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MANUAL PRÁCTICO Y TEÓRICO SOBRE LA IMPORTANCIA Y
FUNCIONAMIENTO BÁSICO DE UN
PANEL SOLAR
PRESENTADO POR:
JUAN SEBASTIÁN MAYORGA CHÁVEZ
CARTAGENA DE INDIAS, COLOMBIA
2014
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“Salvaguardar el medio ambiente. . . Es un principio rector de todo nuestro trabajo en
el apoyo del desarrollo sostenible; es un componente esencial en la erradicación de la
pobreza y uno de los cimientos de la paz.”
-Kofi Annan
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Tabla de contenido
I.
Importancia y funcionamiento teórico de la energía solar
I.
Importancia de la energía solar
II.
III.
La celda y el efecto fotovoltaico
IV.
II.
Incidencia solar
El panel fotovoltaico
Funcionamiento práctico y construcción de un panel solar
I.
Construcción rustica de un módulo solar
II.
Resultados de pruebas
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Corporación educativa Colegio Británico de Cartagena
Manual práctico y teórico sobre la importancia y funcionamiento básico de un
panel solar
Presentado por: Juan Sebastián Mayorga Chávez
Abstract:
•
The document consists of two parts. The first refers to the ecological
significance of solar energy, to the description of physical theories
involved in photovoltaic power generation and the exposure of certain
concepts and phenomena that occur in it. In the second part is disclosed
a method, based on practical experience, of how to build a solar panel
and test results are shown to verify the performance of a photovoltaic
module.
Resumen:
•
El documento consta de dos partes. En la primera, se refiere a la
trascendencia sobretodo ecológica de la energía solar, a la descripción
de las teorías físicas que intervienen en la generación de energía
fotovoltaica y a la exposición de algunos conceptos y fenómenos que
ocurren en ella. En la segunda parte se da a conocer un método basado
en la experiencia práctica de cómo elaborar un panel solar y se exhiben
los resultados de pruebas para comprobar el comportamiento de un
módulo fotovoltaico.
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I.
Importancia y funcionamiento teórico de la energía solar
I.
Importancia de la energía solar
Con el inicio de la revolución industrial, a mitad del siglo XVIII, el hombre
se abrió paso hacia un mundo lleno de facilidades, industrias e innovación. Un
mundo, que le permitió desarrollar su intelecto y habilidades con el propósito de
construir e inventar artefactos que convirtieran las más complejas tareas en los más
sencillos trabajos. Nacía una nueva relación, entre la máquina y el humano que
marcaría el destino de este último desde ese entonces.
Sin embargo, el desarrollo tecnológico no vino sin consecuencias. Casi tres
siglos de emisiones de gases contaminantes han llevado al planeta al borde del
colapso. Cada vez, se hacen estimaciones más preocupantes sobre el tiempo que le
queda al medio ambiente antes de entrar en una era de calentamiento irreversible,
que destruirá el ecosistema como lo conocemos. La extracción de combustibles
fósiles como el petróleo y el carbón, libera en la atmosfera el carbono acumulado en
la superficie terrestre durante los últimos millones de años. No solo esto, además
gigantescos derrames de hidrocarburos y desechos industriales perturban el
ecosistema marino acabando progresivamente con corales, peces y la fauna que se
encuentra en los cuerpos de agua. Los glaciares ceden territorio y el nivel del mar
aumenta todos los años un par de centímetros. Las especies desaparecen, emigran o
son preservadas en jaulas para asegurar su supervivencia. El mundo anda patas arriba
y el hombre es el único con la capacidad para hacer un cambio.
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Hay quienes afirman que el calentamiento global es parte de los ciclos
naturales del planeta, aun si fuera cierto, es innegable que el hombre con su
hiperconsumo ha acelerado el proceso, de tal forma que hoy en día es inconcebible
un mundo sin fuentes de energías sintéticas u objetos desechables que satisfagan el
ego.
En vista a lo anterior las soluciones viables se presentan a sí mismas bajo el
título de energías renovables. Siendo estas definidas según la RAE como la...
“energía cuyas fuentes se presentan en la naturaleza de modo continuo y
prácticamente inagotable, p. ej., la hidráulica, la solar o la eólica.” Es decir se trata
de un recurso natural capaz de ser transformado en energía eléctrica sin producir en
él una alteración de su producción o un daño al ecosistema. La utilización de estas
fuentes se remonta a las primeras civilizaciones del hombre. Un claro ejemplo es un
molino de viento, que solo con las corrientes de aire se encarga de moler los granos o
extraer agua de las profundidades del suelo. De igual manera funcionan las
embarcaciones con vela o las construcciones que mantienen su temperatura con el
calor de la radiación solar. El uso de estas energías se vio opacado en la época de la
revolución industrial, pero ahora se vuelve a retomar con el propósito de disminuir
los daños producidos, la que más resalta de todas las fuentes renovables por su
antigüedad y eficiencia, es la solar.
La energía solar, base de la cadena alimenticia para toda clase de organismos
y en cuyo origen gira nuestro mundo; ha estado presente desde mucho antes de la
aparición de la vida en la tierra. Esta es responsable del calor de nuestro ambiente y
de todo el ecosistema que nos rodea. Se compone de la luz y fotones provenientes de
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la combustión solar, lo cual se trata de una cantidad de energía significativamente
alta en relación con otras fuentes. Lo que resalta de ella es que cómo ya sabemos
gracias a la cotidianidad, todos los días llega a nosotros sin importar donde nos
encontremos. Es decir, es constante, inagotable, ecológica y accesible para todos. Por
estas razones es usada para grandes proyectos como los llevados a cabo por la
NASA.
Actualmente con los módulos fotovoltaicos hemos logrado aprovecharla, no
solo por su energía térmica sino por sus características ópticas, aunque es difícil
lograr captar toda su potencia, es un problema que cada vez es menor gracias a los
avances tecnológicos y con el factor de que está presente aun en el espacio, parece
ser la fuente renovable con mayor explotación para las generaciones futuras.
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II.
Incidencia solar
Para poder realizar cualquier tipo de proyecto en donde se use como recurso
energético el sol, es inevitable hablar de la radiación producida por este y de cómo
varia su eficiencia dependiendo de factores tales como localización, tiempo, ángulo
entre otros.
Con respecto a la luz solar en su punto cenit podemos decir que es un
conjunto de ondas electromagnéticas que abarcan todas las frecuencias del espectro
luminoso dándole un tono blanco y cuya longitud de onda varía entre 0.4 [μm] y 0.7
[μm]. El punto cenit es la recta perpendicular formada entre la superficie terrestre y
el sol cuando se encuentra en el centro de la bóveda celeste, o sea al medio día. El
cenit, además es el punto en el que los rayos del sol tienen menor distancia recorrida
para llegar a la superficie y mayor intensidad siendo entonces el momento de mayor
eficiencia para el panel.
Para medir la interferencia y filtración de la radiación luminosa en la
atmosfera tomando como referencia el cenit se usa la masa de aire. La masa de aire
se puede definir como “La distancia que atraviesa la radiación solar en la atmósfera,
expresada como proporción de la masa de aire con radiación vertical a nivel del mar.
En el espacio AM= 0, en la Ecuador al mediodía AM = 1, mientras en latitud 45° al
mediodía AM = 1,5 (valor medio).”1 Por lo tanto podemos establecer que el valor de
la masa de aire según su ángulo de inclinación desde el cenit será dado por la
formula
Masa de aire (M)= 1/ cos(z)
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La masa de aire afectara en la longitud de onda de la luz lo cual le da
explicación al fenómeno de porque al ponerse y salir el sol este tiene una tonalidad
rojiza. Al momento de medir la potencia de un panel se usa una masa de aire de 1.5.
Cuando se habla de radiación de energía solar en un punto especifico estamos
hablando de la magnitud de potencia luminosa sobre un metro cuadrado (kilowatts/
metro2) conocido como irradiancia solar. Cuando se da la irradiancia en un
determinado tiempo se habla de irradiación solar también nombrada como
insolación. Es decir la insolación será la cantidad total de radiación solar que se
recibe en un punto determinado del planeta sobre una superficie de 1m 2, para un
determinado ángulo de inclinación entre la superficie colectora y la horizontal del
lugar”. La energía eléctrica producida por una celda va a ser dependiente de la
insolación a la que se someta. La radiación captada puede ser de otras fuentes,
además de emisión directa por el sol, tales como:
1.
Difusa: Después de ser desviada por algún objeto como las nubes es
recibida por la superficie.
2.
Reflejada: Proviene de superficies u objetos cercanos al lugar que
reflejan la luz hacia este.
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Por lo tanto, para obtener la insolación se debe tener en cuenta la radiación de
estos dos posibles emisores. Para algunos lugares en los cuales se ha registrado la
insolación durante años ya se tienen valores promedio que se usan como estándares
para todos los propósitos.
Para comparación se estableció que la fuente de radiación que se usa para
comprobar la potencia energética de un panel es 1KW/M2 también denominado, Sol.
Con base en este valor se obtiene el promedio de número de horas solares de una
ubicación que será dado a través de la operación: (Insolación/ irradiancia de un sol)
= horas día promedio solar.
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III.
La celda y el efecto fotovoltaico
Si se quieren diseñar sistemas eléctricos que saquen su fuente de energía de la
radiación solar se necesita, un dispositivo que logre transformar la luz en electricidad
y se denomina celda fotovoltaica. La celda o célula está compuesta principalmente
por un material semiconductor, como el selenio, que se encarga de recibir los
fotones (partículas de energía) de la luz solar produciendo una liberación de
electrones que formaran una corriente eléctrica.
(2)
El material semiconductor deberá estar dividido en dos partes separadas por
un aislador las cuales llamaremos tipo N y tipo P. Ambos materiales van a estar
compuestos principalmente por el mismo elemento pero van a variar en el otro
elemento que acompañe al semiconductor. En el caso del silicio el cual tiene 4
electrones de valencia usualmente se mezcla con fosforo para tipo N (negativo) y con
boro para tipo P (positivo) resultando en:
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solo
Tipo N
Tipo P


Se le añade fosforo el cual
una valencia de 3 dejando un
electrón libre.

Por exceso de electrones se
acumula una carga negativa
Se le añade boro el cual
tiene valencia 5 dejando un vacío para
un electrón más.

Por falta de electrones se
produce una carga positiva
Podemos deducir que al haber dos cargas opuestas estas se anularan entre si
para formar un equilibrio. En el momento en el que los fotones de la radiación
inciden, van a liberar electrones del silicio quebrando este equilibrio y evitando que
se vuelva a formar gracias al aislador en medio de los dos. Los electrones sobrantes
del material tipo N se irán a un extremo de la célula dejando en el extremo del
aislador un déficit de ellos como se muestra en la figura 2. Mientras tanto en el otro
lado de la celda los electrones se acumularan junto al aislador y la carga positiva ira
hacia la parte contraria formando lo que conocemos como un campo eléctrico.
Si conectamos dos cables, uno de cada extremo y los juntamos se anularan las
cargas debido a la atracción magnética que produce el movimiento de electrones de
su posición original a otro punto, si lo conectamos a un voltímetro verificaremos esta
transferencia de carga medida en voltios. Por lo tanto se establece que el voltaje será
el trabajo hecho sobre una partícula cargada para anular su polaridad. Para paneles de
silicio el voltaje formado oscila alrededor de los 0.5 voltios. El otro componente que
se tiene en cuenta es la corriente eléctrica, esta será dada por la cantidad de carga que
se transfiere en una unidad de tiempo, se mide en amperios (culombios/segundo).
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La diferencia potencial eléctrica (voltaje) por la corriente eléctrica (amperaje)
nos da la potencia eléctrica de salida (vatiaje), es decir el trabajo hecho para mover
un número de electrones de su posición original a un estado de equilibrio en un
tiempo determinado nos dará la energía del sistema.
Tipos de celdas
Debido a cuestiones económicas y a la abundancia de materiales en el
ambiente se han diseñado diferentes tipos de paneles los cuales son:
tipo de celda
características
mono cristalinas

De alto costo debido a su
complejo proceso de fabricación

Eficiencia entre 15 % y

Estructura
18%
atómica
muy
ordenada gracias a su homogeneidad

poli cristalinas
De
costo
medio,
solo
requiere un proceso de fundición del
material semiconductor

Eficiencia entre 12% y

Estructura
15%
atómica
con
menor orden, más heterogéneo
Amorfas

De bajo costo, consiste
15
simplemente en una capa no cristalina
de material semiconductor.

Eficiencia menor a 10%

Estructura
atómica
desordenada.
Para determinar la eficiencia de una celda se ha dado la ecuación:
(Energía generada/energía incidente) x 100 = eficiencia de conversión (ƞ)
Por lo tanto podemos decir que por cada kilowatt recibido una célula mono
cristalina producirá un promedio de 170 watts. Aun así se han conseguido en
procesos de experimentación porcentajes de eficiencia hasta de un 25%, pero esto
solo responde a una sección específica del espectro luminoso. Para que esta
eficiencia se mantenga, una vez fabricadas las celdas, se les suele superponer una
delgada capa de material anti reflejante que evita que la energía reflejada por el
material semiconductor sea mucha.
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IV.
El panel fotovoltaico
El panel fotovoltaico es un elemento que transforma la energía solar en
corriente eléctrica. Se estructura de celdas organizadas de manera que se produzca un
flujo de electrones aprovechable, lo que se consigue con un voltaje igual o mayor al
del sistema en el que se quiere inyectar. En caso de ser mayor se debe tener cuidado
con el amperaje ya que puede llegar a sobrecargar el sistema.
Como las celdas individualmente proporcionan una baja tensión, se conectan
en serie – polo negativo con positivo y positivo con negativo—de esta manera el
voltaje aumenta y se mantiene la corriente igual.
Características optimas de un panel:

En la actualidad casi todas las celdas producidas tienen una forma
geométrica cuadrada o rectangular. Por lo tanto los paneles también son diseñados de
manera cuadriculada para emplear el mayor número de celdas en el menor espacio
posible.

Aunque puede variar dependiendo del fabricante, usualmente los paneles
tienen 2 capas alrededor de las celdas. Una de ellas es de vidrio o cualquier otro
material transparente resistente al calor, agua y otros factores del ambiente; que se
coloca del lado negativo de la celda, es decir del lado que recibe la luz solar. Así
podremos asegurarnos que aún en su fragilidad, las celdas no se verán afectadas por
factores externos a su sistema. La otra capa debe estar fabricada de algún material
aislante que sirva como base fija para el conjunto.

La inclusión de una estructura rígida, comúnmente de aluminio -para
evitar la oxidación- que se encarga de darle rigidez a la estructura y facilitar no solo
su transporte sino además su instalación.
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
La incorporación de una caja usualmente de plástico resistente al
ambiente en donde se manejan los contactos eléctricos para la salida de la corriente
del panel. Se recomienda que estos contactos estén conectados a un diodo para evitar
la retroalimentación de energía.
Una vez elaborado con las previas recomendaciones, el panel debería estar
listo, sin embargo se necesita determinar si el vatiaje que nos proporciona es el
correcto; para definir esto se debe probar la producción de energía en relación con la
luz recibida, es decir, su eficiencia. Los resultados pueden variar dependiendo de
factores externos al sistema, como la temperatura ambiente.
Si tenemos una potencia y orientación luminosa constantes en un panel su
corriente va a variar dependiendo en la diferencia de potencial eléctrico y la
temperatura del sistema, de manera similar a como se ve en el siguiente gráfico:
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(3)
Los puntos marcados y atravesados por una semirrecta roja son aquellos en
los cuales la potencia eléctrica es mayor. Se puede apreciar que la caída en la
magnitud de la corriente se da en una mayor tensión a temperaturas más bajas.
Lograr esta eficiencia es difícil ya que no es de olvidar que las celdas al no poder
convertir toda la potencia luminosa en energía eléctrica producen calor.
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II.
Funcionamiento práctico y construcción de un panel
solar
I.
Construcción rustica de un módulo solar
Para la construcción del módulo solar se usaron los siguientes materiales:
 40 celdas fotovoltaicas*
 31m de tab wire
 2m de bus wire
 Plumón flux
 Diodo
 Pistola de silicona
 Silicona para vidrios
 1 vidrio de 2x0.7m
 Soldadura de 60-40 estaño
 Cautín eléctrico de 45w
 5m Cable AWG calibre 16
 Pasta para soldar
 Multímetro básico
 Destornillador de pala

Cada celda se conforma de un
material policristalino a base de
silicio, de forma cuadricular con lados
de 15,5cm y con magnitudes de: V=
4.5v, A= 0.8a.
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Para la construcción del módulo solar se
realizaron los siguientes pasos:

Debido a la delicadeza de las celdas
y a la experimentación que se tuvo
con ellas el panel resultante está
conformado por 32 y no 36 células
como idealmente debería ser.
1. Soldar 32cm (el doble de la medida
de la célula) de tab wire a la parte
negativa de cada celda, siguiendo la orientación
dada por las uniones de metal.
2. Soldar el tab wire sobrante de cada celda al lado
positivo de la siguiente, agrupándolas en 4
columnas de 8 celdas cada una.
3. Acomodar sobre la base de vidrio las cuatro
columnas, de manera que queden orientadas con
conexiones opuestas a los extremos laterales de
cada una.
4. Pegar con silicona, las columnas a la base, sin
perder el orden antes mencionado.
5. Soldar en serie con el bus wire las 4 columnas.
6. Soldar el cable AWG a los polos resultantes, se
debe usar suficiente soldadura para asegurarse
que la conexión no se romperá.
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II.
Resultados de pruebas
Basados en datos de la NASA se hicieron mediciones el día 6 de abril en las
coordenadas: 10° 25’ N, 75°31’. En esta ubicación el día solar promedio durante el mes
de abril es de: 6.6 Kw/m2.
Masa de aire= 1
Hora= 1:04Pm
Angulo de inclinación = 0°
Voltaje= 18.3v
Amperaje= 7a
Vatiaje= 128.1w
Temperatura= 36°c
Masa de aire= 1.5
Hora= 3:49Pm
Angulo de inclinación = 0°
Voltaje= 18.2v
Amperaje= 5.5a
Vatiaje= 100.1w
Temperatura= 38°c
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23
Bibliografía
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24
Citas
1.
Tomado de http://glosarios.servidor-alicante.com/energia-fotovoltaica/masa-deaire
Imágenes
1.
Tomada de: http://atenea.pntic.mec.es/antares/modulo2/m2_u106.html
2.
Tomada de:
http://www.ujaen.es/investiga/solar/07cursosolar/home_main_frame/03_celula/0
1_basico/3_celula_03.htm
3.
tomada de: http://www.monografias.com/trabajos82/energia-solar-fotovoltaicay-sus-aplicaciones/image045.png