FACULTAD DE INGENIERÍA E.A.P. Ingeniería Eléctrica. E.A.P. Ingeniería Informática e Sistemas.
Monografía del Curso Métodos de Aprendizaje e Investigación Científica .
AUTORES: -MAITA PEREZ, RONALD -MENDEZ TORRES, RENATO -MENDOZA MEDRANO, FIDEL -PASCUAL ASTUCURI, CRISTIAN JESUS -PEREZ MARMOLEJO, PERCY CESAR -REYES ROMERO, FRANCISCO
CICLO: I CATEDRATICO: LIC. JOSÉ MEZA VENTO.
HUANCAYO-PERU
2010
ESTE STE
TRA TRABAJO AJO
DE
INVE INVEST STIG IGA ACIÓN IÓN
LO
DEDICAMOS A NUESTROS PADRES, POR SU APOYO INCONDICIONAL. INCONDICIONAL.
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2010
ESTE STE
TRA TRABAJO AJO
DE
INVE INVEST STIG IGA ACIÓN IÓN
LO
DEDICAMOS A NUESTROS PADRES, POR SU APOYO INCONDICIONAL. INCONDICIONAL.
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INDICE
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INTRODUCCION La presente presente monografía monografía tiene la intención de dar a conocer sobre el estudio del del avance tecnológico tecnológico de la energía solar fotovoltaica , el cual aprovecha los rayos solares, y no contamina contamina el medio ambiente, ambiente, en comparación comparación de los otros tipos de generación de energía, como son energía hidráulica , térmica etc. en la actualidad se esta dando mucha importancia importancia a nivel mundial como una una alternativa mejor mejor para generar energía energía eléctrica , motivo por el cual la investigación investigación busca nuevas fuentes de alimentación y con ello hacer saber a la población que hoy en día está al alcance de nuestros recursos socio económicos. económicos. Capítulo I, se habla de los conceptos básicos de la energía renovable y los efectos que produce produce estos en los módulos módulos y los paneles paneles para generar generar la electricid electricidad. ad. Capítulo II, trata de las partes principales de la energía fotovoltaica para generar electricidad y así como acumular en un sistema fotovoltaico adecuado. Capítulo III, en este este capítu capítulo lo se desar desarrol rolla la la nueva nueva tecno tecnolog logía ía de gener generaci ación ón de energ energía ía eléctrica como una alternativa mejor en el aprovechamiento de la energía, en hoy y en el futuro. El libro más más uti utilizado zado en esta esta monog nografí rafía a fue fue de
ENERGÍA ENERGÍA SOLAR SOLAR
FOTOVOLTAICA. CUERVO GARCÍA, GARCÍA, Rafael y MÉNDEZ MUÑÍZ, MUÑÍZ, Javier María. Por lo que se recomienda leer esta monografía por sus grandes beneficios que pueda dar, la Energía Energía Solar Fotovoltaica, en el el presente y futuro. futuro.
LOS AUTORES.
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CAPÍTULO I ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA 1.1. CONCEPTO CONCEPTO DE DE LA ENERGIA ENERGIA SOLAR SOLAR FOTOVOLTAIC FOTOVOLTAICA A El sol representa un papel destacado en nuestra vida, y no hay más que pensar en su influencia en los ciclos agrícolas o en la distribución de tareas a lo largo del día. Una influencia que ha llevado a numerosas civilizaciones a lo largo de la historia a dotar al sol de un fuerte valor simbólico, y una influencia de la que el hombre siempre ha intentado sacar provecho. La ESF es un claro ejemplo de aprovechamiento. Consiste en transformar la ener energía gía lumi lumino nosa sa proc proced eden ente te del del sol sol en ener energí gía a eléc eléctri trica ca,, medi median ante te la exposi exposició ción n al sol de cierto ciertoss materi materiale aless conve conveni nient enteme emente nte tratad tratados os (sili (silicio cio purifi rifica cad do
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proce rocedi dim mien ientos tos,
fundamentalmente), fundamentalmente), y la posterior recogida de la electricidad generada.
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A grandes rasgos, los sistemas que aprovechan la ESF constan de un generador (paneles fotovoltaicos. responsables de la producción de electricidad), un acumulador (para poder almacenar energía sobrante y utilizarla cuando sea necesaria), y un regulador (elemento de control entre los anteriores y los equipos que consumen la energía). La posibilidad de almacenar energía para su posterior utilización permite adecuar los procesos de generación y consumo, si bien con ciertas limitaciones, como se verá más adelante1. 1.2. ENERGÍAS RENOVABLES Las fuentes de energía renovable han sido aprovechadas por el hombre desde hace mucho tiempo, básicamente acompañadas de la energía animal, y su empleo continuó durante toda la historia hasta la llegada de la "Revolución Industrial", en la que la aparición del carbón, con una densidad energética muy superior a al de la biomasa y su menor precio, desplazó a estas.
•
Posteriormente, el petróleo fue desplazando en muchas aplicaciones al carbón debido a su mayor limpieza, mayor poder calorífico y su carácter fluido.
•
En el siglo XX aparece un nuevo recurso, más limpio y con mayores reservas, el gas natural, del que se dice será la energía del siglo XXI. con lo que es de suponer que también sufrirá una crisis a lo largo de este siglo.
Durante los últimos años, precisamente pensando en el futuro agotamiento de las fuentes de energía fósiles, en la gran dependencia exterior de muchos países de estas, en el progresivo incremento de su coste y en los problemas
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GARCÍA VILLAS, Marianella. “Ingenieria Sin Fronteras”-Energía Solar Fotovoltaica Y Cooperación Al Desarrollo. 27 Pág.
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medioambientales derivados de su explotación, transporte y consumo, se está produciendo un renacer de las energías renovables. Las energías renovables son aquellas que se producen de manera continua y son inagotables a escala humana. Además tienen la ventaja adicional de poder complementarse entre sí, favoreciendo la integración entre ellas. Son respetuosas con el medio ambiente, y aunque ocasionen efectos negativos sobre el entorno, son mucho menores que los impactos ambientales de las energías convencionales como combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón), energía nuclear, etc. Las energías fósiles se crearon a partir de la energía solar que llegaba a la tierra y que por el efecto de la fotosíntesis se convertía en materia vegetal fijándose parte del carbono existente en la atmósfera. Este proceso necesitó miles de años y la energía obtenida se consumirá sólo en 300. Las energías renovables por el contrario son parte de la energía que el sol aporta a la Tierra en cada momento. El Sol es la fuente de energía de la Tierra. Se recibe en forma de radiación que retiene la atmósfera y permite que la tierra se mantenga una temperatura más o menos constante posibilitando que haya vida. La radiación solar además de proporcionar luz, también se transforma en biomasa por medio del efecto de la fotosíntesis, en viento por los gradientes térmicos que se producen en la atmósfera o en energía hidráulica por la evaporación de los mares. Dentro del marco de las energías renovables se pueden destacar las que tienen un mayor desarrollo tecnológico y por tanto mayores posibilidades de competir en el mercado. El Sol está presente en todas ellas. Energías renovables: Eólica, Hidráulica, Biomasa, Geotérmica, Mareomotriz y Solar.
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Con las energías renovables se pueden obtener las dos formas de energía más utilizadas: calor y electricidad. Ventajas • Son respetuosas con el medio ambiente. • No emiten gases contaminantes. • No generan residuos peligrosos. • Se pueden instalar en zonas rurales y aisladas. • Disminuyen la dependencia de suministros externos.
El impacto medioambiental en la generación de electricidad de las energías convencionales es 31 veces superior al de las energías renovables.
1.2.1. Sostenibilidad. Como indica el primer principio de la termodinámica la energía ni se crea ni se destruye, por ello, la utilización de la energía del sol para producir electricidad o calor, no produce cambios sustanciales en el equilibrio de la tierra. La idea de conseguir un desarrollo sostenible analizada desde una visión energética, pasa por el uso de las energías renovables, es decir, aprovechar el sol que llega al planeta, lo cual no potenciará el efecto invernadero ni acelerará el cambio climático, no se emitirán sustancias contaminantes a la atmósfera y no existirá recalentamiento del planeta. Para conseguir el tránsito energético se debe ir disminuyendo progresivamente el uso de los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural), que Irán desapareciendo en el siguiente orden:
PETRÓLEO
GAS NATURAL
CARBÓN
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1.2.2. Energía Eólica. El Sol provoca en la Tierra las diferencias de presión que dan origen a los vientos. La energía del viento se deriva del calentamiento diferencial de la atmósfera por el Sol. Y las Irregularidades de la superficie terrestre. Aunque sólo una pequeña parte de la energía solar que llega a la tierra se convierte en energía eólica. La cantidad total es enorme. El dispositivo capaz de realizar la conversión de la fuerza del viento en electricidad es el aerogenerador o generador cólico, que consiste en un sistema mecánico de rotación provisto de palas a modo de los antiguos molinos de viento, y de un generador eléctrico con el eje solidario al sistema motriz, de forma que el viento hace girar las palas y el generador eléctrico. Usos de la Energía Eólica •
Bombeo de agua.
•
Electrificación rural.
•
Demandas de pequeña potencia.
•
Pueden agruparse y formar parques eólicos conectados a la red
eléctrica.
En las instalaciones aisladas de la red de distribución eléctrica se emplean acumuladores para almacenar la energía en los períodos sin viento. En la actualidad es una de las energías renovables más competitivas gracias a las mejoras técnicas. 1.2.3. Energía Hidráulica. Tiene su origen en el ciclo del agua, generado por el Sol.
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El Sol evapora las aguas de los mares, lagos, etc. Este agua cae en forma de lluvia y nieve sobre la tierra y vuelve hasta el mar donde el ciclo se reinicia. La energía hidráulica se obtiene a partir de la energía potencial asociada a los saltos de agua debido a la diferencia de alturas entre dos puntos del curso de un rio. Las centrales hidroeléctricas transforman en energía eléctrica el movimiento de las turbinas que se genera al precipitar una masa de agua entre dos puntos a diferente altura. Hay diversos tipos de centrales hidroeléctricas en función de su tamaño. Grandes centrales hidroeléctricas de más de 10 MW de potencia que vierten la energía eléctrica a la red. Centrales minihídráulicas o minicentrales de menos de 10 MW de potencia, que no requieren grandes embalses reguladores y por tanto su impacto ambiental es mucho menor. Centrales microhidráulicas de muy pequeña potencia (varios kW) y generalmente no conectadas a la red eléctrica.
1.2.4. Biomasa. La fuente de la biomasa son las plantas, que necesitan del sol para poder realizar la fotosíntesis. Es la energía renovable con mayor potencial, ya que la fotosíntesis permite convertir la energía solar en materia orgánica de la que se obtienen combustibles. Actualmente se estudian también ciertas especies vegetales que permiten realizar cultivos energéticos, es decir, las cosechas estarán destinadas a su uso energético. Incluso se estudia el aprovechamiento de las algas marinas. 10
1.2.5. Energía Geotérmica. Es la que se encuentra en el Interior de la Tierra en forma de calor, como resultado de: • •
La desintegración de elementos radiactivos. El calor permanente que se originó en los primeros momentos de formación del planeta.
Se manifiesta por medio de procesos geológicos como volcanes, geiseres que expulsan agua caliente y las aguas termales. A partir de una profundidad aproximada de dos metros, la temperatura de la Tierra no sufre cambios bruscos de temperatura. Este efecto es aprovechado para fines térmicos en sistemas basados en bomba de calor, captando la energía mediante una red de tubos enterrados en el plano horizontal, o bien mediante una captación en vertical a profundidades mayores. La conversión de la energía geotérmica en electricidad consiste en la utilización de un vapor, que pasa a través de una turbina que está conectada a un generador que produce la electricidad. El principal problema es la corrosión de las tuberías que transportan el agua caliente. Usos de la Energía Geotérmica • Balnearios: aguas termales que tienen aplicaciones para la salud. • Calefacción y agua caliente. • Electricidad. • Extracción de minerales: se obtienen de los manantiales de azufre, sal común, amoniaco, metano y ácido sulfhídrico. • Agricultura y acuicultura: para invernaderos y criaderos de peces.
1.2.6. Otras Energías Renovables (Mareomotriz). 11
Existen otras energías renovables que actualmente están en desarrollo, como la energía de las olas y las corrientes marinas o el potencial de las mareas. Las tecnologías para estas aplicaciones están en desarrollo encentrándose en el mercado diferentes sistemas tecnológicos: Sistemas de boyas que flotan en el mar. Depósitos colocados en la costa que reciben de forma periódica
las olas impulsando aire a una
turbina. Largas estructuras flotantes articuladas que aprovechan el movimiento para producir electricidad. La energía de las corrientes marinas se aprovecha utilizando sistemas parecidos a ventiladores axiales que se sumergen en el mar 2. 1.2. LA ENERGÍA SOLAR . La energía solar directa esta energía del Sol sin transformar, que calienta e ilumina. Necesita sistemas de captación y de almacenamiento y se aprovecha la radiación del Sol de varias maneras diferentes 3. •
Utilización directa: mediante la incorporación de acristalamiento y otros elementos arquitectónicos con elevada masa y capacidad de absorción de energía térmica, es la llamada energía solar térmica pasiva.
•
Transformación en calor: es la llamada energía solar térmica. que consiste en el aprovechamiento de la radiación que proviene del Sol para calentar fluidos que circulan por el interior de captadores solares térmicos. Este fluido se puede destinar para el agua caliente sanitaria (ACS), dar apoyo a la calefacción para atemperar piscinas, etc. Transformación en electricidad: es la llamada energía solar fotovoltaica que permite transformar en electricidad la radiación solar por medio de células fotovoltaicas integrantes de módulos solares. Esta electricidad se puede utilizar de manera directa, se puede almacenar en acumuladores para un uso posterior, e incluso se puede introducir en la red de
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CUERVO GARCÍA, Rafael y MÉNDEZ MUÑÍZ, Javier María. “Energ ía Solar Fotovoltaica 2ºda Edición”- Energ ía Renovable. 16-27 Pág. 3
Winkipedia.org. Energía solar disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar
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distribución eléctrica. Es una de las energías renovables con mayores posibilidades 4.
ENERGÍA SOLAR Escaso impacto ambiental. No produce residuos perjudiciales para el medio ambiente. Ventajas
Distribuida por todo el mundo. No tiene más costes una vez instalada Que el mantenimiento el cual es sencillo. No
hay
dependencia
de
las
compañías
suministradoras. Se precisan sistemas de acumulación (baterías) que contienen agentes químicos peligrosos. Los depósitos de agua caliente deben protegerse contra la legionela. Inconvenientes
Puede afectar a los ecosistemas por la extensión ocupada
por los paneles en caso de grandes
instalaciones. Impacto visual negativo si no se cuida la integración de los módulos solares en el entorno.
4
CUERVO GARCÍA, Rafael y MÉNDEZ MUÑÍZ, Javier María. “Energ ía Solar Fotovoltaica 2ºda Edición”- Energía Renovable. 28 Pág
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1.4. EFECTO FOTOVOLTAICO. La conversión directa de la energía solar en energía eléctrica se debe al fenómeno físico de la interacción de la radiación luminosa con los electrones en los materiales semiconductores, fenómeno conocido como efecto fotovoltaico. El objeto físico en el que este fenómeno tiene lugar es la célula solar, que no es otra cosa que un diodo con la característica esencial de tener una superficie muy amplia (unas decenas de cm2). Para analizar de forma más minuciosa el efecto fotovoltaico es necesario, por tanto, describir, por lo menos conceptualmente, el funcionamiento del diodo (unión p-n). Además, ya que hasta hoy el material más utilizado para la 14
realización de las células solares es el silicio cristalino, se tomará en consideración el diodo de silicio. El silicio tiene 14 electrones de los que 4 son de valencia, lo que quiere decir que están disponibles para unirse con electrones de valencia de otros átomos. En un cristal de silicio químicamente puro cada átomo está unido de forma covalente con otros 4 átomos, así que dentro del cristal no hay. Como consecuencia del enlace químico, electrones libres. Algunos átomos de silicio en el cristal se sustituyen con átomos de fósforo, elemento que tiene 5 electrones de valencia: 4 serán utilizados para enlaces químicos con átomos adyacentes de silicio, mientras que el quinto puede ser separado del átomo de fósforo mediante energía térmica y. así, tener libertad de movimiento en el retículo del cristal. De forma análoga, si la sustitución se realiza con átomos de boro, que sólo tiene 3 electrones de valencia, faltará un electrón para completar los enlaces químicos con los átomos adyacentes de silicio. Este electrón que falta actúa como si fuera un electrón “positivo” y se llama hueco. En la primera la estructura del retículo cristalino del silicio, en la segunda la variación de la estructura cuando se realiza una combinación con átomos de fósforo y, finalmente, en la última situación, se muestra el retículo cristalino en el caso de enlace con átomos de boro. En el enlace con fósforo, por tanto, los portadores de carga libres son negativos y el material es llamado de tipo n. mientras en la sustitución de átomos de silicio con átomos de boro, los portadores de carga son positivos y el material es llamado de tipo p. La unión p-n (diodo) se realiza uniendo una barra de material de tipo n con una barra de material de tipo p. Los electrones libres en el material V verán una región en la que no existen electrones libres y, por tanto, habrá un flujo de estos portadores hacia la zona en el intento de restablecer el equilibrio.
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De forma análoga, los huecos verán una región en la que no hay huecos y habrá, por tanto, un flujo de cargas positivas hacia la dicha zona Con el avance de este proceso de difusión, en un lado se tendrá un exceso de cargas negativas mientras en el otro lado habrá un exceso de cargas positivas. Después del proceso de deposición y las etapas de modelado de las capas, se produce el encapsulado para protegerlas de acciones de intemperie. Problema: en el momento de producción. las características de las células son superiores al valor promedio después de seis meses. Esto es debido al efecto de degradación denominado Staebler-Wronski que sufren los módulos de a-Si (silicio amorfo). Este fenómeno, que se conoce y está bien documentado, se compensa de forma sencilla en el diseño de los sistemas de FV. La eficiencia máxima comprobada en los laboratorios de a-Si es de 12,7 %, aunque la eficiencia típica de un módulo de a-Si está entre 5 y 7 %. 1.4.1. Teluro de Cadmio. Teluro de Cadmio ("CdTe") es otro semiconductor de capa fina, que puede utilizarse como dispositivo de fotovoltaica. El CdTe, tiene el bajo coste de las capas finas y además no sufre la degradación como el a-Si (amorfo). Se han conseguido células en laboratorio y de forma industrial (en pequeñas áreas), con eficiencias del 16%. y en módulos prototipos una eficiencia aproximada del 10%. Uno de los parámetros importantes a considerar en las tecnologías con CdTe, es el uso de cadmio como material principal de las capas. El Cadmio es un metal pesado cancerígeno y la aceptabilidad de su aplicación en elementos relacionados con conceptos medioambiental es altamente cuestionable. 1.4.2. Seleniuro de Cobre e Indio.
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Seleniuro de Cobre e indio (CIS) es un material extremadamente estable. Las pruebas de ciclos de vida, durante más de seis años, han mostrado que no hay pérdida de eficiencia. Cis es también un material flexible y sus características de semiconductor se pueden alterar ya sea por sustitución de todo el indio por galio o solo una parte, así como todo o una parte de seleniuro por sulfuros. Variando la composición de la capa fina, se puede aumentar un parámetro del material, denominado la anchura de banda (band gap), ajustándolo a un determinado espectro solar, lo que permite a los ingenieros diseñar diferentes anchuras de banda de las capas para mejorar las características de la célula y permitir el uso de múltiples capas en tándem (por ejemplo CuGaS/CuInSc) que sean sensibles a diferentes espectros y por lo tanto aumentar la eficiencia global. Módulos estables con una eficiencia mayor al 12%. El potencial de costes de fabricación similar al de silicio amorío y con las eficiencias mostradas se espera lograr en el futuro. En el cuadro adjunto se recogen las características de estas tecnologías, así como otras en proceso de desarrollo. Una de las diferencias fundamentales de las tecnologías cristalinas y las de capa fina (aunque existe una tecnología de capa fina de silicio micro-cristalino) es la utilización de material. Como se puede apreciar en la descripción del proceso de fabricación, las células cristalinas tienen un grosor de 0,3 mm mientras que las de capa fina no llegan al 20% de dicho grosor. Esto y parámetros como: la facilidad de cambiar tensiones de diseño en proceso 5.
1.5. CELDAS FOTOVOLTAICAS. 1.5.1. Celdas Fotovoltaicas Historia.
5
LAVANDEIRA ADAN, Juan Carlos.” Energía Solar Fotovoltaica, Energía Solar Térmica Y Frio Solar”- EFECTO FOTOVOLTAICO. Pág. 193-199
17
“Las celdas fotovoltaicas son el motor de cualquier sistema solar, es que sin ellas no podríamos contar actualmente con paneles solares o cualquier otro dispositivo que funcione a base de esta energía”. Una celda fotovoltaica tiene como función primordial convertir la energía captada por el sol en electricidad a un nivel atómico; muchas de ellas cuentan con una propiedad conocida como efecto fotoeléctrico lo cual hace que los fotones de luz sean absorbidos para luego irradiar electrones; cuando dichos electrones libres son capturados el resultado que obtenemos es una corriente eléctrica que luego, mediante su conversión, es empleada como electricidad. Las celdas fotovoltaicas tuvieron su nacimiento gracias a un físico francés llamado Alexandre Edmond Becquerel, fue éste quien notó que ciertos materiales producían pequeñas cantidades de corriente eléctrica cuando los mismos eran expuestos hacia la luz, es así como el principio del aprovechamiento de la energía solar surgiría. Ver Figura Nº 1. Luego, “Albert Einstein describió lo que era el efecto fotoeléctrico, en el cual se basa hoy la tecnología fotovoltaica”, por dicho trabajó consiguió el premio Nobel de física. Con toda esta información, conocimientos y avances, los Laboratorios Bell crearon el primer módulo fotovoltaico en 1954 apareciendo allí las primeras celdas fotovoltaicas; como su fabricación era bastante costosa y en aquella época el precio resultaba algo injustificado, la producción de celdas f otovoltaicas decayó hasta 1960. Fue en este año en donde la industrial espacial comenzó a hacer uso de esta tecnología para conseguir energía eléctrica y distribuirlas luego a bordo de sus naves; fue a través de los programas espaciales que los científicos y técnicos pusieron énfasis en la energía solar y sus beneficios; cuando su uso alcanzó un alto grado de confiabilidad, se pudo lograr una reducción en los costos.
1.6. MÓDULOS Y PANELES SOLARES. 1.6.1. Módulo Solar.
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“El módulo FV es el conjunto básico de celdas fotovoltaicas, que viene encapsulado en cristal y en plástico para protegerlo del ambiente y la instalación. El módulo puede incluir desde menos de una docena hasta cerca de 100 celdas”. Ver Figura Nº 2. 1.6.2 Panel o Arreglo Solar. Un panel o arreglo FV es un conjunto de módulos conectados eléctricamente en serie o paralelo como se observa en la figura 10. Las características eléctricas del arreglo son análogas a la de módulos individuales, con la potencia, corriente y voltaje modificados de acuerdo al número de módulos conectados en serie y/o paralelo. La forma más popular de arreglo FV está hecha de paneles planos y puede responder a la luz difusa (es aquella que proporciona una iluminación homogénea desde múltiples ángulos) de todo el cielo (esto es, puede producir electricidad aún en días nublados). Los paneles FV planos pueden estar fijos en un soporte o moverse para seguir la trayectoria del sol. Ver Figura Nº 3. 1.7. TIPOS DE MÓDULOS O PANELES FOTOVOLTAICOS. Existen distintos tipos de paneles fotovoltaicos. Su clasificación depende de su proceso de fabricación, ellos tienen diferente precio, rendimiento y aplicación. Los paneles fotovoltaicos se dividen básicamente en tres t ipos: policristalinos, monocristalinos y amorfos. 1.7.1. Celdas de Silicio Cristalino. Son las celdas que predominan hoy en el mercado mundial. Esto se debe a sus características: madurez, confiabilidad y larga vida útil (de 20 a 30 años). Dentro de ellas se distinguen distintos tipos. Silicio Monocristalino.
•
Este tipo de celdas están hechas de un solo cristal de silicio de muy alta pureza. 19
•
Silicio Policristalino. Estas son fabricadas de Silicio, mezclado con Arsenio y Galio. Son más sencillas de conseguir y tienen un rendimiento menor que las anteriores, pero nada despreciable, de un 15% aproximadamente.
•
Silicio Amorfo. Este tipo de celdas tienen baja durabilidad, pero “bajo costo”. Son las más baratas, pero las menos duraderas y rendidoras. La garantía del producto puede ser hasta por 10 años dependiendo del fabricante 6.
6
CARILLO YAÑEZ, José y MORALES LÓPEZ, Jesús Isidro Enrique. ¨ESTUDIO PARA LA ELECTRIFICACIÓN CON NERGÍAS ALTERNATIVAS, UTILIZANDO CELDAS FOTOVOLTAICAS PARA ELECTRIFICAR EL POBLADO DE CAÑADA COLORADA, MUNICIPIO DE APAXCO, ESTADO DE MÉXICO¨-. Modulo Solar. 55 Pág.
20
CAPITULO II COMPONENTES PRINCIPALES DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO Un sistema fotovoltaico es un dispositivo que, a partir de la radiación solar, produce energía eléctrica en condiciones de ser aprovechada por el hombre. El sistema consta de los siguientes elementos: •
Un generador solar, compuesto por un conjunto de paneles fotovoltaicos, que captan la radiación luminosa procedente del sol y la transforman en corriente continua a baja tensión (12 ó 24 V).
•
Un acumulador, que almacena la energía producida por el generador y permite disponer de corriente eléctrica fuera de las horas de luz o días nublados.
•
Un regulador de carga, cuya misión es evitar sobrecargas o descargas excesivas al acumulador, que le produciría daños irreversibles; y asegurar que el sistema trabaje siempre en el punto de máxima eficiencia.
•
Un inversor (opcional), que transforma la corriente continua de 12 ó 24 V almacenada en el acumulador, en corriente alterna de 230 V. Ver la Figura Nº 4 y Nº 5.
21
Una vez almacenada la energía eléctrica en el acumulador hay dos opciones: sacar una línea directamente de éste para la instalación y utilizar lámparas y elementos de consumo de 12 ó 24 Vcc (primer esquema) o bien transformar la corriente continua en alterna de 230 V a través de un inversor (segundo esquema). Si en vez de un panel solar se instala un aerogenerador el sistema se denomina eólico 7. Si se instalan ambos será un sistema mixto. En este caso cada uno debe llevar su propio regulador. 2.1. PANELES FOTOVOLTAICOS. Los módulos
fotovoltaicos o colectores
solares
fotovoltaicos (llamados
a
veces paneles solares, aunque esta denominación abarca otros dispositivos) están formados por un conjunto de celdas (células fotovoltaicas) que producen electricidad a partir de la lcnologiafuenetenuevauz que incide sobre ellos (electricidad solar). El parámetro estandarizado para clasificar su potencia se denomina potencia pico, y se corresponde con la potencia máxima que el módulo puede entregar bajo unas condiciones estandarizadas, que son: •
Radiación de 1000 W/m².
•
Temperatura de célula de 25 °C (no temperatura ambiente).
Las placas fotovoltaicas se dividen en:
Cristalinas •
Monocristalinas: se componen de secciones de un único cristal de
silicio (reconocibles por su forma circular u octogonal, donde los 4 lados son cortos, debido a que es una célula circular recortada). •
Policristalinas: cuando están formadas por pequeñas partículas cristalizadas.
•
Amorfas: cuando el silicio no se ha cristalizado. Su efectividad es mayor cuanto mayor sean los cristales, pero también su peso, grosor y coste. El rendimiento de las primeras puede alcanzar el 20%
7
Winkipedia.org. Energiasolarfotovoltaica. Disponible en http://es.wikipedia.org/wiki/acumuladores#Historia
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mientras que el de las últimas puede no llegar al 10%, sin embargo su costo y peso es muy inferior .
2.2. CONTROLADOR DE CARGA. Los controladores o reguladores de carga son muy similares a los reguladores de los coches, controlando el voltaje y la corriente de un panel solar o generador eólico, entregados al acumulador o batería. Muchos paneles entregan 16 a 20 voltios que podrían llegar a estropea la batería por un efecto de sobrecarga, ya que esta necesita unos 14,5 voltios para una carga completa. Los paneles solares pequeños de 1 a 5 watios no requieren la instalación de ningún regulador dada su baja potencia, y una buena regla a recordar consiste en saber que si el panel entrega (durante un día) menos de 1/60 de la capacidad de la batería, este resultará innecesario. (O sea, si el panel ofrece 6 watios con una tensión de 12 voltios, y puede producir energía unas 5 horas al día, la corriente entregada durante esas 5 horas será de 6/12 amperios, es decir medio amperio durante 5 horas, o lo que es lo mismo 2,5 amperios-hora. Si nuestra batería tiene una capacidad de carga de por ejemplo 250 amperios-hora, y como 60 veces 2,5 amperios-hora (60x 2,5=150) es menor que la capacidad de carga de la batería, pues en conclusión no necesitaríamos ningún regulador.) La pregunta que puede hacerse más de uno es ¿Porqué los fabricantes de paneles los hacen de 17 o 20 voltios cuando nuestra batería es de 12 voltios? La respuesta reside en que salvo en condiciones ideales los paneles no producen su tensión máxima, de modo que más vale diseñarlos para más tensión ya que al trabajar en condiciones no ideales entregarán la mayor parte del tiempo tensiones cercanas a los 12 voltios... Y si hay mucho sol, pues que trabaje el regulador que para eso está!
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Si necesita regular mucha potencia 8, puede utilizar varios regulares idénticos trabajando en paralelo. Existen algunos “malos” reguladores que abren el circuito con un relay cuando este pasa de una tensión máxima de unos 15 voltios. Otros introducen en el circuito una carga que se ‘come’ el exceso de energía aportada mediante por ejemplo un diodo ‘zener’ que se hace conductor a partir de una tensión dada, y los más avanzados conocidos como PWM (Pulse Width Modulation) o de “modulación de anchura de impulso”, que permiten optimizar la carga de la batería. Los reguladores PWM permiten entregar un nivel de carga variable haciendo electrónicamente un encendido-apagado muy rápido del circuito. El dispositivo continuamente comprueba la tensión de la batería, y si esta es muy buena los impulsos estarán muy distanciados (por ejemplo cada 3 segundos) y además serán muy cortitos de duración (por ejemplo de una décima de segundo). Si por el contrario la batería necesita mucha carga, los impulsos serán muy prolongados y continuos. Existe otro sistema muy interesante en los regulares y que es conocido como LVD9 (por ser el acrónimo de Low Voltaje Disconnect) ‘Desconexión por Bajo Voltaje, que permite proteger de forma muy eficaz la vida de las baterías. Debemos saber que una batería de ácido, sea o no de gel y sea o no de ciclo profundo, sufre MUCHO cuando se descarga completamente o a niveles muy bajos de tensión. 2.3. ACUMULADORES O BATERIAS. En un barco representan la única manera de poder almacenar la energía. Por ello es indispensable elegir bien para conseguir la instalación acorde con nuestras necesidades. Debemos instalar la suficiente capacidad de almacenamiento como para no andar teniendo que recargarlas continuamente. Las baterías almacenan la energía eléctrica que reciben convirtiéndola en energía química, capaz de ser convertida nuevamente en electricidad cuando lo demandemos. Están formadas por placas de plomo alternadas por otras de bioxido de plomo, separadas por un elemento empapado de ácido sulfúrico 8 9
Winkipedia.org. tecnologiaindustrial. disponible en http://es.wikipedia.org/wikicontrollimitador#Historia MARIANELA,Luis .Energia solar Fotovolatica Cooperación al Desarrollo. Pag 67.
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diluido en agua destilada llamado electrolito. Cada pareja de placas genera 2 voltios, por eso cada batería tiene 6 pares de placas que alcanzan los 12 voltios. Ver Figura Nº 6. La capacidad de una batería depende de la superficie total de las placas, es decir que cuanto más capacidad, más pesará y volumen ocupará. La capacidad se expresa en Amperios-Hora (Ah) y las hay que están pensadas para entregar esa energía en un tiempo muy largo o por el contrario de forma más rápida. De la misma forma en que podríamos tener un depósito de agua de 10 litros, que puede vaciarse en 1 hora o en 10 minutos, la capacidad será la misma pero no el tiempo en que puede descargarse. Ojo! Para no estropear una batería nunca debemos descargarla por debajo del 80% de su capacidad, lo cual significa que si tenemos una batería de 200 Ah solo debemos disponer de 160 Ah como mucho. Es como si un depósito de agua siempre tuviera un fondo del que no pudiéramos valernos. Cuando cargamos la batería descargada, suministraremos entre un 10 y un 20% más de energía debido a las pérdidas producidas durante la carga. Si tenemos una batería de por ejemplo 100 Ah y 300 A, significa que puede almacenar 100 Amperios y que puede generar una corriente instantánea de hasta 300 Amperios. La capacidad de 100 Ah se mide para un tiempo de descarga de 20 horas (C20). 2.3.1. Tecnologías Diferentes. Básicamente existen dos tipos de baterías de ácido-plomo; Las pensadas para arrancar un motor y las que permiten trabajar de forma más continua. Existen en ambos casos con electrolito líquido o en forma de gel (como una gelatina), estancas o de tipo tradicional abiertas. Cada una tiene sus ventajas e inconvenientes. Las baterías de arranque permiten entregar una corriente muy fuerte durante cortos periodos de tiempo como para mover un motor de arranque o un molinete de ancla eléctrico. Están formadas por muchas placas finas que entregan una gran superficie de contacto con el electrolito. Si tenemos una batería de por ejemplo 100 Ah y 300 A, significa que puede almacenar 100 Amperios y que puede generar una corriente 25
instantánea de hasta 300 Amperios. La capacidad de 100 Ah se mide para un tiempo de descarga de 20 horas (C20). Esta batería está perfectamente adaptada para el arranque de un motor, sin embargo no rendirá bien para ciclos de descarga lentos como los debidos a las luces de navegación. Este otro tipo de baterías llamadas de tracción se miden para un tiempo de descarga de 5 horas (C5) y permiten disponer de más energía que en una de arranque (tipo C20). Por ejemplo, una batería de tracción de 115 Ah con C5 será equivalente a una de 140 Ah pero en (C20). Las baterías se van deteriorando con los ciclos de carga y descargas que puede cifrarse en unos 1.500 antes de tener que proceder a su sustitución. En definitiva, una batería de tracción puede valernos para descargas lentas pero no al contrario. Y una batería de arranque sufrirá más que la de tracción si la utilizamos para ciclos de descarga lentos y profundos. Así en teoría deberíamos tener una batería de arranque para el motor y el molinete y otra de tracción para los diferentes equipos del barco. En la práctica, al ser distintas, tendríamos que utilizar diferentes cargadores de baterías complicando mucho la instalación. La solución de compromiso consiste en utilizar baterías intermedias que ofrecen características intermedias entre estos dos extremos. Las baterías se descargan solas con el paso del tiempo aunque no las utilicemos, Esta autodescarga suele alcanzar el 1% o 2% diario! Es decir que si deja el barco 3 meses sin uso sus baterías estarán casi totalmente agotadas. Recientemente se han creado baterías con una tecnología de placas con una aleación de plomo y calcio adherida en una estructura de celdas de carbono que bajan la autodescarga a valores de 2 o 3% mensual… Lo cual permite olvidarse de la necesidad de cargar las baterías del barco durante todo el invierno. 2.3.2. La vida de las Baterías. Está directamente relacionada con la forma en que las utilicemos. Por ejemplo, si realizamos ciclos de descarga que llegan a consumir solo el 15% de la capacidad podremos contar con unos 1500 ciclos. Pero según 26
vamos aumentando el consumo de cada ciclo el numero de ellos disminuye rápidamente; Para ciclos que descarguen la batería hasta solo un 30% podremos disponer de buena batería durante 500 ciclos. Si la descargamos a la mitad de su capacidad, podremos utilizarla unas 300 veces, y si la descargamos en un 80% nos durará solo 175 ciclos! Si descargamos más del 80% la batería se sulfatará perdiendo parte de su capacidad definitivamente. 2.3.3. Cargar las Baterías. Cada batería necesita de un cargador adaptado a su tecnología de fabricación. Dependiendo de la tecnología empleada para su fabricación debemos utilizar tensiones y corrientes de carga diferentes. •
Baterías de Gel: Una batería de electrolito en gel es totalmente estanca y puede ser utilizada incluso boca abajo. La tensión de recarga debe ser de 14,22 voltios y la tensión de mantenimiento de carga (aquella que hay que mantener para conservar la carga) debe ser de 13,8 voltios. La corriente de carga en ente tipo de batería debe ser del 10% de su capacidad nominal. Estas baterías admiten ciclos de descarga profundos y entregan corrientes de pico altas, pero son más pesadas y bastante más caras.
•
Baterías estancas líquidas: El electrolito está empapado en un tipo de esponja y son más livianas que las de gel. La carga debe efectuarse a 14,8 voltios y con una corriente de 1/20 de la capacidad nominal. Si la tensión en reposo de la batería es de unos 12,2 voltios debemos considerarla completamente cargada.
•
Baterías cerradas con electrolito líquido: Están selladas pero no son consideradas estancas. No necesitan mantenimiento y se cargan a unos 15 voltios con una corriente de en torno al 15% de la capacidad.
•
Baterías
abiertas
de
electrolito
líquido:
Son
las
baterías
convencionales y baratas con tapones para verificar el estado de los vasos. La nueva generación de baterías utiliza la aleación de 27
Plomo/Calcio lo que limita la autodescarga al 2% mensual. Se deben cargar a 14,8 voltios con una corriente limitada a ¼ de su capacidad nominal ( por ejemplo para una batería de 100 Ah un máximo de 25 Amperios. No admiten descargas profundas. La tensión mínima que debe entregar la batería es de 12,3 voltios y por debajo de los 12 voltios se produce sulfatación de las placas y deterioro irremediable de su capacidad. •
Baterías de placas en espiral: Las placas están enrolladas como una espiral y el electrolito empapa una retícula de fibra de vidrio. Es totalmente estanca y puede funcionar incluso boca abajo. Entregan fuertes corrientes de pico; Por ejemplo una de 60 Ah puede entregar 900 Amperios de golpe y aceptan las descargas profundas. Pesan poco y son caras. Para la recarga utilizaremos una corriente de unos 10 amperios para 60 Ah y con tensión de 13,8 a 14,8 voltios.
2.4. LIMITADOR DE TENSION.
•
Protege al transformador de corriente contra las sobretensiones generadas durante un funcionamiento en circuito abierto.
•
El limitador de tensión solo actúa una vez, como si fuese un «fusible» para tensión.
•
El limitador de tensión no afecta a la precisión de medida en funcionamiento normal.
•
Particularmente adaptado a los transformadores con intensidades primarias altas para generadores.
Este dispositivo sirve principalmente para proteger al transformador contra apertura inoportuna o fortuita del circuito secundario, el cual ocasionaría su destrucción. Su uso limita a 1500V la tensión cresta que pueda surgir entre los
28
bornes secundarios del transformador de corriente. En cuanto llegue a los 1500V, el dispositivo cortocircuita los bornes secundarios. El limitador solo sirve una vez. No se rearma. Se puede llegar a tensiones limites superiores a los 1500V mediante a la puesta en serie de varios limitadores (múltiples de 1500V). En servicio normal, ninguna
corriente de fuga pasa por el limitador, así
preservando la precisión del transformador de corriente.
CAPITULO III LA TECNOLOGIA Y LA INDUSTRIA SOLAR FOTOVOLTAICA: PRESENTE Y FUTURO 3.1.
LAS CÉLULAS SOLARES. La célula solar es un dispositivo semiconductor capaz de convertir los fotones procedentes del Sol (luz solar), en electricidad de una forma directa e inmediata. Esta conversión se conoce con el nombre de efecto fotovoltaico. 29
Una forma más general de célula solar, afectada tanto por los fotones del Sol como los de otras fuentes artificiales, como una bombilla, se denomina célula fotovoltaica. Las células solares tienen muchas aplicaciones. Son particularmente interesantes, y han sido históricamente utilizadas, para producir electricidad en lugares donde no llega la red de distribución eléctrica, tanto en áreas remotas de la Tierra como del espacio, haciendo posible el funcionamiento de todo tipo de dispositivos eléctricos como satélites de comunicaciones, radioteléfonos o bombas de succión de agua. Ensambladas en paneles o módulos y dispuestas sobre los tejados de las casas, por medio de un inversor, pueden inyectar la electricidad generada en la red de distribución para el consumo, favoreciendo la producción global de energía primaria de un país, de manera limpia y sostenible. 3.2.
HISTORIA DE LAS CELULAS SOLARES FOTOVOLTAICAS. El término fotovoltaico viene del griego (luz) y del nombre del físico italiano Volta, de donde proviene también voltio y voltaje. Literalmente significa luz y electricidad. El efecto fotovoltaico fue atribuido por primera vez, en 1839, al físico francés Alexandre-Edmond Becquerel, sin embargo, no fue hasta 1883 cuando Charles Fritts construyó la primera célula fotovoltaica, recubriendo un semiconductor de selenio por una fina capa de oro, formando las primeras uniones p-n. Este pequeño dispositivo sólo tenía una eficiencia del 1%. Russell Ohl patentó la moderna célula solar en 1946. Actualmente, podemos hablar ya de tres generaciones de células solares: 3.2.1. 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 30
eficiencia es baja, el rendimiento práctico no suele ir más allá del 15% y su coste, debido al proceso de elaboración, muy elevado.
3.2.2. 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. 3.2.3. 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). 10 3.3.
PRODUCCIÓN DE ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA. España es en la actualidad uno de los primeros productores mundiales de energía fotovoltaica con una potencia instalada estimada de 3.200 MW, por detrás de Alemania que cuenta con unos 3.850 MW. Tan solo en 2008 la potencia instalada en España ha sido de unos 2.500 MW, debido al anuncio de cambio de regulación a la baja de las primas a la generación que finalmente se produjo en septiembre. Alemania es en la actualidad el segundo fabricante mundial de paneles solares fotovoltaicos tras Japón, con cerca de 5 millones de metros cuadrados de paneles solares, aunque sólo representan el 0,03% de su producción energética total. La venta de paneles
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Solarpedia.es .Célula-Solar. en línea: www.solarpedia.es/index.php/Célula solar
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fotovoltaicos ha crecido en el mundo al ritmo anual del 20% en la década de los noventa. En la UE el crecimiento medio es del 30%. El crecimiento actual de las instalaciones solares fotovoltaicas está limitado por la falta de materia prima en el mercado (silicio de calidad solar) al estar copadas las fuentes actuales, aunque a partir de la segunda mitad de 2008 el precio del silicio de grado solar ha comenzado a disminuir al aumentar su oferta debido a la entrada en escena de nuevos productores. Prueba de ello son los diversos planes se han establecido para nuevas factorías de este material en todo el mundo, incluyendo dos proyectos en España con la colaboración de los principales actores del mercado. 11 3.4.
FABRICACIÓN DE CÉLULAS SOLARES. En 1941 fue descubierto el efecto fotovoltaico en el silicio y la primera célula solar de silicio fue fabricada en laboratorio en 1954, destinada en principio a aplicaciones espaciales. Después de este origen vinculado a la tecnología espacial, las células solares empezaron a estudiarse durante la década del 70 para aplicaciones terrestres, contando con el estimulo producido por la crisis del petróleo y el carácter renovable e ilimitado de la energía solar. El material de origen de estas células es el óxido de silicio, del que por reducción se obtiene el silicio metalúrgico, de bajo costo pero de una pureza del orden del 98% que no es suficiente para su posterior utilización como célula solar. Por lo tanto, se somete a ese silicio metalúrgico a un proceso de purificación con clorosolato (Si H Cl3), que permite obtener un material prácticamente puro, monocristalino denominado de calidad electrónica. Un proceso de purificación alternativo consiste en el refinamiento utilizando un elemento de aporte que produce un material impuro, o silicio de grado solar que es más económico que el silicio de grado electrónico y es hoy el
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Wikipedia.org. Energía-Solar-Fotovoltaica . disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_solar_fotovoltaica
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que se utiliza masivamente en la producción de células solares policristalinas. En las células policristalinas, en el proceso de solidificación lo átomos se organizan en un único cristal, constituyendo una estructura con superficie de separación entre los cristales. Las células solares de silicio mono cristalino están basadas en la unión del silicio, u homounión, en contraposición a otros tipos de células solares, como el arseniuro de silicio o heterounión. Debido al alto coste de este tipo de materiales, a pesar de que mejoren el rendimiento del silicio, se comenzaron a estudiar las células fotovoltaicas poli cristalinas, con rendimiento inferior pero considerablemente más baratas. En la década de los 60 empezaron a considerarse en la Física del Estado Sólido los materiales amorfos, principalmente el silicio, el único empleado hasta ahora en esta forma para la utilización en células fotovoltaicas. Una de las características más comunes en los sólidos amorfos es el gran número de estados o impurezas en la banda prohibida, que aumentan así su rendimiento en la absorción de luz, el espesor de una muestra de silicio cristalino es de 100 micras, mientras que el silicio amorfo sólo necesita un espesor de 1 micra, en 1986 el silicio amorfo había desplazado al cristalino. Para mejorar el rendimiento, un español aprovechó no solo la radiación procedente del sol, sino también la que era reflejada por la superficie terrestre, creando así las células bifaciales. La tecnología de estas células está basada en una doble unión, normalmente N-P-P. El problema de este tipo de células radica en el elevado coste de producción a causa de su específica fabricación. Las técnicas de producción en serie son las indicadas para fabricar láminas finas, que requieren muy pequeñas cantidades de material activo, con lo que se abarataría su coste. 12 3.4.1. Pasos Para la Fabricación.
12
GIORDANO, Martín. TIPOS DE ENERGIA. Pág. 25.
33
1. A partir de las rocas ricas en cuarzo, por ejemplo cuarcita se obtiene silicio de alta pureza (de alrededor del 99%) y se funde. 2. Una vez fundido se inicia la cristalización, resultando, si el tiempo es suficiente, lingotes de silicio cristalino 3. El proceso de corte es muy importante ya que puede suponer pérdidas de hasta el 50% de material. 4. Tras el proceso de corte se procede al decapado, que consiste en eliminar las irregularidades y defectos debidos al corte, así como los restos de polvo o virutas que pudiera haber. 5. Una vez limpia se le realiza un tratamiento antirreflectante para obtener una superficie que absorba más eficientemente la radiación solar. 6. Formación de la unión p-n mediante la deposición de varios materiales (boro y fósforo generalmente), y su integración en la estructura de silicio cristalino. 7. Finalmente provee a la célula de contactos eléctricos adecuados. 3.5.
PRINCIPIOS FÍSICOS. Los fotones de la luz solar chocan contra la célula solar y son absorbidos por un material semiconductor , por ejemplo el silicio. Los electrones (carga negativa) salen despedidos de sus átomos respectivos, recorriendo el semiconductor y produciendo electricidad. Complementariamente a este efecto, también se crean (como burbujas) los huecos (carga positiva), que fluyen en dirección opuesta a la de los electrones. Una agrupación numerosa de células solares, convierte la energía solar en corriente eléctrica continua lista para ser utilizada. La corriente continua puede entrar en un inversor. 34
El inversor convierte la corriente eléctrica continua en corriente alterna de 110 o 220 voltios, apta para el uso doméstico. La corriente alterna puede ser inyectada en la red de distribución eléctrica y ser transportada a otros lugares. 3.6.
ELECTRONES Y HUECOS. Como sabemos, la materia está compuesta por átomos, los cuales a su vez están formados por dos partes bien diferenciadas: el núcleo, dotado de carga eléctrica positiva y los electrones, que giran alrededor del núcleo en diferentes bandas de energía, con carga negativa que compensa a la del núcleo. Este conjunto, en condiciones normales, se mantiene estable y es eléctricamente neutro. A los electrones de la última capa se les ha dado el nombre de electrones de valencia y tienen la característica de poder relacionarse con otros similares, formando una red cristalina. En base al comportamiento de los electrones de esta última capa, se puede hacer una división de los materiales eléctricos en: conductores, semiconductores y aislantes. Cuando un fotón choca contra un trozo de silicio pueden pasar tres cosas: El fotón atraviesa el silicio y sigue su camino. Esto ocurre cuando la energía del fotón es menor que la energía que liga a los electrones de la última capa con su núcleo. El fotón es reflejado por la superficie de silicio. En este caso, la energía del fotón es mayor que la del enlace. El fotón es absorbido por el silicio. Esto ocurre cuando la energía del fotón es similar a la energía que liga a los electrones de valencia con el núcleo. En este último caso, el fotón cede su energía al electrón y puede romper el enlace que le vincula al núcleo, quedando libre para circular por el semiconductor. El lugar dejado por el electrón se llama hueco y tiene carga positiva (igual a la del electrón pero de distinto signo). Estos huecos también se desplazan, ya que el electrón liberado es susceptible de caer en un hueco 35
próximo. Este fenómeno de que un electrón ocupe la posición dejada por otro, se conoce con el nombre de recombinación. Cuando la luz solar bombardea con fotones la superficie de un semiconductor, los pares de electrones-huecos creados se desplazan hacia zonas no iluminadas donde se recombinan y estabilizan al perder actividad. Sin embargo al moverse ambos en la misma dirección, no se produce corriente eléctrica. Para que se produzca una corriente eléctrica es necesario que los electrones-huecos se muevan en direcciones opuestas. Esto se puede conseguir creando un campo eléctrico en el interior del semiconductor.13
3.7.1. La Región N Y La Región P Existen varias formas de crear un campo eléctrico en el interior de un semiconductor, casi todas ellas se basan en el potencial de contacto y la afinidad que ciertos materiales tienen por los electrones. En las células solares, lo que se suele hacer es unir dos regiones del silicio que han sido tratadas químicamente de forma diferente. Una de las regiones, la denominada n ha sido dopada, impurificada con fósforo. El fósforo tiene 5 electrones de valencia, uno más que el silicio, de modo que esta región muestra una afinidad por los electrones menor que el silicio. La otra región, denominada p, ha sido dopada con boro. El boro tiene sólo tres electrones de valencia, por lo que su afinidad para captar electrones es mayor que la del silicio puro. Si unimos estas dos regiones por medio de materiales conductores, la unión p-n así formada presenta una diferencia de potencial que hace que los electrones liberados vayan hacia la zona n y los huecos hacia la zona p, produciéndose una corriente eléctrica
13
ROBERT CHRISTY, Agnar Pytte. ESTRUCTURA DE LA MATERIA . Pag.49 36
Para entender el comportamiento de una célula solar, es útil partir de un modelo eléctrico equivalente, basado en componentes eléctricos bien conocidos. Una célula ideal puede ser modelada como una fuente eléctrica conectada con un diodo en paralelo. En la práctica, no existen células ideales, por lo que se colocan un resistencia en paralelo y una resistencia en serie. A la izquierda se muestra dicho circuito equivalente. A la derecha, la representación esquemática de una célula solar. 3.7.
LA TECNOLOGÍA DE REFERENCIA. Materiales absorbentes de luz Todas las células solares requieren de un material absorbente de luz capaz de atrapar los fotones y desplazar electrones por medio del efecto fotovoltaico. Los materiales usados en las células solares suelen estar diseñados para absorber la luz solar que llega a la superficie de la Tierra; sin embargo, hay células solares optimizadas para absorber longitudes de onda que no llegan a atravesar la atmósfera. Estos materiales pueden usarse en múltiples configuraciones físicas para absorber diferentes longitudes de onda produciendo la separación de cargas (electrones y huecos). 3.8.1. Células Solares Categoría de Materiales.
1. Gruesos (Bulk) Este tipo de tecnología hace referencia al proceso de fabricación, que consiste en la producción de un lingote cilíndrico de silicio dopado con boro y que es recuadrado hasta obtener un prisma cuadrangular. Éste es cortado en rebanadas finas (0.3mm de espesor, más o menos) que se conoce en el mundo fotovoltaico con el nombre de
obleas ,
y es el punto de partida para la
fabricación de la mayoría de paneles fotovoltaicos actuales.
2. Germanio 37
El Germanio tiene un menor ancho de banda de absorción que el silicio, resultando apropiado para la absorción de longitudes de onda mayores, como la luz infrarroja. La obleas de este material pueden resultar útiles para la fabricación multi-capa de películas ligeras.
3. Silicio El silicio cristalino es el material más utilizado en la fabricación de células solares. El silicio en grueso (bulk) puede clasificarse en varias categorías en función de la cristalinidad y el tamaño de los cristales de los que se pueden obtener lingotes, tiras u obleas.
4. Multi-unión de Arseniuro de Galio Las células multiunión de Arseniuro de Galio, son células altamente eficientes que han sido concebidas para ser utilizadas en aplicaciones especiales como los satélites, vehículos de exploración espacial, etc. que requieren un alto rendimiento. Estas células multiunión constan de múltiples películas delgadas cada una constituida por un semiconductor diferente. Una célula de triple unión, por ejemplo, podría estar compuesta por Gas, Ge y GaInP2. Cada tipo de semiconductor se caracteriza por una banda de energía, que le hace más sensible a la luz de determinado color, o dicho de manera más precisa, a absorber radiación electromagnética de una determinada región del espectro. Los semiconductores se escogen cuidadosamente para lograr absorber todo el espectro solar produciendo la máxima electricidad posible. Las células multiunión de Gas son las células solares más eficientes hasta la fecha, alcanzando valores de hasta un 39%.
38
También son las más costosas de producir (hasta 40$ US por cm2)14 3.8.
CARACTERÍSTICAS DE LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS. 1) Cómo Trabaja La Energía Solar. La celdas solares PV o fotovoltaicas funcionan bajo el principio de que la electricidad circulará entre dos semiconductores disímiles al ponerlos en contacto uno con el otro y ser expuestos a la luz. Conectando un número de estas celdas entre sí, se apreciará que se produce una útil y abundante circulación de corriente eléctrica. Un conjunto de dos o más unidades de celdas fotovoltaicas de iguales características constituyen un módulo fotovoltaico. Ver figura Nº 7. 2) Generación Eléctrica. Por causa de sus propiedades eléctricas, los módulos fotovoltaicos producen corriente continua en lugar de corriente alterna (C.A.). La corriente continua (C.C.) se caracteriza por el pasaje de electrones circulando en una sola dirección (el tipo de corriente que obtiene de una pila o de un elemento de linterna). La corriente alternada es una circulación de electrones que invierte su dirección a intervalos regulares, como por ejemplo la provista por las compañías generadoras a través de la red de distribución nacional. La C.A. es necesaria para accionar la mayoría de los artefactos grandes, refrigeradoras, etc. En los sistemas fotovoltaicos más sencillos, la corriente continua se usa directamente. En las aplicaciones en donde es necesaria la C.A., se agrega al sistema un “inversor”, que convierte la CC en CA. 3) Componente Básico de un Sistema. Los paneles solares son sólo uno de los elementos de un sistema solar completo. Para poder ser usado en aplicaciones similares a la que se
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Solarpedia Célula-Solar disponible en: www.solarpedia.es/index.php/Célula-solar
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obtiene a través de la distribución domiciliaria, necesita un inversor para convertir la electricidad de C.C. en C.A., compatible con la alimentación de la línea de canalización. También es necesario contar con un sistema de baterías y un regulador de carga, además de un conmutador de control para accionar dispositivos de emergencia. En instalaciones más sencillas, también necesitará una batería para cargas diurnas, un regulador de carga para llevar a cabo con eficiencia esta función, y un inversor – en caso que necesite C.A. 15 3.9.
INDUSTRIA FOTOVOLTAICA. La industria fotovoltaica española vive en 2009 el peor año de su corta historia. Con pocos proyectos sobre la mesa, sin financiación desde los bancos y cajas y tiritando todavía tras el cambio regulatorio del año pasado, las empresas buscan nuevos mercados, se diversifican o, simplemente, desaparecen. Fuentes del sector estiman que durante el actual ejercicio no serán capaces de cubrir más que la mitad de los 500 megavatios asignados por el Gobierno central. "El sector no se ha enfriado, está congelado", explican desde una empresa navarra para hacer ver una realidad que ha supuesto, incluso, un descenso en la potencia instalada tanto en el conjunto de España como en Navarra. Con 3.404 MW de junio, 34 menos que a finales de año, los datos de la Comisión Nacional de la Energía reflejan un retroceso paulatino en los últimos meses y que seguramente se corrija de aquí a finales de año, y que tiene su correspondencia en la Comunidad Foral, con 152 megavatios instalados a finales de año. "Desde el otoño pasado sólo se ha conectado una nueva instalación, en Valtierra, que no llegó a tiempo para entrar en la tarifa antigua", explican desde una conocida empresa solar navarra. En abril, había apenas tres MW instalados más que en diciembre de 2008, y la energía vendida se quedaba en junio muy por debajo: 123 MW frente a los 140 MW recogidos en la memoria de la Asociación de la Industria Fotovoltaica. En toda España, se han adjudicado apenas 200 megavatios,
15
Electricasas. Fotovoltaica. Disponible en: http://www.electricasas.com/wp-content/uploads
40
pero, tal y como advierten fuentes de Acciona, "en la práctica están sin ejecutar casi todos". 1.
Desarrollo de energía solar Fotovoltaica. La energía solar fotovoltaica es un tipo de electricidad renovable (energía eléctrica, -voltaica) obtenida directamente de los rayos del sol (foto-) gracias al efecto fotoeléctrico de un determinado dispositivo; normalmente una lámina metálica semiconductora llamada célula fotovoltaica, o una deposición de metales sobre un sustrato llamada capa fina. También están en fase de laboratorio métodos orgánicos. Se usa para alimentar innumerables aparatos autónomos, para abastecer refugios o casas aisladas y para producir electricidad para redes de distribución. Los módulos o paneles fotovoltaicos están formados por un cristal o lámina transparente superior y un cerramiento inferior entre los que queda encapsulado el sustrato conversor y sus conexiones eléctricas. La lámina inferior puede ser transparente, pero lo más frecuente es un plástico de telar. Para encapsular se suele añadir unas láminas finas y transparentes de EVA que se funden para crear un sellado anti humedad, aislante, transparente y robusto. La corriente eléctrica continua que proporcionan los paneles fotovoltaicos se puede transformar en corriente alterna mediante un aparto electrónico llamado inversor e inyectar en la red eléctrica, operación actualmente sujeta a subvenciones en muchos lugares para una mayor viabilidad. El proceso, simplificado, sería el siguiente: Se genera la energía a bajas tensiones (380-800 V) y en corriente continua. Se transforma con un inversor en corriente alterna. Mediante un centro de transformación se eleva a Media tensión (15 ó 25 kv) y se inyecta en las redes de transporte de la compañía.
41
En entornos aislados, donde se requiere poca potencia eléctrica y el acceso a la red es difícil, como estaciones meteorológicas o repetidores de comunicaciones, se emplean las placas fotovoltaicas como alternativa económicamente viable. Para comprender la importancia de esta posibilidad, conviene tener en cuenta que aproximadamente una cuarta parte de la población mundial no tiene acceso a la energía eléctrica.
2.
Aplicaciones de la Energía Solar Fotovoltaica. Se viene usando profusamente para alimentar innumerables aparatos autónomos
o
semiautónomos
como
calculadoras,
sensores,
transmisores, satélites, aviones tripulados y sin tripular, señales viales. También para abastecer refugios o casas aisladas ayudándose de equipos de acumulación: regulador y baterías. Y más recientemente para producir electricidad para redes de distribución, usando los famosos paneles solares. Este proceso impulsado estatalmente comenzó en Japón y Alemania y luego ocurrió en España y esta desarrollándose en países de Europa, EE.UU. y muchos otros países. Se llama fotovoltaica conectada a red y depende actualmente de subvenciones a la instalación, descuento de impuestos o una prima a la producción ('feed in tarif' en inglés), caso de España y Alemania. 3.
Centrales de energía solar fotovoltaica. La mayor central de energía solar del mundo hasta el año 2004 se encontraba en la ciudad de Espenhain, cerca de Leipzig. Con 33.500 paneles solares modulares mono cristalinos y una capacidad de producción de 5 megavatios, la central es suficiente para abastecer a 1.800 hogares. La inversión ascendió a 20 millones de euros, según 42
Shell Solar y Geosol, las firmas constructoras. Actualmente la empresa alemana SAG Solarstrom, que opera en España con el nombre TAU Solar, ha construido la mayor huerta solar del mundo en Erlasee (Alemania). Esta sustituye a la central de Espenhain. La nueva central de Erlasee cuenta en su totalidad con una capacidad de producción de 12 megavatios. En junio de 2008 General Motors anunció que planea construir la mayor planta de energía fotovoltaica sobre techo del mundo en Figueruelas (Zaragoza), con una extensión de 183.000 metros cuadrados y 50 millones de euros de inversión. En el proyecto colaboran la Comunidad de Aragón, la empresa francesa Veolia Environnement y el grupo estadounidense Clairvoyant Energy. El mayor fabricante europeo de productos fotovoltaicos es la compañía alemana RWE SCHOTT Solar con sede en Alzenau (Baviera). Esta compañía posee la planta de producción fotovoltaica más moderna y completamente integrada del mundo. En 2003 la compañía generó ventas netas de 123 millones de euros y tiene más de 800 empleados. Además Friburgo de Brisgovia es la sede de ISES (Sociedad Internacional de Energía Solar). Según datos facilitados por la Asociación de Industria Fotovoltaica (Asif) España ha pasado de 22 MW de potencia fotovoltaica instalada en 2004, a más de 1.100 MW en agosto de 2008, pasando de las 3.208 instalaciones que había en 2004, a las 26.000 existentes en 2008. •
Seguidores El uso de seguidores permite aumentar considerablemente la producción, en torno al 30% en lugares de elevada radiación directa. Los seguidores solares a dos ejes son muy comunes en aplicaciones fotovoltaicas. Existen dos variables fundamentales: las pérdidas por sombreado y los costes proporcionales a la superficie ocupada 43
(cableado y coste de la tierra), ambos antagonistas. Se puede por tanto definir una distribución óptima de los seguidores. Cableado
•
La sección de cable viene en general determinada por el criterio más restrictivo entre caída de tensión y máxima intensidad admisible. Aumentando las secciones de conductor que se obtienen como resultado de los cálculos teóricos se consigue, en general, amortizar el sobrecoste con un ahorro en la factura eléctrica por reducción de las pérdidas por calentamiento de los conductores. Pero cuando se trata de una instalación fotovoltaica la amortización puede ser mucho más rápida, ya que el precio de la energía generada es sensiblemente superior al precio de mercado. Para su dimensionamiento se hace respetar la caída máxima de tensión admisible, así como la intensidad máxima admisible. A continuación se procede al sobre-dimensionamiento y se realiza el análisis económico correspondiente en términos de valor actual neto. Se observa a continuación el tiempo de retorno de la inversión, que en muchos casos resulta muy inferior a la duración de vida de la instalación (entre 20 y 25 años). Además aporta ventajas añadidas como:
Líneas más descargadas, lo que prolonga la vida útil de los cables
Posibilidad de aumento de potencia sin cambiar el conductor
Mejor respuesta a posibles cortocircuitos
Mejora del performance ratio (PR) de la instalación
Mayor generación eléctrica renovable (mayor cantidad de emisiones evitadas de gases de efecto invernadero)
44
4.
Plantas de Concentración Fotovoltaica. Un paso adelante en las plantas fotovoltaicas son las que utilizan una tecnología de concentración para maximizar la energía solar recibida por la instalación. Las instalaciones de concentración fotovoltaica se sitúan en emplazamientos de alta irradiación solar directa, como son los países a ambas riberas del Mediterráneo, Australia, EE.UU., China, Sudáfrica, México… Hasta el año 2006 estas tecnologías formaban parte del ámbito de investigación, pero en los últimos años se han puesto en marcha instalaciones de gran tamaño como la de ISFOC (Instituto de Sistemas Solares Fotovoltaicos de Concentración) en Puerto llano, Castilla La Mancha con 3 MW suministrando electricidad a la red eléctrica. La idea básica de la concentración fotovoltaica es la sustitución de material semiconductor por material reflectante o refractante (más barato).5 El grado de concentración puede alcanzar un factor de 1000, de tal modo que, dada la pequeña superficie de célula solar empleada, se puede utilizar la tecnología más eficiente (triple unión, por ejemplo). En revancha, el sistema óptico introduce un factor de pérdidas que hace recuperar menos radiación que la fotovoltaica plana.6 Esto, unido a la elevada precisión de los sistemas de seguimiento, constituye la principal barrera a resolver por la tecnología de concentración. Las principales empresas están empezando a ver la concentración fotovoltaica como una alternativa viable para la reducción de costes. 7 8 Recientemente se ha anunciado el desarrollo de plantas de grandes dimensiones (por encima de 1MW). Las plantas de Concentración Fotovoltaica utilizan un seguidor de doble eje para posibilitar un máximo aprovechamiento del recurso solar durante todo el día. 16
3.10. EL FUTURO.
16
Wikipedia.org. Solar-Cell. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Solar_cell.png
45
Sin los incentivos y la alegría financiera de antaño, el ajuste del sector ha sido drástico y sus repercusiones en el empleo, si bien limitadas por el propio tamaño del sector, evidentes. En España, la Asociación de Industria Fotovoltaica (ASIF) cifra en más de 27.000 los empleos perdidos. En Navarra, el sector ocupaba a un millar de personas hace un año y la congelación del mercado nacional golpeó especialmente a las plantas industriales como es el caso de INGETEAM en Sesma, que no pudo renovar los contratos de obra y servicio realizados para atender la avalancha de pedidos de la primera mitad de 2008. Hoy, el sector puede emplear apenas a medio millar de personas de modo directo, si bien todas las actividades relacionadas con él se han resentido de modo grave.
3.11. HOY Y MAÑANA. Como dijimos al principio del artículo, el futuro de la energía solar se relaciona con los acontecimientos que hoy ésta vive; la producción de dispositivos solares ha crecido un 30% en los últimos meses y esto se debe a que son cada vez más las personas que ven a la energía fotovoltaica como una solución viable al reemplazo de los combustibles fósiles. Si esto ocurre hoy, al cabo de 10 años, con una población mucho más concientizado, la producción de artefactos solares será mayor debido a que también lo será su demanda. La energía solar es la que ayudará a las naciones más pobres a vivir dignamente, algo que actualmente no sucede, es que el Sol es una fuente de energía gratuita para todos los habitantes del planeta sólo debemos saber cómo aprovecharla. Los proyectos para promulgar un excelente y eficiente futuro de la energía solar tendrán lugar en algunos sitios europeos pero ocuparán mayormente las áreas pobres. 17 Ver Figura Nº8 .
17
Instalacionenergiasolar. ENERGIA SOLAR Disponible En: www.instalacionenergiasolar.com
46
CONCLUSIONES •
El estudio permite visualizar que es posible utilizar fuentes alternativas de energía eléctrica, para ayudar a la conservación del medio ambiente.
•
La potencia de la radiación en una energía fotovoltaica varia según el momento del día, las condiciones atmosféricas y la latitud.
•
Con el sistema fotovoltaico se transforma la luz solar en electricidad, esta conversión directa se realiza mediante unas sustancias especiales llamadas semiconductores.
•
Es una fuente de energía de vital importancia que es aprovechada en lugares que carecen de energía eléctrica convencional.
•
El uso de fuentes de energías alternativas, son medidas que permiten aliviar el uso de las energías convencionales, logrando con esto alcanzar una cierta independencia, consiguiendo además, disminuir los niveles de contaminación al dejar de utilizar en parte combustibles fósiles, disminuyendo también la necesidad de construir centrales hidroeléctricas para satisfacer la demanda energética.
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ANEXOS Figura Nᵒ 1. CELDAS FOTOVOLTAICAS.
Fuente: http://www.instalacionenergiasolar.com/energia/celdas-fotovoltaicas.html
Figura Nᵒ 2. MÓDULO
SOLAR.
48
Fuente: http://www.samlexsolar.com/images/userimages/featured/Solar-Panel-small.gif
Figura Nᵒ 3. PANEL SOLAR
Fuente: http://hjnog23.facilisweb.es/imagenes/solares1.jpg
Figura Nᵒ 4. UNA INSTALACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA SIN INVERSOR, UTILIZACIÓN A 12VCC
49
Fuente: GARCÍA VILLAS, Marianella. Energía Solar Fotovoltaica y Cooperación al Desarrollo
Figura Nᵒ 5. UNA INSTALACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA CON INVERSOR, UTILIZACIÓN A 230VCA
Fuente: GARCÍA VILLAS, Marianella. Energía Solar Fotovoltaica y Cooperación al Desarrollo
50
Figura Nᵒ 6. COMPOSICIÓN DE UN ACUMULADOR
Fuente: www.tecnologiaindustrial
Figura Nº 7. LA TECNOLOGÍA DEL FUTURO.
51
Fuente: www.instalacionenergiasolar.com
Figura Nº 8. CAPTACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR.
Fuente: http://www.electricasas.com/wp-content/uploads
Figura Nº 9. EL EFECTO FOTOELÉCTRICO.
Fuente: http://www.electricasas.com/wp-content/uploads
BIBLIOGRAFIA 1. CARILLO YAÑEZ, José y MORALES LÓPEZ, Jesús Isidro Enrique. “Estudio para la electrificación con energías alternativas, Utilizando celdas fotovoltaicas para electrificar el Poblado de cañada colorada, municipio de apaxco, Estado de méxico”. Tesis para obtener el titulo de: Ingeniero Electricista. instituto Politécnico Nacional MÉXICO, D.F, 2009. 155 Pág.
52
2. CENSOLAR.ES. La Investigación y El Desarrollo Fotovoltaico En España. [En línea] documento electrónico de internet. Censolar.Es. [fecha de consulta: 17 de julio del 2010]. Disponible en: http://www.censolar.es/articu04.htm 3. CUERVO GARCÍA, Rafael Y MÉNDEZ MUÑÍZ, Javier María. “Energía Solar Fotovoltaica 2ºda Edición”- Energía Renovable. Editorial FUNDACIÓN CONFEMETAL Madrid-España. 245 Pág.
4.
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Energía Solar Térmica Y Frio Solar- Efecto Fotovoltaico . Editorial Estilo Estugraf Impresiones S.L, 2008. 193 Pág. 53
