lectura de corriente para una celda.

Esto concuerda en parte con la teoría, tratando a las celdas como fuentes de voltaje, ya que al conectarse las celdas en serie el voltaje efectivamente se duplica. Y, aunque la corriente no aumenta significativamente cuando se conectan dos celdas en paralelo, comparándose con la corriente de una celda, ésta si es mayor cuando las celdas están conectadas en paralelo que cuando están conectadas en serie.

Los datos obtenidos para la celda grande, con distintos porcentajes de su área expuesta, se muestran en la siguiente tabla.

Fracción del área expuesta Voltaje [V] Corriente [A]1 21.29 3.75

3/4 17.41 0.0691/2 13.95 0.0151/4 12 0.007

Los voltajes medidos proveídos por el aerogenerador se muestran a continuación.

Voltaje [mV]50

43.33935

Los voltajes manejados por el inversor DC son:

Voltaje de entrada (directo) 12.54 VVoltaje de salida (alterno) 125.8 V

En las fotos a continuación podemos ver las baterías usadas para almacenar la energía obtenida de las celdas solares, y el controlador automático de carga, que se encarga de monitorear la carga de las baterías y de detener o iniciar su carga, evitando posibles sobrecargas.

Referencias

Panel Solar. Wikipedia.

http://es.wikipedia.org/wiki/Panel_solar

Celdas Solares. Textos científicos.comhttp://www.textoscientificos.com/energia/celulas