Central Fotovoltaica
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UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA
SEDE VIÑA DEL MAR - JOSÉ MIGUEL CARRERA
ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
Procesos Industriales II
Profesor. Ing. Manuel Saavedra
Alumno:
Pedro Jofré M.
2014
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INTRODUCCIÓN
La energ! "#$!r es una fuente de energía de origen renovable, obtenida a partir
del aprovecamiento de la radiaci!n electromagnética procedente del Sol.
La radiaci!n solar "ue alcan#a la $ierra a sido aprovecada por el ser umano
desde la Antig%edad, mediante diferentes tecnologías "ue an ido evolucionando con el
tiempo desde su concepci!n. &n la actualidad, el calor ' la lu# del Sol puede
aprovecarse por medio de captadores como células fotovoltaicas, eli!statos o
colectores térmicos, "ue pueden transformarla en energía eléctrica o térmica. &s una de
las llamadas energías renovables o energías limpias, "ue pueden a'udar a resolver
algunos de los problemas m(s urgentes "ue afronta la umanidad
Las diferentes tecnologías solares se clasifican en pasivas o activas seg)n c!mo
capturan, convierten ' distribu'en la energía solar. Las tecnologías activas inclu'en el
uso de paneles fotovoltaicos ' colectores térmicos para recolectar la energía. &ntre las
técnicas pasivas, se encuentran diferentes técnicas enmarcadas en la ar"uitectura
bioclim(tica: la orientaci!n de los edificios al Sol, la selecci!n de materiales con una
masa térmica favorable o "ue tengan propiedades para la dispersi!n de lu#, así como el
dise*o de espacios mediante ventilaci!n natural.
La fuente de energía solar m(s desarrollada en la actualidad es la energía solar
fotovoltaica. Seg)n informes de la organi#aci!n ecologista +reenpace, la energía solar
fotovoltaica podría suministrar electricidad a dos tercios de la poblaci!n mundial en
--.
Actualmente, ' gracias a los avances tecnol!gicos, la sofisticaci!n ' la economía
de escala, el coste de la energía solar fotovoltaica se a reducido de forma constantedesde "ue se fabricaron las primeras células solares comerciales, aumentando a su ve# la
eficiencia, ' su coste medio de generaci!n eléctrica 'a es competitivo con las fuentes de
energía convencionales en un creciente n)mero de regiones geogr(ficas, alcan#ando la
paridad de red.
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1%- ENERGÍA SOLAR
&l Sol es una esfera gaseosa formada, fundamentalmente, por elio, idr!geno
' carbono. Su masa es -.--- veces la masa de la $ierra ' se estima "ue su edad es de
unos /.--- millones de a*os.
&l Sol se comporta como un reactor nuclear "ue transforma la energía nuclear
en energía de radiaci!n, energía "ue llega a la $ierra. Sin embargo, no toda la energía
"ue se produce en el Sol llega a la superficie terrestre. Al atravesar la atm!sfera, la
radiaci!n pierde intensidad a causa de la absorci!n, la difusi!n ' la refle0i!n por acci!n
de: gases, vapor de agua ' partículas en suspensi!n de la atm!sfera.
Así, la radiaci!n "ue la tierra recibe del Sol se puede dividir en:
Radiación directa: es la "ue atraviesa la atm!sfera sin sufrir ning)n cambio en su
direcci!n.
Radiación dispersa o difusa: es la "ue recibimos después de los fen!menos de refle0i!n
' difusi!n.
Podríamos decir "ue a la $ierra llega una gran cantidad de energía solar en
forma de radiaciones. Por eso, la energía solar es un recurso energético importante a
tener en cuenta.
2%- ENERGÍA FOTOVOTAICA
&l término fotovoltaico proviene del un termino griego "ue significa 1lu#2 '
voltaico, ' este a su ve# del campo de la electricidad, en onor al físico italiano
Ale3andro 4olta. &l término fotovoltaico se comen#! a usar en Inglaterra desde el a*o
5678.
&l efecto fotovoltaico fue reconocido por primera ve# en 568 por el físico
francés 9ec"uerel, pero la primera célula solar no se constru'! asta 566. Su autor fue
arles ;ritts, "uien recubri! una muestra de selenio semiconductor con un pan de oro
para formar el empalme. &ste primitivo dispositivo presentaba una eficiencia de s!lo un
5<. =ussell >l patent! la célula solar moderna en el a*o 587/, aun"ue Sven Ason
9erglund abía patentado, con anterioridad, un método "ue trataba de incrementar la
capacidad de las células fotosensibles.
La era moderna de la tecnología de potencia solar no lleg! asta el a*o 58?7
cuando los Laboratorios 9ell, descubrieron, de manera accidental, "ue los
semiconductores de silicio dopado con ciertas impure#as, eran mu' sensibles a la lu#.
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&stos avances contribu'eron a la fabricaci!n de la primera célula solar
comercial con una conversi!n de la energía solar de apro0imadamente, el /< de
rendimiento.
&n 58@- la primera célula solar con eteroestructura de arseniuro de galio
altamente eficiente se desarroll! en la e0tinta ni!n Soviética por Bore Alferov ' su
e"uipo de investigaci!n.
La producci!n de e"uipos de deposici!n "uímica de metales por vapores
org(nicos, no se desarroll! asta los a*os 6- del siglo pasado, limitando la capacidad de
las compa*ías en la manufactura de células solares de arseniuro de galio.
La primera compa*ía "ue manufactur! paneles solares en cantidades
industriales, a partir de uniones simples de arseniuro de galio, con una eficiencia de Air
Mass Bero del 5@< fue la norteamericana Applied Solar &nerg' orporation.
&l dopa3e accidental de germanio con arseniuro de galio como capa
amortiguadora cre! circuitos de volta3e abiertos, demostrando el potencial del uso de los
sustratos de germanio como otras celdas. na celda de uniones simples de arseniuro de
galio lleg! al 58< de eficiencia en 588.
&stas celdas no usan el germanio como segunda celda, pero usan una celda
basada en arseniuro de galio con diferentes tipos de dopa3e. Ce manera e0cepcional, las
células de doble uni!n de arseniuro de galio pueden llegar a producir eficiencias del
<. Las uniones triples comien#an con eficiencias del orden del 7< en el ---, /<
en el --, 6< en el --?, ' an llegado, de manera corriente al -< en el --@. &n
--@, dos compa*ías norteamericanas &mcore Potovoltaics ' Spectrolab, producen el
8?< de las células solares del 6< de eficiencia.
2%1%- &RINCI&IOS ' FUNCIONAMIENTO DE UNA CÉLULA FOTOVOLTAICA
La fuente de energía "ue produce electricidad de origen renovable, obtenida
directamente a partir de la radiaci!n solar mediante un dispositivo semiconductor
denominado célula fotovoltaica, o bien mediante una deposici!n de metales sobre un
sustrato denominada célula solar de película fina.
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Los fotones, "ue provienen de la radiaci!n solar, impactan sobre la primera
superficie del panel, penetrando en este ' siendo absorbidos por materiales
semiconductores, tales como el silicio o el arseniuro de galio.
Los electrones, subDpartículas at!micas "ue forman parte del e0terior de los
(tomos, ' "ue se alo3an en orbitales de energía cuanti#ada, son golpeados por los fotones
EinteraccionanF liber(ndose de los (tomos a los "ue estaban originalmente confinados.
&sto les permite, posteriormente, circular a través del material ' producir
electricidad. Las cargas positivas complementarias "ue se crean en los (tomos "ue
pierden los electrones, se denominan uecos ' flu'en en el sentido opuesto al de loselectrones, en el panel solar.
Se puede decir "ue, así como el flu3o de electrones corresponde a cargas reales,
es decir, cargas "ue est(n asociadas a despla#amiento real de masa los uecos, en
realidad, son cargas "ue se pueden considerar virtuales puesto "ue no implican
despla#amiento de masa real.
n con3unto de paneles solares transforman la energía solar en una determinada
cantidad de corriente continua, los electrones se mueven de los potenciales m(s ba3os a
los m(s altos.
ada célula fotovoltaica est( compuesta de, al menos, dos delgadas l(minas de
silicio. na dopada de elementos con menos electrones de valencia "ue el silicio,
denominada P ' otra de elementos con m(s electrones "ue los (tomos de silicio,
denominada G. Ambas est(n separadas por un semiconductor.
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;igura 5D5. Acci!n del Sol en células fotovoltaicas
A"uellos fotones procedentes de la fuente luminosa, "ue presentan energía
adecuada, inciden sobre la superficie de la capa P, ' al interaccionar con el material
liberan electrones de los (tomos de silicio los cuales, en movimiento, atraviesan la capa
de semiconductor, pero no pueden volver. La capa G ad"uiere una diferencia de
potencial respecto a la P. Si se conectan unos conductores eléctricos a ambas capas '
estos, a su ve#, se unen a un dispositivo o elemento eléctrico consumidor de energía "ue,
usualmente ' de forma genérica se denomina carga, se iniciar( una corriente eléctricacontinua.
&ste tipo de paneles producen electricidad en corriente continua ' aun"ue su
efectividad depende tanto de su orientaci!n acia el sol como de su inclinaci!n con
respecto a la ori#ontal, se suelen montar instalaciones de paneles con orientaci!n e
inclinaci!n fi3a, por aorros en mantenimiento. $anto la inclinaci!n como la orientaci!n,
se fi3a dependiendo de la latitud ' tratando de optimi#arla al m(0imo.
2%2% SISTEMA FOTOVOLTAICO
n sistema fotovoltaico es el con3unto de dispositivos cu'a funci!n es
transformar la energía solar directamente en energía eléctrica, acondicionando esta
)ltima a los re"uerimientos de una aplicaci!n determinada. onsta principalmente de los
siguientes elementos:
• Subsistema de captaci!n, transforma la radiaci!n solar en electricidad.
• Subsistema de almacenamiento, almacena la energía.
• Subsistema de regulaci!n, regula la entrada de energía procedente del
campo de captaci!n.
• Subsistema de adaptaci!n de corriente, adecua las características de la
energía a las demandas por aplicaciones.
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;igura 5D. Sistema fotovoltaico
2%(%- A&LICACIONES DE LA ENERGIA SOLAR
&ste tipo de energía se usa para alimentar innumerables aplicaciones ' aparatos
aut!nomos, para abastecer refugios o viviendas aisladas de la red eléctrica ' para
producir electricidad a gran escala a través de redes de distribuci!n. Cebido a la
creciente demanda de energías renovables, la fabricaci!n de células solares e
instalaciones fotovoltaicas a avan#ado considerablemente en los )ltimos a*os. &ntre los
a*os --5 ' -57 se a producido un crecimiento e0ponencial de la producci!n de
energía fotovoltaica, dobl(ndose apro0imadamente cada dos a*os. La potencia total
fotovoltaica instalada en el mundo Econectada a redF ascendía a @,/ +H en --@, 5/ +H
en --6, +H en --8, 7- +H en -5-, @- +H en -55 ' 5-- +H en -5. A finales
de -5, se abían instalado en todo el mundo cerca de 57- +H de potencia
fotovoltaica.
+racias a ello la energía solar fotovoltaica se a convertido en la tercera fuente
de energía renovable m(s importante en términos de capacidad instalada a nivel global,
después de las energías idroeléctrica ' e!lica, ' supone 'a una fracci!n significativa del
mi0 eléctrico en la ni!n &uropea, cubriendo de media el < de la demanda de
electricidad ' alcan#ando el /< en los períodos de ma'or producci!n.
&n algunos países, como Alemania, Italia o &spa*a, alcan#a m(0imos
superiores al 5-<, al igual "ue en algunos estados soleados de &stados nidos,
como alifornia. La producci!n anual de energía eléctrica generada por la fotovoltaica a
nivel mundial e"uivalía en -57 a cerca de 5/- teravatiosDora E$HF, suficiente para
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abastecer las necesidades energéticas de m(s de - millones de ogares, cubriendo un
-,6?< de la demanda mundial de electricidad.
2%(%1%- A)$*+!+*#ne" !+,!$e" .e $! energ! "#$!r
Las Aplicaciones de la &nergía Solar son )tiles ' confiables. Las posibles
aplicaciones de la energía fotovoltaica son numerosas, a"uí mencionaremos s!lo algunas
de las m(s importantes:
• entrales conectadas a red con subvenci!n a la producci!n en algunos
países.• &staciones repetidoras de microondas ' de radio.
• &lectrificaci!n rural.
• Instalaciones médicas en (reas rurales.
• Sistemas de comunicaciones de emergencia.
• Sistemas de vigilancia de datos ambientales ' de calidad del agua.
• ;aros, bo'as ' bali#as de navegaci!n marítima.
• 9ombeo para sistemas de riego, agua potable en (reas rurales '
abrevaderos para el ganado.
• 9ali#amiento para protecci!n aeron(utica.
• Sistemas de protecci!n cat!dica.
• Sistemas de desalini#aci!n.
• 4eículos de recreo.
• Se*ali#aci!n ferroviaria.
• Sistemas para cargar los acumuladores de barcos.
• ;uente de energía para naves espaciales.
• Postes S>S E$eléfonos de emergencia de carreteraF.
• Par"uímetros.
2%4% VENTAJAS ' DESVENTAJAS DEL USO DE LA ENERGÍA SOLAR
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2%4%1%- Ven,!/!"
na energía garanti#ada para los pr!0imos /.--- millones de a*os, el Sol,
fuente de vida ' origen de las dem(s formas de energía "ue el ombre a utili#ado desde
los albores de la istoria, puede satisfacer todas nuestras necesidades, si se aprende a
c!mo aprovecar de forma racional la lu# "ue continuamente derrama sobre el planeta.
a brillado en el cielo desde ace unos cinco mil millones de a*os, ' se calcula "ue
todavía no a llegado ni a la mitad de su e0istencia.
• Curante el presente a*o, el Sol arro3ar( sobre la $ierra cuatro mil veces
m(s energía "ue la "ue vamos a consumir en todo el planeta.• ile ' todo América central ' América del sur por cada metro
cuadrado de superficie el sol aporta 5.?-- H Dora de energía, cifra
similar a las de mucas regiones de &uropa. &sta energía puede
aprovecarse directamente, o bien ser convertida en otras formas )tiles
como, por e3emplo, en electricidad.
• Sería irracional no intentar aprovecar, por todos los medios
técnicamente posibles, esta fuente energética gratuita, limpia e
inagotable, "ue puede liberarnos definitivamente de la dependencia del
petr!leo o de otras alternativas poco seguras, contaminantes o,
simplemente, agotables.
• &s preciso, no obstante, se*alar "ue e0isten algunos problemas "ue se
deben afrontar ' superar. Aparte de las dificultades "ue una política
energética solar avan#ada conllevaría por sí misma, a' "ue tener en
cuenta "ue esta energía est( sometida a continuas fluctuaciones ' a
variaciones m(s o menos bruscas. Así, por e3emplo, la radiaci!n solar es
menor en invierno, precisamente cuando m(s se suele necesitar.
• &s de vital importancia proseguir con el desarrollo de la incipiente
tecnología de captaci!n, acumulaci!n ' distribuci!n de la energía solar,
para conseguir las condiciones "ue la agan definitivamente
competitiva, a escala planetaria.
2%4%2%- ene*+*#" e+#n3*+#"
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&l beneficio econ!mico es a largo pla#o. n e3emplo, la puesta en marca de
este sistema fotovoltaico con luminarias L&C, "ue posee costos elevados pero, al ser
alimentado por energía solar la inversi!n se recupera en alrededor de a*os, sumado
"ue la durabilidad de un panel solar es de apro0imadamente ? a*os mínimo con una
pe"ue*a mantenci!n.
• Aorro econ!mico en la factura de electricidad ' agua.
• ;le0ibilidad en el suministro.
• Aumento de las inversiones econ!micas ', por e0tensi!n, del empleo.
• ;omenta el desarrollo de la Investigaci!n, el Cesarrollo ' la Innovaci!n
mediante me3oras en los sistemas actuales, desarrollo de nuevos
modelos.
• Su implantaci!n ofrece importantes deducciones fiscales.
• Menor dependencia energética de otras fuentes de energía.
• on las a'udas de algunas entidades ' administraciones p)blicas se
puede conseguir asta el ?-< de la inversi!n.
• 9eneficios medioambientales
• Cisminuci!n de las emisiones de >. Por cada - K. de electricidad
producidos a partir de energía solar se de3an de emitir unos 5- g. de
> al a*o, en ? a*os se evitan ?- g. de >.
• =educci!n de la contaminaci!n atmosférica, del efecto invernadero
producido por las emisiones de > ' del cambio clim(tico provocado
por el efecto invernadero.
• Go disminu'e la calidad de aire ' suelos, contribu'e desarrollo
sostenible, no contamina ac)sticamente: las placas solares son
silenciosas ' de amplia vida )til Eentre - ' - a*osF.
2%4%(%- De"en,!/!"
• &l costo econ!mico elevado de los paneles solares ' los sistemas de
control para el funcionamiento.
• Poca motivaci!n de las autoridades para entregar subsidios para
promover el uso de paneles solares.
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(%- IM&ACTO MEDIO AMIENTAL
La relaci!n entre energía ' medio ambiente es innegable. Para reducir el da*o al
medio ambiental debemos reconocer "ue el cuidado esta directamente relacionado ' es
responsable la umanidad por completo. Por ello se deben encontrar alternativas viables,
opciones energéticas "ue permitan minimi#ar el impacto sobre el medio ambiente, '
precisamente una de las energías renovables m(s sustentables es la energía solar o
fotovoltaica.
4%- &RO'ECTOS DE &LANTAS FOTOVOLTAICAS EN C5ILE
4%1%- C#)*!) $! 3!6#r )$!n,! .e energ! "#$!r #,##$,!*+! .e A37r*+! L!,*n!
&n el sector Llano de Llampos, en opiap!, se inaugura E3unio ?, -57F la
planta 1Amanecer Solar ap2, la ma'or central "#$!r #,##$,!*+! de Latinoamérica '
una de las m(s grandes del mundo.
&ste pro'ecto responde a la estrategia del +obierno de diversificaci!n de la
matri# energética, donde tendr( un lugar central la incorporaci!n de &nergías
=enovables Go onvencionales en el sistema energético nacional.
&l pro'ecto fue desarrollado por un acuerdo de compra de energía EPPAF con la
compa*ía minera ' de acero +rupo AP. &l comple3o cuenta con m(s de 5-.---
m!dulos solares fotovoltaicos ' su capacidad total instalada es de 5--MH, e"uivalente
al consumo anual de 5?.--- ogares en ile. =epresenta el 5-< de la meta de 5.---
MH de capacidad instalada adicional de generaci!n &=G fi3ada por el +obierno de
ile para -57.
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4%2%- &!r8e" F#,##$,!*+#"
&!r8e F#,##$,!*+# M!r! E$en!, de la empresa +eneraci!n Solar S.p.A., se
instalar( en María &lena ' producir( @5, MHp Ede potencia nominalF "ue ser(n
in'ectados al Sistema Interconectado del Gorte +rande ESIG+F. La inversi!n
alcan#ar( los SC5@5 millones
&$!n,! F#,##$,!*+! C!$!3! Sr, de la empresa &lement PoKer ile, se
instalar( en la ciudad de alama ' generar( - MH "ue se in'ectaran en el
SIG+. La inversi!n es de SC 5-? millones.
&r#6e+,# F#,##$,!*+# &!+**+, de la empresa Inti Pacific Spa, se construir( en
María &lena ' su generaci!n alcan#ar( los ?7 MHn. La inversi!n es de
SC5-6 mil.
&r#6e+,# F#,##$,!*+# V!$$e .e$ S#$, de la empresa &nel Latin América EileF,
se instalar( en María &lena ' tendr( una potencia de 57 MH ' unos - +H.
La inversi!n total ser( de SC - millones.
&r#6e+,# F#,##$,!*+# S#$ L*$!, de la empresa &nel Latin América EileF, se
instalar( en Antofagasta ' tendr( una potencia de 5MH ' generar( al a*o
88+H. La inversi!n alcan#ar( los SC6? millones.
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CONCLUSIONES
na profunda in"uietud "ue nos de3a el mirar el futuro sobre la suerte del
mundo desde la perspectiva energética, es por una parte, el alto consumo de
combustibles f!siles, los "ue permiten da*os para el medio ambiente a través de
emisiones de > en la producci!n de energía eléctrica, representando el 6- < "ue se
genera en el mundo entero. &n un mundo donde todo funciona gracias a la energía
eléctrica, es inevitable suponer "ue pasaría si el combustible f!sil se agotara, o si por el
uso indiscriminado de éste, el planeta donde vivimos sufre da*os irreversibles para la
vida de todos los seres umanos. Ante todo esto la necesidad de prescindir de esta
energía eléctrica tradicional, disminu'! la breca al uso de energías "ue sean naturales 'adem(s "ue su obtenci!n sea totalmente independiente de los combustibles f!siles.
L*3*,!+*#ne" .e $#" )!r8e" #,##$,!*+#"
Las tecnologías disponibles se an de optimi#ar para "ue la eficiencia de las
células fotovoltaicas pueda me3orar asta llegar a cifras del orden del 19-20:%
&spa*a es un país pionero en desarrollo de esta tecnología ' se facilitan a'udas
econ!micas a este tipo de producci!n eléctrica.
I3)!+,# "#;re e$ 3e.*# !3;*en,e .e $!" +en,r!$e" "#$!re"
Cesde el punto de vista medio ambiental, la producci!n de electricidad a partir
de este tipo de sistemas tiene grandes venta3as:
D Go genera ning)n tipo de emisiones atmosféricas.
D Go produce fluentes lí"uidos.
D &vita el uso de combustibles f!siles.
abe mencionar también "ue una ve# an terminado su vida )til, las placas
fotovoltaicas de3an residuos "ue deben ser tratados específicamente.
+racias a los avances tecnol!gicos, la sofisticaci!n ' la economía de escala, el
coste de la energía solar fotovoltaica se a reducido de forma constante desde "ue se
fabricaron las primeras células solares comerciales, aumentando a su ve# la eficiencia, '
logrando "ue su coste medio de generaci!n eléctrica sea 'a competitivo con las fuentes
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de energía convencionales en un creciente n)mero de regiones geogr(ficas, alcan#ando
la paridad de red.