Celdas Solares o Fotovoltaicas - ISMuL

Celdas Solares o Fotovoltaicas
Capturando energía de la luz
Dr. Guillermo Nery
UPRA: ISMuL
Octubre de 2012
Objetivos
•
•
•
•
•
Definir celda solar
Definir energía (cinética y potencial) (no es fza.)
Trabajo para dar y quitar/almacenar energía
Definir corriente y voltaje (no es fza.)
Celda solar de Si vs celda química: medir
voltaje(con/sin luz), conectar en serie y en
paralelo (con/sin luz), efectos
• Costos
Objetivos
• Cómo funciona la de Si,
• Una nueva opción: tinte orgánico y
nanomateriales
• Nanomaterial; tinte orgánico
• Cómo funciona
• Hacer la de tinte orgánico, probarla
• Celda de Cu (INTERNET, sólo hacer una y
probar las demás)
Celdas solares
• Una celda solar es un artefacto que absorbe luz y
transforma su energía a energía en forma de corriente
eléctrica. Varias celdas solares, interconectadas, hacen
una batería solar o panel solar.
Energía es...
• La habilidad para hacer trabajo.
• Pero también se puede ver de otro modo:
Es una medida del nivel de actividad de la
materia.
Energía es...
• Donde hay energía hay actividad de la
materia, o al menos el potencial para que
haya actividad.
Definición operacional de la energía de un
objeto
• La energía (E) de un objeto es
E = 1/2mv2
donde m es su masa y v es su velocidad.
Vemos que con eso:
o La energía es mayor a mayor rapidez del objeto
o La energía es mayor a mayor cantidad de masa del
objeto
o El signo (la dirección) no afecta.
Definición operacional de la energía de un
objeto
• La energía (E) de un objeto es
E = 1/2mv2
donde m es su masa y v es su velocidad.
Al medir energía:
o Kg*m2/s2 = Julio
o 1 Caloría = 1000 calorías = 4,186.8 Julios
o El cuerpo de una persona de 150 libras caminando a
un paso tranquilo y fijo o estable (1m/s) tiene 68
Julios (fijo, no siendo perdido ni gastado).
Energía es...
(electrones~ondas)2
Nanoscópica (termal)
macroscópica
Trabajo para transferir energía
Se hace trabajo para dar y quitar energía. Cuando
se hace trabajo, la energía que uno gana, el otro
pierde.
Energía = Fuerza
• La energía no es una fuerza. La energía es sólo
una medida del nivel de actividad de la
materia.
• Las fuerzas son lo que sientes en el momento en
que estás siendo halado o empujado por otro
objeto (cuando los dos interactúan).
• Las fuerzas son (en parte) lo que cada objeto
percibe del flujo de energía entre los dos
objetos cuando se están haciendo trabajo
mutuamente y se están transfierendo energía.
Trabajo para almacenar energía
Fuerzas como la gravitatoria y la
eléctrica pueden quitar energía
cuando un objeto que es atraído
se aleja del que lo atrae, y
devolverla cuando vuelve a
acercarse.
Corriente eléctrica: Una dirección y dos sentidos
dirección
sentido +
sentido -
Corriente eléctrica
• Una corriente eléctrica ocurre
cuando materia con carga
eléctrica y que es movible o
está suelta (electrones,
huecos, positrones, iones) se
mueve en una dirección
debido a fuerzas eléctricas en
su ambiente.
• Las fuerzas son de atracción
entre cargas distintas y
repulsión entre cargas iguales.
Corriente eléctrica: Amperes
• La corriente o flujo de agua se describe
indicando cuántos litros de agua pasan por un
río o una tubería por cada segundo que pase.
• 5 litros/segundo
• La corriente o flujo eléctrico se describe
indicando cuántos Coulombios de carga
eléctrica pasan por un cable metálico o una
solución salina por cada segundo que pase.
• 5 Coulombios/segundo = 5 Amperes
Voltaje
• Una celda de 1.5 Voltios tiene
1.5 Julios de energía
almacenada para cada
Coulombio (C) de carga que
vaya de su extremo – al + (o
vice versa). Si un total de 4 C
de carga logran ese viaje, se
les dará un total de 6 J. La
energía se almacena en la
celda gracias a fuerzas
eléctricas. Una vez liberada
(entregada), se usa para
hacer trabajo, o calentar.
Voltaje = Fuerza eléctrica
• El voltaje no es una fuerza. El voltaje es sólo la
cantidad de energía potencial disponible para
cada Coulombio de carga que pase entre los
dos electrodos, + y -.
• Unidad: Voltio = Julio/Coulombio
• La energía se almacena gracias a que hay
fuerzas eléctricas, pero no es lo mismo.
• Voltaje tampoco es energía potencial (o sea,
almacenada). No es el total de energía
almacenada. Es la que hay almacenada para
cada Coulombio de carga.
Medir voltaje y corriente:
celda química en serie y en paralelo
versus
celda solar en serie y en paralelo, con
luz versus sin luz
Costos de energía
•
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•
•
1 kilovatio*hora = 1 kWh = 3,600,000 J
1 Caloría ~ 1/1,000 kWh
Por vivir quieto: gastas ~1 kWh en 10 horas
AEE (principalmente quema de combustibles
variados, 2012: Bunker C (No 6) y Diesel (No 2)
$ 0.20/kWh
• De planta generadora, incluyendo construcción,
uso, y desmantelamiento (nuclear) 2010:
hidro $ 0.03/kWh, Nuclear $ 0.04/kWh,
carbón $ 0.04/kWh, viento $ 0.08/kWh,
gas natural $ 0.10/kWh, solar $ 0.20/kWh
• ~$2 corriente 0.5A voltaje 0.55V potencia 0.28W
Costos al ambiente
• “Carbon footprint” La cantidad de CO2 o su
equivalente -para el efecto invernadero- que se
libera para producir el equipo y la planta o instalación,
durante cualquier transporte relacionado, durante el
funcionamiento, y para la desmantelación.
• Ni-Cd celda química recargable AA 3MJ/celda, 0.2
kg/celda CO2e 240g CO2e/kwh 500-800 ciclos de recarga
• 35-38g CO2e / kWh celda solar con 5% efficiencia
(ahora 20%) (25-80 biomasa, 3-10 hydro, 5-15 viento)
pero NF3 usado para fabricar celdas solares, si se
escapa, es 17000x potente comparado con el CO2
• 20 – 55g CO2e / kWh celdas solares a nivel del sur de
Europa (irradiación) y si duran 30 años (2008)
• 450 g CO2e / kWh gas natural
• 850 g CO2e / kWh carbón
Problemas con celdas solares
• Daños al ambiente: excavación, purificación,
derretir y crecer cristales de Si con pocas y
controladas impurezas (procesamiento con
materiales altamente tóxicos), desecho
• La noche:
– Baterías recargables (no recargables: 500x peor)
– AEE
• Algo de variación según la hora del día
(posición del Sol) y estado del tiempo; más
según la latitud
• Tormentas y robo o vandalismo
Problemas para el petróleo y otros
• Aparte del efecto
invernadero, el
petróleo se va a
acabar.
• Otros no pueden
suplir la demanda.
• Energía nuclear
también puede
suplir.
• 1 TW = 1 Terawatt
= 1,000,000,000 kW
Cómo funciona la celda solar
(o fotovoltaica) de Silicio (Si)
Estructura de un átomo / Energía química
ENERGÍA TOTAL = K + P
Un “orbital 3s”: una forma de un electrón
Forma de un electrón
Forma de un electrón
Átomo con electrones
en forma de orbitales
1s, 2s y 2p en posición
alrededor del núcleo.
Los electrones se
solapan.
Forma de un electrón
1s
Núcleo (apenas visible)
Los electrones de un átomo están atrapados. Aquí vemos las diferentes formas
de los electrones y la manera en que se solapan alrededor del núcleo del
átomo. No más de dos electrones pueden tener la misma forma en el átomo. A
mayor distancia del núcleo, menor la energía cinética, pero el aumento en la
energía potencial domina, y la energía total aumenta.
Energía química y lumínica
Un electrón puede ser compartido por dos átomos.
Entonces, su forma es de orbital de enlace. Un fotón
puede dar energía a un electrón que tiene la forma de
un orbital de enlace y lograr que -al ser absorbidocambie su forma (orbital) a una de mayor energía.
electrón en orbital de enlace
absorbe al fotón y su energía
electrón (-) en orbital de enlace
electrón (-) en 1era capa
núcleos (+)
Molécula
fotón con energía
electrón en orbital de enlace
con más energía almacenada
(este fotón no logró
romper el enlace)
Energía química y lumínica
En un cristal de Silicio, los electrones compartidos,
enlazando a todos los átomos, tienen orbitales (formas)
compartidos por dos electrones que van en sentidos
contrarios (no hay flujo neto). Para que haya un flujo de
corriente eléctrica, tienen que cambiar de orbital,
de modo que
haya un flujo
neto.
Electrones solos en
orbitales diferentes y
yendo en el mismo
sentido
Electrones emparejados
en orbitales y yendo en
sentidos contrarios
Orbital posible
para un electrón,
pero ninguno está
así ahora.
Energía química y lumínica
Ya habiendo absorbido la energía, un electrón fluye en un
sentido. Otro que quedó atras fluye en el mismo sentido.
Ahora hay flujo neto (corriente eléctrica). Lo que ocurre
en el grupo de orbitales más adentro también se puede
interpretar como un “hueco” o partícula con carga +
yendo en sentido contrario. Así se evita tratar a
todos los otros
Hueco: partícula
electrones.
con carga + que vá
hacia
Electrones solos en
orbitales diferentes y
yendo en el mismo
sentido
Electrones emparejados
en orbitales y yendo en
sentidos contrarios
Orbital posible
para un electrón,
pero ninguno está
así ahora.
Silicio tipo P
Un cristal de Silicio con impurezas (átomos de Al) tendrán
un electrón menos por cada impureza atómica. Los
orbitales siguen siendo los mismos, básicamente.
Entonces, por la falta de electrones, habrán huecos sin
que un fotón intervenga.
Hueco: partícula
con carga +
Impureza de Al
Silicio tipo N
Un cristal de Silicio con impurezas (átomos de P) tendrán
un electrón más por cada impureza atómica. Los orbitales
siguen siendo los mismos, básicamente. Entonces, por la
sobra de electrones, habrán electrones solos en los
orbitales de afuera sin que un fotón intervenga.
Electrón extra
Impureza de P
Ensambladura tipo NP
La unión de un cristal de Silicio tipo N con otro tipo P
resulta en que electrones sueltos del lado N son
atrapados en huecos del lado tipo P. Esto separa esos
electrones de sus átomos. Donde están los electrones
atrapados habrá carga negativa, y donde faltan positiva.
Carga +
Carga Electrón extra
del lado N
atrapado en
un hueco
Lado tipo N
Lado tipo P
Celda fotovoltaica : ensambladura NP
• La ensambladura genera la región de carga eléctrica
que hara fuerza para separar las cargas que los fotones
suelten del Silicio.
FOTONES
Tipo P
Tipo N
región neutral
Átomo neutral
región negativa (-)
hueco positivo (+)
región positiva (+)
región neutral
Electrón (-)
Celda Fotovoltaica
(Celda Solar) -de perfil-
La celda fotoquímica de nano-TiO2
y tinte orgánico
Celda fotoquímica
• En este caso, el material que absorbe la luz, el
que se lleva el electrón, y el que recibe el
electrón para devolverlo al que absorbe la luz
son distintos (pueden trabajarse por
separado).
Celda fotoquímica
• En este caso, el material que absorbe la luz, el
que se lleva el electrón, y el que recibe el
electrón para devolverlo al que absorbe la luz
son distintos (pueden trabajarse por
separado).
Celda fotoquímica
Enlaces relevantes
•
Celdas solares comerciales
–
–
–
–
•
http://www.siliconsolar.com/commercial-solar-cells.html
500mA 0.28W Commercial Solar Cell (25 celdas solares)
Commercial Solar Cell From Silicon Solar Inc Rated At 0.55V / 500mA / 0.28W
$2.11 c/u x 25 units = $52.75
Equipo de electrónica (multímetros, motores, …)
– http://www.allelectronics.com/
– http://www.multimeterwarehouse.com/DT830BMinif.htm
•
Planificación de paneles solares para una casa
– http://www.instructables.com/id/DIY-Home-Solar-Planning-a-Solar-Array-Beginners/
•
Cómo soldar celdas solares (conectarlas)
– http://www.youtube.com/watch?v=TDlcaILWP54&feature=related
•
Cobre
– square Copper sheets 10 X 0.5ft2 06.10.036 36 Ga Copper Sheet - 6 in x 12 in $5.95 c/u
– http://www.silversupplies.com/catalog/metals/copper.shtml
– http://basiccopper.com/ otro lugar
•
Celda solar de Cu / Cu2O (cómo hacerla)
– http://www.exo.net/~jillj/activities/solarcell.pdf
– http://www.ehow.com/how_4866500_make-homemade-solar-cells.html
•
Celda solar con blackberries (la que hicimos)
– http://www.sciencegeekgirl.com/activities/Blackberry%20solar%20cell.pdf
– http://www.solideas.com/papers/Exploratorium_Solar.pdf