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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA
SEDE QUITO
FACULTAD DE INGENIERIAS
CARRERA DE INGENIERIA ELECTRICA
Tesis previa a Ia obtención del Título de:
INGENIERO ELECTRICO
TEMA: ESTUDIO DE FACTIBILIDAD PARA LA FABRICACIÓN
DE PANELES SOLARES EN EL ECUADOR PARA LA
GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA.
AUTOR: Luis Edwin Juiña Quishpe
DIRECTOR: Ing. Benigno Santos
Quito, Septiembre 2009
Los conceptos desarrollados, análisis realizados y las conclusiones del presente
trabajo, son de exclusiva responsabilidad del Sr. Luis Edwin Juiña Quishpe.
Quito, Julio-29-2009.
-------------------------------Ing. Benigno Santos
DEDICATORIA
El presente trabajo, dedico a mis padres,
hermanos y novia por su apoyo total para el
desarrollo de esta tesis.
AGRADECIMIENTO
Dejo constancia de mi eterno agradecimiento a todos
quienes de una u otra manera apoyaron para llegar a la
culminación de mi carrera.
A mis padres, hermanos y amigos que siempre me han
apoyado incondicionalmente.
Mi gratitud a la Universidad Politécnica Salesiana por
brindarme su sabiduría y conocimientos para hacer de
mí un ser útil a la sociedad.
Así también dejo expresado mi gratitud al Ing. Benigno
Santos, director de esta tesis por sus sugerencias dadas.
INDICE GENERAL
CAPITULO I
ASPECTOS GENERALES…………….…………………………………………1
1.1 . Introducción…...………………..………………………………………...........1
1.2. Antecedentes……………………………………………………………….......2
1.3. Planteamiento del Problema………...…………………………………….......3
1.4. Justificación...…………………………….…………………………………….4
1.5. Alcance………………………………………………………………………….5
1.6. Objetivos…………………………………….…………………………………..6
1.6.1. Objetivos Generales…...…………….………………………………6
1.6.2. Objetivos Específicos……………………………………………......6
1.7. ENERGIA SOLAR……………………...…………………………...................7
1.7.1. Introducción……………………….………………………………….7
1.7.2. Energía Solar Fotovoltaica…………………………...……………...9
1.7.2.1. Teoria de Max Planck………………………………….…………10
1.7.3. Energía Solar Térmica………………………………………..……..18
1.7.4. Evaluación del recurso………………………………………………19
1.7.5. Radiación Directa……………………………………………………19
1.7.6. Radiación Difusa…………………………………………………….19
1.8. YACIMIENTOS Y OBTENCION DE SILICIO……………………………20
1.8.1. Introducción…………………………………………………………20
1.8.2. Silicio…………………………………………………………………20
1.8.3. Historia……………………………………………………………....21
1.8.4. Características Principales………………………………………...26
1.8.5. Abundancia y Obtención……………………………………...........22
1.8.6. Métodos de obtención del Silicio……...…………………………....22
1.8.7. Yacimientos de Silicio……………………………………………….24
1.8.8. Mapa de Yacimientos de Silicio del Ecuador…...…………………25
1.8.9. Aplicaciones………………………………...……………………….26
CAPITULO II
ASPECTOS TECNICOS…………………………………………………………..28
2.1. ESPECIFICACIONES TECNICAS……...…………………………………28
2.2. HORNOS ELECTRICOS……...………………………………………...…..28
2.2.1. INTRODUCCION...………………………………………………..............28
2.2.2. Ventajas y desventajas de los hornos eléctricos………...…………28
2.3. CLASIFICACION DE LOS HORNOS ELECTRICOS……………………29
2.3.1. HORNO ELECTRICO DE INDUCCION………………………..29
2.3.1.1. CARACTERISTICAS ELECTRICAS………………………….31
2.3.2. HORNOS DE ARCO ELECTRICO……………………………….32
2.3.2.1.
CLASIFICACION
DE
LOS
HORNOS
DE
ARCO
ELECTRICO……………………………………………………….……..32
2.3.2.1.1. Horno de Arco Indirecto……...…………………………...........33
2.3.2.1.2. Horno de Arco Directo……………………...………………......33
2.3.2.1.3. Partes del horno de arco eléctrico………………...…………....33
2.4. Proceso de obtención del silicio………………………………………………38
2.5. Obtención del silicio metalúrgico…...……………………………………......38
2.6. Obtención del silicio de grado electrónico o solar……………………….......39
2.7. Dopado de las obleas de Silicio...…………………………………………......41
2.8. Contactos de las Celdas Solares...……………………………………………41
2.9. Proceso integral para la producción de silicio solar……………………...…42
CAPITULO III
ASPECTOS ECONOMICOS……………………………………………………..45
3.1. Aprovechamiento del Recurso………………………………………………..45
3.2. Factores que afectan el costo de la fabricación de las celdas Solares.......….46
3.3. Costo de Equipos para la fabricación de Celdas solares………...………….46
3.3.1. Costo de los hornos de Inducción.…......……………………...........46
3.3.2. Costo de hornos de Arco Eléctrico…………...…………………….47
3.4. Precio del silicio metalúrgico y silicio solar………………………………….49
3.5. PROPUESTA DE IMPLEMENTACION DE LABORATORIO DE
INVESTIGACION…………………………………………..……………....……..50
3.5.1. DIAGRAMA DEL PROCESO DE LABORATORIO……………55
3.5.1. Presupuesto…………………………………………………………..57
CAPITULO IV
PERSPECTIVAS DE DESARROLLO DE SISTEMAS DE PANELES
SOLARES EN EL ECUADOR……………………………………………………59
4.1. Consideraciones geográficas y climáticas…...…………………………….....59
4.2. Mapa de insolación difusa promedio del Ecuador año 2008………………..62
4.2.1. Diseño del sistema de módulos solares.............................………….63
4.2.1.1. Calculo Práctico de Numero de Paneles solares……………...….64
4.3. ANALISIS LEGAL……………………………………………………...........67
4.3.1. Legislación Minera………...………………………………………...67
4.4. Leyes del sector eléctrico ecuatoriano para energías no convencionales......69
4.5. Tendencias futuras……...……………………………………………………..72
4.5.1. Programas Internacionales de Energías renovables…...………….72
4.5.1.1. Programa Eurosolar………...…………………………………….72
4.6. PRODUCTORES MUNDIALES DE ENERGÍA FOTOVOLTAICA……76
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES….………………….……………78
ANEXOS……………………………………………………………………………81
BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………...……96
GLOSARIO…………………………………………………………………….......98
RESUMEN
Debido a la importancia que ha tomado en la actualidad la utilización de energías no
convencionales, se ha realizado el presente estudio en el que se prueba la factibilidad
de fabricar celdas solares en el Ecuador.
La investigación es encausada por los lineamientos de la planificación didáctica que
se inicia con el estudio de los requerimientos técnico y económico que representa el
fabricar celdas solares.
La infraestructura existente puede ser combinada para el aprovechamiento de
recursos energéticos renovables como es la Energía Solar Fotovoltaica, que aporta
con una energía limpia.
El estudio realizado puede ser un instrumento pedagógico con el cual se puede
mostrar las posibilidades de desarrollo y aplicaciones de este tipo de tecnologías, e
incentivar a desarrollar estudios o proyectos similares que ayuden a fortalecer y
mejorar la propuesta realiza en este estudio.
A futuro la aplicación de una legislación que regule y controle la fabricación de
celdas solares en el Ecuador, para generar energía eléctrica a través de sistemas
fotovoltaicos nacionales.
Se abre una nueva realidad en el campo de la producción de energía eléctrica, que
fomenta de forma activa la participación de todos ciudadanos en la protección del
medio ambiente, así como permite el reparto democrático de sus beneficios
económicos entre la sociedad más necesitada.
Gracias al presente estudio se proyecta un bosquejo que a futuro se promulgue la
implementación de un laboratorio para el estudio y experimentación de fabricar
celdas solares, el cual consta de varias aéreas desde el acopio de materia prima hasta
la obtención de módulos fotovoltaicos.
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LUIS EDWIN JUIÑA Q.
INGENIERIA ELETRICA
CAPITULO I
ASPECTOS GENERALES
1.1.
Introducción.
La fuente primaria fundamental de la energía limpia, con bajo impacto ambiental, es
por excelencia, la energía solar. En la obtención de esta energía, desempeñan un
importante rol los paneles fotovoltaicos, los cuales están formados por arreglos de
celdas solares. Las celdas constituyen la unidad básica del panel, y garantizan la
potencia eléctrica deseada, según las diversas aplicaciones.
Las celdas solares de silicio disponibles comercialmente en la actualidad tienen una
eficiencia de conversión en electricidad de la luz solar que cae sobre ellas de cerca
del 18%, a una fracción del precio de hace treinta años. En la actualidad existen una
gran variedad de métodos para la producción práctica de celdas solares de silicio
(amorfas, monocristalinas o policristalinas), silicio que el Ecuador posee en gran
cantidad.
La energía generada por medio de la conversión fotovoltaica de la radiación solar ha
encontrado una gran diversidad de aplicaciones, y tiene un gran potencial para
sustituir en el mediano plazo a los combustibles fósiles como fuente de energía, de
forma que no se contamine al medio ambiente. El crecimiento del mercado mundial,
para los sistemas fotovoltaicos en aplicaciones tales como iluminación y sistemas de
respaldo en casas o habitación, etc. ha sido en promedio mayor al 20% anual en los
últimos 10 años. Este es un ritmo de crecimiento importante.
Sin embargo, para mantener o incluso aumentar la velocidad de crecimiento de esta
fuente de energía eléctrica limpia en el futuro, es fundamental la reducción de
costos de fabricación de celdas solares y módulos fotovoltaicos. Este objetivo puede
lograrse mejorando paulatinamente la relación eficiencia/costo de las celdas solares
que constituyen los módulos fotovoltaicos.
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INGENIERIA ELETRICA
En el Ecuador los costos de instalación de un sistema de paneles solares son
elevados, debido a que todos los componentes de este sistema son importados de
otros países. Por esta razón se debe generar campañas para que tanto el Gobierno,
como empresas privadas, inviertan en la ejecución de proyectos como el de este
estudio.
La explotación adecuada de la arena silícica, ayudará a que los costos de
implementación de sistemas fotovoltaicos desciendan de manera sustancial, por lo
tanto serán mas económicos.
1.2.
Antecedentes.
La aplicación tradicional más común de la energía solar ha sido a través de la
utilización térmica, por ejemplo para secado de granos y destilación de agua. Estos
aprovechan la energía que durante el día incide sobre superficies de captación y
transfieren a un fluido de trabajo para calentarlo o evaporar agua.
La radiación solar puede también aprovecharse convirtiéndola en electricidad a
través del efecto fotoeléctrico en las llamadas celdas fotovoltaicas. Los
componentes comerciales más conocidos de los mencionados compuestos son
derivados del silicio en sus varias formas.
El estudio PETROGRAFICO realizado en el año 2004 por varios profesores de la
ESPOL muestra que en las costas ecuatorianas existen yacimientos de grava donde
su principal componente es el cuarzo así lo muestra la Tabla I. El cuarzo es
componente principal de la arena silícea de donde se obtiene el silicio para fabricar
celdas solares.
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INGENIERIA ELETRICA
Tabla 1. Resultados del Análisis Petrográfico
Constituyentes
Porcentajes (%)
Cuarzo
33.6
Arenisca
29.3
Pedernal
22.9
Fragmentos de conchas
7
Óxidos de hierro
4.3
Grauwaca
2.9
Fuente: Revista Tecnológica. Vol. 17, No.1. Junio 2004. ESPOL
1.3.
Planteamiento del Problema.
La energía es necesaria para el desarrollo de toda sociedad, para la producción, para
el transporte de bienes y personas, la prestación de servicios y también para la
satisfacción de las necesidades personales.
No hay que olvidar que al utilizar combustibles fósiles como el petróleo y sus
derivados para la generación eléctrica y el transporte, estos recursos naturales se van
agotando, a la vez que contaminan irremediablemente el medio ambiente.
El gobierno y los institutos superiores como universidades o escuelas politécnicas
deben concienciar, la necesidad de cambio y de revertir la herencia negativa que
deja la quema de dichos combustibles fósiles que está provocando el cambio
climático a nivel local y mundial, razón por la cual se está promoviendo la
explotación de energía renovable que tiene el país con nuevas tecnologías que
eviten la emisión de residuos y gases tóxicos, para evitar el efecto invernadero que
actualmente se está produciendo en la atmósfera, para de esta manera no poner en
riesgo a todo ser vivo.
El desconocimiento de la tecnología de energía fotovoltaica, por la mayor parte de
la sociedad, provoca que se utilice medios convencionales que perjudican tanto el
medio ambiente como la salud de todo ser vivo.
El Ecuador es poseedor de grandes fuentes de materia prima (arena silícica) para la
fabricación de paneles solares, los cuales no son aprovechados correctamente. Este
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tipo de material al ser tratado y procesado correctamente puede llegar a ser una
potencial fuente de materia prima para la fabricación de paneles solares.
En nuestro país actualmente el Ministerio de Electricidad y de Energía Renovable
(MEER), aun no ha establecido leyes ni normativas que regulen los sistemas de
generación eléctrica solar fotovoltaica que incentiven y que soporten este tipo de
generación eléctrica y menos a la fabricación de dichos paneles.
1.4.
Justificación.
La materia prima (arena silícea) que posee el Ecuador para fabricar paneles solares
tanto en la región subandina como en la región oriental y en especial en la región
costa donde existen grandes yacimientos que no son aprovechados adecuadamente.
El contribuir con nuevas alternativas de generación de energía eléctrica, como la
energía fotovoltaica. Conocer su tecnología y fortalecer la presencia de dicha
tecnología en el campo de la generación de energía eléctrica en el Ecuador.
La Universidad Politécnica Salesiana y todos sus estudiantes son grandes
generadores de conocimientos garantizados por su nivel académico, que pueden ser
transmitidos hacia toda la sociedad, dando a conocer el beneficio que trae consigo la
fabricación de paneles solares en el Ecuador para generar energía eléctrica.
Ayudar a la sociedad con este tipo de tecnología (generación de energía fotovoltaica
con paneles solares fabricados en el Ecuador) a implementar nuevas formas de
generación eléctrica de bajas potencias que mejoren la calidad de vida de
comunidades que lo necesiten y contribuir también a preservar el medio ambiente.
Las células fotovoltaicas con las cuales se forman paneles solares se fabrican con
silicio, elemento obtenido de la arena, muy abundante en la naturaleza y de la que
no se requieren cantidades significativas.
Por lo tanto, en la fabricación de los paneles solares no se producen alteraciones en
las características litológicas, topográficas o estructurales del terreno.
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INGENIERIA ELETRICA
La generación de energía solar fotovoltaica convierte directamente la radiación del
HT
TH
sol en electricidad. Es una energía limpia, renovable y de un poder incalculable, se
estima que con la cantidad de radiación solar que nos llega en media hora, la
HT
TH
humanidad tendría suficiente energía para todo un año.
Los sistemas fotovoltaicos son fáciles de instalar ya que estos son simples y
silenciosos. Además son altamente fiables y tienen una duración de muchos años.
1.5.
Alcance.
El estudio sobre la fabricación de paneles solares en el Ecuador para la generación
de energía eléctrica y el análisis del costo y la factibilidad de elaborar los paneles
solares con materia prima (arena silícea) y tecnología existente en el Ecuador.
La aplicación de estos paneles en sistemas energéticos en zonas rurales para mejorar
la calidad de vida de sus habitantes, es en el fondo la meta principal por la cual se
propone el desarrollo de este estudio, con lo cual se estaría cubriendo una gran
demanda energética por parte de un sector de la población con dificultades de
conexión convencional a la red nacional de electricidad, y lo mejor del caso es que
se lo realizaría de una manera limpia y con menores costos de producción, debido a
que una mayor demanda y mejor eficiencia exigida a este tipo de soluciones
energéticas por parte de los usuarios, hace posible pensar y analizar en la
factibilidad de fabricar paneles solares, que es una buena respuesta a la demanda
considerando que nuestra región presenta facilidades naturales y geográficas para su
fabricación e instalación.
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1.6.
INGENIERIA ELETRICA
Objetivos.
1.6.1. Objetivos Generales.
Determinar los fundamentos técnicos y aspectos económicos que deben ser
aplicados para la fabricación de paneles solares en el Ecuador.
1.6.2. Objetivos Específicos.
•
Establecer bases para la solución del desabastecimiento de energía eléctrica que
no llega a lugares donde no existe la infraestructura eléctrica básica o donde no
llegan las empresas eléctricas distribuidoras debido a las dificultades que
presenta su geografía. Esto se podrá solucionar con la implementación de
paneles solares fabricados en el Ecuador.
•
Promover la elaboración de proyectos de generación de energía eléctrica a
través de paneles solares fabricados en el Ecuador.
•
Demostrar que en el Ecuador se puede fabricar
paneles solares para la
generación de energía solar fotovoltaica, sin emisión de residuos y gases tóxicos
que contaminen el medio ambiente.
•
Efectuar un estudio del marco técnico, económico y legal sobre las ventajas
político-legales de la generación eléctrica fotovoltaica con paneles solares
fabricados en el Ecuador.
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1.7. ENERGIA SOLAR
1.7.1. Introducción.
El Sol, fuente de vida y origen de las demás formas de energía que el hombre ha
utilizado desde los albores de la historia, puede satisfacer todas nuestras
necesidades.
Si aprendemos a cómo aprovechar de forma racional la luz que continuamente
derrama sobre el planeta. Ha brillado en el cielo desde hace unos cinco mil millones
de años, y se calcula que todavía no ha llegado ni a la mitad de su existencia.
La energía solar que existe en el espacio puede ser utilizada para generar energía
eléctrica a gran escala para satisfacer la demanda de consumo en la tierra.
Producir electricidad a partir de la luz solar del espacio no es nada nuevo, pues
cientos de satélites espaciales ya utilizan esta tecnología. La novedad de este
concepto es que la radiación capturada en el espacio puede ser convertida en
microondas y transportada a una antena terrestre que la transformaría en energía
eléctrica.
Esta opción de generación tiene la capacidad de resolver los problemas sociales,
económicos y medio ambientales asociados al agotamiento de recursos naturales de
nuestro planeta, con la ventaja que el proceso de producción de energía se realizaría
fuera de los límites terrestres sin provocar contaminación ni impactos sobre el
medio ambiente.
Es preciso, no obstante, señalar que existen algunos problemas que debemos
afrontar y superar. Aparte de las dificultades que una política energética solar
avanzada conllevaría por sí misma, hay que tener en cuenta que esta energía está
sometida a continuas variaciones más o menos bruscas. Así, por ejemplo, la
radiación solar es menor en invierno, precisamente cuando más la solemos
necesitar.
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Es de vital importancia proseguir con el desarrollo de la incipiente tecnología de
captación, acumulación y distribución de la energía solar, para conseguir las
condiciones que la hagan definitivamente competitiva, a escala planetaria.
Básicamente, recogiendo de forma adecuada la radiación solar, podemos obtener
calor y electricidad.
El calor se logra mediante los captadores o colectores térmicos, y la electricidad, a
través de los llamados módulos fotovoltaicos. Ambos procesos nada tienen que ver
entre sí, ni en cuanto a su tecnología ni en su aplicación. El calor recogido en los
colectores puede destinarse a satisfacer numerosas necesidades. Por ejemplo, se
puede obtener agua caliente para consumo doméstico o industrial, o bien para dar
calefacción a nuestros hogares, hoteles, colegios, fábricas, etc. Incluso podemos
climatizar las piscinas y permitir el baño durante gran parte del año.
También, y aunque pueda parecer extraño, otra de las más prometedoras
aplicaciones del calor solar será la refrigeración durante las épocas cálidas
.precisamente cuando más soleamiento hay. En efecto, para obtener frío hace falta
disponer de una fuente cálida, la cual puede perfectamente tener su origen en unos
colectores solares instalados en el tejado o azotea. En los países árabes ya funcionan
acondicionadores de aire que utilizan eficazmente la energía solar.
Las aplicaciones agrícolas son muy amplias. Con invernaderos solares pueden
obtenerse mayores y más tempranas cosechas; los secaderos agrícolas consumen
mucha menos energía si se combinan con un sistema solar, y, por citar otro ejemplo,
pueden funcionar plantas de purificación o desalinización de aguas sin consumir
ningún tipo de combustible.
Las células solares, dispuestas en paneles solares, ya producían electricidad en los
primeros satélites espaciales. Actualmente se perfilan como la solución definitiva al
problema de la electrificación rural, con clara ventaja sobre otras alternativas, pues,
al carecer los paneles de partes móviles, resultan totalmente inalterables al paso del
tiempo, no contaminan ni producen ningún ruido en absoluto, no consumen
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combustible y no necesitan mantenimiento. Además, y aunque con menos
rendimiento, funcionan también en días nublados, puesto que captan la luz que se
filtra a través de las nubes.
La electricidad que así se obtiene puede usarse de manera directa (por ejemplo para
sacar agua de un pozo o para regar, mediante un motor eléctrico), o bien ser
almacenada en acumuladores para usarse en las horas nocturnas. También es posible
inyectar la electricidad generada en la red general, obteniendo un importante
beneficio.
Si se consigue que el precio de las células solares siga disminuyendo, iniciándose su
fabricación a gran escala, es muy probable que, para la segunda década del siglo,
una buena parte de la electricidad consumida en los países ricos en sol tenga su
origen en la conversión fotovoltaica.
La energía solar puede ser perfectamente complementada con otras energías
convencionales, para evitar la necesidad de grandes y costosos sistemas de
acumulación. Así, una casa bien aislada puede disponer de agua caliente y
calefacción solares, con el apoyo de un sistema convencional a gas o eléctrico que
únicamente funcionaría en los periodos sin sol.
1.7.2. Energía Solar Fotovoltaica
La energía solar fotovoltaica es un procedimiento mediante el cual se transforma la
luz solar en electricidad, haciendo uso de los paneles fotovoltaicos que pueden ser
conectados a la red eléctrica o instalada directamente en los inmuebles que
requieren el suministro.
Es una energía ideal para ser aplicada en el ámbito domestico y su índice de
contaminación es prácticamente nulo. La producción de electricidad se hace posible
gracias al efecto fotoeléctrico del silicio, que es uno de los componentes de las
placas fotovoltaicas. Muchos de los sistemas poseen mecanismos de seguimiento
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que les permite orientarse según la trayectoria del sol para capturar la mayor
cantidad posible de radiación.
Desde que se descubrió el efecto fotoeléctrico lo único en lo que se han centrado los
científicos es en conseguir los mejores rendimientos en la transformación de la
energía solar, la transformación susodicha se basa en la consideración de la energía
luminosa como cuantos de energía llamados fotones y en la teoría cuántica de Max
Planck.
1.7.2.1. Teoria de Max Planck (Filosofia de la ciencia de Jorge A. Serrano - 1980 - 287).
T
T
“A mediados del siglo XIX la ciencia descubrió que la luz proporcionaba a cada
elemento químico una especie de «huellas digitales». Se puede utilizarse la luz para
distinguir un elemento de otro.
Si se calienta un elemento hasta la incandescencia, la luz que emite estará
constituida por ondas de diversas longitudes. El grupo de longitudes de onda que
produce el elemento difiere del de cualquier otro elemento.
Cada longitud de onda produce un efecto diferente en el ojo y es percibida, por
tanto, como un color distinto de los demás. Supongamos que la luz de un elemento
dado es descompuesta en sus diversas ondas. Este grupo de longitudes de onda, que
es característico del elemento, se manifiesta entonces en la forma de un patrón de
colores también singular.
Pero ¿cómo se puede desglosar la luz de un elemento incandescente en ondas
elementales?
Una manera consiste en hacer pasar la luz por una rendija y luego por un trozo
triangular de vidrio que se denomina prisma. El prisma refracta cada onda en
medida diferente, según su longitud, y forma así imágenes de la rendija en los
colores que se hallan asociados con las longitudes de onda del elemento. El
resultado es un «espectro» de rayas de color cuya combinación difiere de la de
cualquier otro elemento.
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Este procedimiento lo elaboró con detalle el físico alemán Gustav Robert Kirchhoff
en 1859. Kirchhoff y el químico alemán Robert Wilhelm von Bunsen inventaron el
espectroscopio —el instrumento descrito anteriormente— y lo emplearon para
estudiar los espectros de diversos elementos. Y, de paso, descubrieron dos
elementos nuevos al hallar combinaciones de rayas que no coincidían con las de
ningún elemento conocido.
Otros científicos detectaron más tarde la huella de elementos terrestres en los
espectros del Sol y las estrellas. Por otro lado, el elemento helio fue descubierto en
el Sol en 1868, mucho antes de ser detectado en la Tierra. Estos estudios de los
espectros demostraron finalmente que la materia que constituye el universo es en
todas partes la misma.
El hallazgo más importante de Kirchhoff fue éste: que cuando un elemento es
calentado hasta emitir luz de ciertas longitudes de onda, al enfriarse tiende a
absorber esas mismas longitudes de onda.
El concepto de cuerpo negro
Un objeto que absorbiera toda la luz que incide sobre él no reflejaría ninguna y,
por consiguiente, parecería negro. Un objeto de estas características cabría
llamarlo «cuerpo negro».
¿Qué ocurriría al calentar hasta la incandescencia un cuerpo negro? Según el
hallazgo de Kirchhoff debería emitir luz de todas las longitudes de onda posibles,
pues con anterioridad las ha absorbido todas. Ahora bien, existen muchas más
longitudes
de
onda
en
el
extremo
ultravioleta
invisible
del
espectro
electromagnético (el sistema de todas las posibles longitudes de onda) que en todo
el espectro visible (las longitudes de onda que producen la luz visible). Por
consiguiente, si un cuerpo negro es capaz de radiar luz de todas las longitudes de
onda, la mayor parte de la luz provendría del extremo violeta y ultravioleta del
espectro.
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Lord Rayleigh, un físico inglés, halló en la última década del siglo pasado una
ecuación basada en el comportamiento que se le atribuía por entonces a la luz. Sus
resultados parecían demostrar que cuanto más corta era la longitud de onda, más
luz debería emitirse. Las longitudes de onda más cortas de la luz estaban en el
extremo violeta y ultravioleta del espectro, por lo cual la luz debería ser emitida
por el cuerpo negro en un violento estallido de luz violeta y ultravioleta: una
«catástrofe violeta».
Pero esa catástrofe violeta jamás había sido observada. ¿Por qué? Quizá porque
ningún objeto ordinario absorbía realmente toda la luz incidente sobre él. De ser
así, no podría llamarse cuerpo negro a ningún objeto, aunque los físicos trabajasen
en la teoría con ese concepto. Quizá, si existiese realmente un verdadero cuerpo
negro, podría observarse la catástrofe violeta.
Hacia la época en que Rayleigh estableció su ecuación, el físico alemán Wilhelm
Wien creyó haber averiguado cómo fabricar un cuerpo negro. Para ello construyó
una cámara provista de un pequeño agujero. Según él, la luz de cualquier longitud
de onda, al entrar por el orificio, sería absorbida por las paredes rugosas de la
cámara; y si parte de la luz era reflejada, chocaría contra otra de las paredes y
sería absorbida allí.
Es decir, que una vez que la luz entraba en la cámara, no sobrevivía para salir de
nuevo por el orificio. El agujero sería un absorbente total y actuaría por tanto
como un verdadero cuerpo negro. Calentando entonces la cámara hasta poner el
interior incandescente, la luz radiada hacia afuera a través del agujero sería
radiación del cuerpo negro.
Por desgracia, la luz no radiaba en la forma de una catástrofe violenta. Wien
estudió la radiación emergente y comprobó que se hacía más intensa al acortarse
las longitudes de onda (tal y como predecía la ecuación de Rayleigh). Siempre
había alguna longitud de onda para la cual la radiación alcanzaba intensidad
máxima. Pero después, y a pesar de que la longitud de onda seguía decreciendo,
disminuía la intensidad de la radiación. Cuanto más calentaba Wien la cámara,
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más corta era la longitud de onda a partir de la cual se iniciaba el descenso en la
intensidad de radiación; pero en ningún caso se producía la catástrofe violeta.
Wien intentó hallar una ecuación que describiera cómo su «cuerpo negro» radiaba
las longitudes de onda largas y cortas, pero los resultados fueron insatisfactorios.
El problema fue abordado en 1899 por otro físico alemán, Max Planck. Planck
pensó que la luz quizá era radiada sólo en porciones discretas. Como no sabía qué
tamaño podrían tener estas porciones, las llamó quanta (en singular quantum), que
en latín significa «cuánto».
Hasta entonces se creía que todas las formas de energía, entre ellas la luz, existían
en cantidades tan pequeñas como uno quisiera imaginar. Lo que Planck sugería
ahora era lo contrario, que la energía, al igual que la materia, existía
exclusivamente en la forma de partículas de tamaño discreto y que no podían existir
porciones de energía más pequeñas que lo que él llamó «cuantos». Los cuantos
eran, por consiguiente, «paquetes» de energía, lo mismo que los átomos y las
moléculas eran «paquetes» de materia.
Planck supuso además que el tamaño del cuanto de energía variaba con la longitud
de onda de la luz: cuanto más corta la longitud de onda, más grande el cuanto.
Aplicó esta idea al problema del cuerpo negro y supuso que éste radiaba ondas
luminosas en la forma de cuantos. Al cuerpo negro le sería fácil reunir suficiente
energía para formar cuantos pequeños; por eso, radiaría fácilmente longitudes de
onda largas, que son las que requieren cuantos más modestos. Las longitudes de
onda cortas, por el contrario, no podrían ser radiadas a menos que se acumularan
cuantos mayores, que serían más difíciles de reunir.
Es como si nos encontráramos en unos grandes almacenes y nos dijeran que
podíamos comprar lo que quisiéramos, con tal de pagar en monedas. Comprar un
artículo de una peseta no plantearía problemas; pero en cambio sería gravoso (en
los dos sentidos de la palabra) adquirir algo por valor de diez mil pesetas, porque
lo más probable es que no pudiéramos acarrear el peso de tantas monedas.
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Planck logró hallar una ecuación que describía la radiación del cuerpo negro en el
lenguaje de los cuantos. La ecuación concordaba con la observación de Wien de
que había una longitud de onda para la cual la radiación alcanzaba máxima
intensidad. Para longitudes de ondas más cortas que ella, el cuerpo negro se las
vería y desearía para producir los grandes cuantos que requería el caso.
Es cierto que calentando la cámara del cuerpo negro a temperaturas más altas
habría más energía disponible, con lo cual se podrían producir longitudes de onda
más cortas, compuestas de cuantos más grandes. Pero, aun así, siempre habría una
longitud de onda que fuese demasiado corta, incluso para un cuerpo negro
fuertemente calentado; y entonces sería imposible emitir los grandes cuantos que
eran necesarios. Por consiguiente, nunca podría haber una catástrofe violeta, que
sería como decir que siempre habría un artículo demasiado caro para la cantidad
de monedas que pudiésemos acarrear.
La «teoría de los cuantos» o «teoría cuántica» de Planck fue publicada en 1900, y
al principio no despertó demasiada expectación. Pero ésta se estaba ya gestando,
porque los físicos empezaban ya por entonces a estudiar el peculiar
comportamiento de las partículas menores que los átomos (partículas subatómicas).
Parte de este comportamiento era inexplicable con los conocimientos existentes.
Por ejemplo, cuando la luz incidía sobre ciertos metales ¿por qué las partículas
subatómicas llamadas «electrones» se comportaban como lo hacían? La luz era
capaz de arrancar electrones de los átomos situados en la superficie del metal.
Pero estos electrones sólo eran emitidos si la longitud de onda de la luz incidente
era más corta que cierto valor, y este valor crítico dependía de la naturaleza del
metal. ¿Cómo podía explicarse este fenómeno, llamado el «efecto fotoeléctrico»?
Albert Einstein halló en 1905 la explicación del efecto fotoeléctrico, y para ello
utilizó la teoría cuántica. Según él, cuando sobre un metal incidían longitudes de
onda largas, los cuantos de estas longitudes de onda eran demasiado pequeños
para arrancar ningún electrón. Sin embargo, al decrecer cada vez más la longitud
de onda, llegaba un momento en que los cuantos eran suficientemente grandes para
llevarse por delante a los electrones.
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Einstein explicó así por qué los electrones no salían despedidos de la superficie del
metal hasta que la longitud de onda de la luz incidente era más corta que cierta
magnitud crítica.
La solución al problema del efecto fotoeléctrico fue una gran victoria para la
teoría cuántica, y tanto Einstein como Planck obtuvieron el Premio Nobel por su
labor.
La teoría cuántica demostró de nuevo su valía en la investigación sobre la
estructura del átomo. Los físicos estaban de acuerdo en que el átomo consistía en
un núcleo central relativamente pesado, alrededor del cual se movían uno o más
electrones en trayectorias circulares llamadas órbitas. Según las teorías físicas de
la época, los electrones, al girar en su órbita, tenían que radiar luz, perder energía
y precipitarse finalmente hacia el núcleo del átomo, cuando lo cierto es que los
electrones giraban y giraban alrededor del núcleo sin chocar contra él. Era
evidente que las teorías al uso no podían explicar el movimiento de los electrones.
En 1913, el físico danés Niels Bohr aplicó la teoría cuántica a la estructura
atómica. Bohr afirmó que un electrón sólo podía emitir energía en cantidades fijas
y discretas, es decir en cuantos enteros. Al emitir energía, el electrón ocupaba una
nueva órbita, más próxima al núcleo del átomo. De manera análoga, el electrón
sólo podía absorber cuantos enteros, ocupando entonces nuevas órbitas más
alejadas del núcleo. El electrón no podía jamás precipitarse hacia el núcleo,
porque nunca podría acercarse a él más allá de la órbita más cercana permitida
por su estado de energía.
Soluciones y comprensión
Estudiando las distintas órbitas permitidas, los físicos lograron comprender por
qué cada elemento radiaba sólo ciertas longitudes de onda luminosas y por qué la
luz absorbida era siempre igual a la emitida. Así quedó explicada, por fin, la regla
de Kirchhoff, que era la que había desencadenado toda esta revolución.
15
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Posteriormente, el físico austríaco Erwin Schrödinger elaboró en 1927 las
matemáticas del átomo en el marco de la mecánica cuántica. La explicación de
Schrödinger tenía en cuenta prácticamente todos los aspectos del estudio del
átomo, y su trabajo fue crucial para la investigación atómica. Sin él sería imposible
entender siquiera cómo el átomo almacena y libera la energía.
La mecánica cuántica es hoy tan importante que el nacimiento de la física moderna
se sitúa en 1900, cuando Planck publicó la teoría cuántica. La física anterior a
1900 se llama física clásica. La idea de Planck, que en sí es relativamente simple,
logró cambiar por completo el rumbo de la ciencia de la materia y del
movimiento”.
El efecto fotoeléctrico ocurre cuando un material en concreto es irradiado con
energía luminosa y genera corriente eléctrica. En un diodo luminoso o Led como el
de la Fig 1 ocurren los dos efectos tanto el de crear luz con electricidad como el de
crear electricidad con la luz.
Fig. 1. Fenómeno de la teoría cuántica
Durante muchos años se ha buscado la mejor forma de generar corriente eléctrica, a
partir del efecto fotoeléctrico, buscando materiales con estas propiedades. Parece
ser que el silicio convenientemente modificado es el mejor candidato para esto.
16
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Cuando se dice convenientemente modificado se habla de lo que se conoce como el
dopado del silicio. Se ha descubierto que construyendo diodos semiconductores de
silicio los rendimientos ascienden por encima del 30%. Un diodo está formado,
como su nombre indica por dos partes, una parte positiva y la otra negativa.
En la positiva el material se encuentra falto de electrones y a la negativa le sobran.
Cuando estas dos partes se unen forman lo que se llama diodo semiconductor. Las
características principales de éste elemento son que la corriente eléctrica sólo puede
circular en un sentido, por eso se llama semiconductor.
El silicio por sí solo no tiene ni electrones de más ni de menos, tiene cuatro
electrones en la última capa.
Se llega a tener un silicio positivo y otro negativo a través del dopado. El dopado
consiste en introducir otros materiales contaminantes en menor cantidad o
impurezas en un material madre como es en este caso el silicio. Así si introducimos
fósforo en el silicio conseguiremos tener un electrón de más cada vez, puesto que el
fósforo tiene cinco electrones en la última capa y obtendremos silicio negativo.
Por el contrario si introducimos aluminio tendremos un electrón menos o hueco ya
que el aluminio tiene tres electrones en la última capa.
Éste proceso podríamos compararlo con una mesa de billar. Las bolas de billar
(incluida la negra) serían los electrones del silicio y los electrones sobrantes de los
materiales dopantes; el tapete verde sería la línea que une el silicio positivo con el
negativo; a través de los agujeros iríamos a parar a la corriente eléctrica y unos
guisantes representan los fotones de la luz. Ver Fig. 2. Pues bien el efecto
fotoeléctrico es como si cogiese guisantes (agente externo que ayuda al
desplazamiento) y los hiciésemos chocar contra las bolas de billar para intentar que
se desplazaran hasta el agujero o hueco más cercano e incorporarse así a la corriente
eléctrica.
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Fig. 2 Efecto fotoeléctrico. Fuente: Física Moderna Edicion Revisada, NORNA ESTHELA FLORES-JORGE
3B
ENRIQUE FIGUEROA
1.7.3. Energía Solar Térmica
La energía solar térmica se basa en el aprovechamiento de la radiación solar para el
calentamiento de agua de uso domestico e industrial. Este proceso se lleva a cabo
utilizando unos aparatos denominados colectores solares que están fabricados con
materiales de gran absorción y transmisión de calor.
Otras de las aplicaciones comunes de estos sistemas son la calefacción de espacios,
el calentamiento de piscinas y los métodos de secado. Adicionalmente, la Energía
Solar Térmica puede utilizarse para alimentar una máquina de refrigeración que
funciona por absorción, para producir frio y acondicionar el aire.
Una instalación solar térmica está constituida por varios subestaciones para la
captación y acumulación del calor, así como adecuaciones para el bombeo del
líquido.
En un clima como el nuestro, el uso de la energía solar térmica puede generar una
importante reducción en el consumo de energía eléctrica y de gas.
Existen tres técnicas diferentes entre sí en función de la temperatura que puede
HT
TH
alcanzar la superficie captadora. De esta manera, los podemos clasificar como:
18
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1
PF
INGENIERIA ELETRICA
“Baja temperatura, captación directa, la temperatura del fluido es por debajo del
FP
HT
TH
punto de ebullición.
Media temperatura, captación de bajo índice de concentración, la temperatura del
HT
TH
fluido es más elevada de 100ºC.
Alta temperatura, captación de alto índice de concentración, la temperatura del
HT
TH
fluido es más elevada de 300ºC”.
1.7.4. Evaluación del recurso.
Para poder fabricar una celda solar en cualquier material es necesario tener gran
conocimiento sobre los factores que pueden limitar su eficiencia tanto técnica como
económica. Es esto lo que ha tomado un buen número de años de investigación con
el silicio.
En el Ecuador existe grandes yacimientos de arena silícea de gran calidad, que
deben ser explotados adecuadamente, esta arena es la materia prima de las celdas
solares.
1.7.5. Radiación Directa
Es aquella que llega directamente del Sol sin haber sufrido cambio alguno en su
HT
TH
dirección. Este tipo de radiación se caracteriza por proyectar una sombra definida de
los objetos opacos que la interceptan.
1.7.6. Radiación Difusa.
Parte de la radiación que atraviesa la atmósfera es reflejada por las nubes o
absorbida por éstas. Esta radiación, que se denomina difusa, va en todas direcciones,
como consecuencia de las reflexiones y absorciones, no sólo de las nubes sino de las
partículas de polvo atmosférico, montañas, árboles, edificios, el propio suelo, etc.
Este tipo de radiación se caracteriza por no producir sombra alguna respecto a los
objetos opacos interpuestos. Las superficies horizontales son las que más radiación
P
1
P
M. Ibáñez Plana, Energías Renovables, Tecnología Solar.
19
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difusa reciben, ya que ven toda la bóveda celeste, mientras que las verticales reciben
menos porque sólo ven la mitad.
1.8. YACIMIENTOS Y OBTENCION DE SILICIO
1.8.1. Introducción
El silicio constituye un 28% de la corteza terrestre. No existe en estado libre, sino
que se encuentra en forma de dióxido de silicio y de silicatos complejos. Los
minerales que contienen silicio constituyen cerca del 40% de todos los minerales
comunes, incluyendo más del 90% de los minerales que forman rocas volcánicas. El
mineral cuarzo, sus variedades (cornalina, crisoprasa, ónice, pedernal y jaspe) y los
minerales cristobalita y tridimita son las formas cristalinas del silicio existentes en
la naturaleza. El dióxido de silicio es el componente principal de la arena. Los
silicatos (en concreto los de aluminio, calcio y magnesio) son los componentes
principales de las arcillas, el suelo y las rocas, en forma de feldespatos, anfíboles,
piroxenos, micas y ceolitas, y de piedras semipreciosas como el olivino, granate,
zircón, topacio y turmalina.
1.8.2. Silicio
2
PF
El silicio, a diferencia del carbono, no existe libre en la naturaleza. Como dióxido
FP
se encuentra en varias formas de cuarzo: Cristal de roca, Amatista, Cuarzo
ahumado, Cuarzo rosa, y cuarzo lechoso. La arena es en gran parte dióxido de
silicio (sílice). El ópalo es una variedad hidratada de cuarzo. La mayoría de las
rocas corrientes, salvo calizas o dolomitas, contiene silicio: por ejemplo, el
feldespato Si 3 O 8 KAl; el asbesto (SiO 3 ) 4 Mg 3 Ca; la mica (SiO 4 )3H 2 KAl 3 ; etc.
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
El silicio amorfo es un polvo pardo, mas activo químicamente que la variedad
cristalina. Se une con el flúor a temperaturas ordinarias, y con oxigeno, cloro,
bromo, azufre, nitrógeno, carbono y boro a temperaturas progresivamente más altas.
P
2
P
http://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%ADlice
20
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Con ciertos metales, el silicio se combina formando siliciuros, por ejemplo Mg 2 Si.
R
R
La silicona es la descomposición de los haluros de alkisilicio en alcoholes.
1.8.3. Historia.
El nombre Silicio deriva del latín silex (pedernal). Los compuestos del silíceo
fueron ya de gran importancia en la prehistoria Las herramientas y las armas hechas
de pedernal; una de las variedades del dióxido de silicio fueron los primeros
utensilios del hombre Aunque Davy creyó que la sílice no era un elemento, no pudo
descomponerlo. En 1823 Berzelius obtuvo silicio amorfo al hacer reaccionar
tetrafluoruro de silicio sobre potasio fundido. Al lavar el producto con agua, obtuvo
un polvo pardo que era silicio amorfo.
1.8.4. Características Principales
Sus propiedades son intermedias entre las del carbono y el germanio. En forma
HT
TH
HT
TH
cristalina es muy duro y poco soluble y presenta un brillo metálico y color grisáceo.
Aunque es un elemento relativamente inerte y resiste la acción de la mayoría de los
ácidos, reacciona con los halógenos y álcalis diluidos. El silicio transmite más del
HT
TH
HT
TH
HT
TH
95% de las longitudes de onda de la radiación infrarroja.
HT
TH
HT
TH
Se prepara en forma de polvo amorfo amarillo pardo o de cristales negros-grisáceos.
Se obtiene calentando sílice, o dióxido de silicio (SiO2), con un agente reductor,
HT
TH
como carbono o magnesio, en un horno eléctrico. El silicio cristalino tiene una
dureza de 7, suficiente para rayar el vidrio, de dureza de 5 a 7. El silicio tiene un
punto de fusión de 1.410 °C, un punto de ebullición de 2.355 °C y una densidad
relativa de 2,33. Su masa atómica es 28,086.
3
PF
“Se disuelve en ácido fluorhídrico formando el gas tetrafluoruro de silicio, SiF4, y
FP
es atacado por los ácidos nítrico, clorhídrico y sulfúrico, aunque el dióxido de silicio
formado inhibe la reacción. También se disuelve en hidróxido de sodio, formando
silicato de sodio y gas hidrógeno. A temperaturas ordinarias el silicio no es atacado
P
3
P
http://Célula fotovoltaica - silicio - Solarpedia.mht
21
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por el aire, pero a temperaturas elevadas reacciona con el oxígeno formando una
capa de sílice que impide que continúe la reacción. A altas temperaturas reacciona
también con nitrógeno y cloro formando nitruro de silicio y cloruro de silicio
respectivamente.”
1.8.5. Abundancia y Obtención.
El silicio es uno de los componentes principales de los aerolitos, una clase de
HT
TH
meteoroides.
HT
TH
Medido en peso el silicio representa más de la cuarta parte de la corteza terrestre y
es el segundo elemento más abundante por detrás del oxígeno. El silicio no se
HT
TH
encuentra en estado nativo; arena, cuarzo, amatista, ágata, pedernal, ópalo y jaspe
HT
TH
HT
TH
HT
TH
HT
TH
HT
TH
HT
TH
HT
TH
son algunas de los minerales en los que aparece el óxido, mientras que formando
HT
TH
silicatos se encuentra, entre otros, en el granito, feldespato, arcilla, hornablenda y
HT
TH
HT
TH
HT
TH
HT
TH
HT
TH
mica.
HT
TH
El silicio comercial se obtiene a partir de sílice de alta pureza en horno de arco
HT
TH
eléctrico reduciendo el óxido con electrodos de carbón.
El silicio líquido se acumula en el fondo del horno de donde se extrae y se enfría. El
silicio producido por este proceso se denomina metalúrgico y tiene una pureza
superior al 99%. Para la construcción de dispositivos semiconductores es necesario
HT
TH
un silicio de mayor pureza, silicio ultra puro, que puede obtenerse por métodos
físicos o químicos.
1.8.6. Métodos de obtención del Silicio.
(EDUARDO CAPELLO, TECNOLOGIA DE LA
FUNDICION)
Los métodos físicos de purificación del silicio metalúrgico se basan en la mayor
solubilidad de las impurezas en el silicio líquido, de forma que éste se concentra en
las últimas zonas solidificadas. El primer método, usado de forma limitada para
construir componentes de radar durante la Segunda Guerra Mundial, consiste en
HT
TH
HT
22
TH
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moler el silicio de forma que las impurezas se acumulen en las superficies de los
granos; disolviendo éstos parcialmente con ácido se obtenía un polvo más puro.
HT
TH
La fusión por zonas, el primer método usado a escala industrial, consiste en fundir
un extremo de la barra de silicio y trasladar lentamente el foco de calor a lo largo de
la barra de modo que el silicio va solidificando con una pureza mayor al arrastrar la
zona fundida gran parte de las impurezas. El proceso puede repetirse las veces que
sea necesario hasta lograr la pureza deseada bastando entonces cortar el extremo
final en el que se han acumulado las impurezas.
Los métodos químicos, usados actualmente, actúan sobre un compuesto de silicio
que sea más fácil de purificar descomponiéndolo tras la purificación para obtener el
silicio. Los compuestos comúnmente usados son el triclorosilano (HSiCl 3 ), el
R
R
tetracloruro de silicio (SiCl 4 ) y el silano (SiH 4 ).
R
R
R
R
En el proceso Siemens, las barras de silicio de alta pureza se exponen a 1150°C al
triclorosilano, gas que se descompone depositando silicio adicional en la barra
según la siguiente reacción:
2 HSiCl 3 → Si + 2 HCl + SiCl 4
R
R
R
R
El silicio producido por éste y otros métodos similares se denominan silicio
policristalino.
HT
TH
El método Dupont consiste en hacer reaccionar tetracloruro de silicio a 950°C con
vapores de cinc muy puros:
HT
TH
SiCl 4 + 2 Zn → Si + 2 ZnCl 2
R
R
R
R
Este método, está plagado de dificultades (el cloruro de cinc, sub producto de la
reacción, solidifica y obstruye las líneas) por lo que eventualmente se ha
abandonado en favor del proceso Siemens.
Una vez obtenido el silicio metalúrgico es necesario obtener silicio monocristal,
para lo que se utiliza el proceso Czochralski. Ver Anexo 1
HT
TH
23
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1.8.7. Yacimientos de Silicio.
Ecuador dispone de variados recursos de minerales no metálicos siendo los más
importantes la caliza, el mármol, arcilla, el yeso, la piedra pómez, arena silícea, la
baritina y bentonita.
4
PF
“En la zona subandina, región costa (playas) y la región oriental, se cuenta con
FP
grandes yacimientos de arena silícea. Importantes minas se hallas actualmente en
explotación para abastecer pequeñas fábricas de envases de vidrio, cerámica y como
correctores del PH de la caliza destinada a la producción de cemento.”
P
4
P
http://www.minasypetroleos.gov.ec/mmp-portwar/
24
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1.8.8. Mapa de Yacimientos de Silicio del Ecuador
25
25
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1.8.9. Aplicaciones
Se utiliza en aleaciones, en la preparación de las siliconas, en la industria de la
HT
TH
HT
TH
cerámica técnica y, debido a que es un material semiconductor muy abundante,
HT
TH
HT
TH
tiene un interés especial en la industria electrónica y microelectrónica como
HT
TH
HT
TH
material básico para la creación de obleas o chips que se pueden implantar en
HT
TH
transistores, pilas solares y una gran variedad de circuitos electrónicos. El silicio es
HT
TH
HT
TH
un elemento vital en numerosas industrias. El dióxido de silicio (arena y arcilla) es
HT
TH
HT
TH
HT
TH
un importante constituyente del hormigón y los ladrillos, y se emplea en la
HT
TH
HT
TH
producción de cemento portland. Por sus propiedades semiconductoras se usa en la
HT
TH
HT
TH
fabricación de transistores, células solares y todo tipo de dispositivos
HT
TH
HT
TH
semiconductores.
Otros importantes usos del silicio son:
•
Como material refractario, se usa en cerámicas, vidriados y esmaltados.
•
Como elemento fertilizante en forma de mineral primario rico en silicio, para la
HT
TH
HT
HT
TH
HT
TH
HT
TH
TH
agricultura.
HT
TH
•
Como elemento de aleación en fundiciones.
•
Fabricación de vidrio para ventanas y aislantes.
•
El carburo de silicio es uno de los abrasivos más importantes.
•
Se usa en láseres para obtener una luz con una longitud de onda de 456 nm.
•
La silicona se usa en medicina en implantes de seno y lentes de contacto.
HT
TH
HT
HT
TH
HT
TH
HT
TH
HT
HT
HT
TH
TH
TH
TH
HT
HT
TH
HT
TH
HT
TH
TH
Se utiliza en la industria del acero como componente de las aleaciones de silicioacero. Para fabricar el acero, se desoxida el acero fundido añadiéndole pequeñas
cantidades de silicio; el acero común contiene menos de un 0,03% de silicio. El
acero de silicio, que contiene de 2,5 a 4% de silicio, se usa para fabricar los núcleos
de los transformadores eléctricos.
Existe una aleación de acero, el durirón, que contiene un 15% de silicio y es dura,
frágil y resistente a la corrosión; el durirón se usa en los equipos industriales que
están en contacto con productos químicos corrosivos. El silicio se utiliza también en
las aleaciones de cobre, como el bronce y el latón.
26
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El silicio es un semiconductor; su resistividad a la corriente eléctrica a temperatura
ambiente varía entre la de los metales y la de los aislantes. La conductividad del
silicio se puede controlar añadiendo pequeñas cantidades de impurezas llamadas
dopantes. La capacidad de controlar las propiedades eléctricas del silicio y su
abundancia en la naturaleza han posibilitado el desarrollo y aplicación de los
transistores y circuitos integrados que se utilizan en la industria electrónica.
La sílice y los silicatos se utilizan en la fabricación de vidrio, barnices, esmaltes,
cemento y porcelana, y tienen importantes aplicaciones individuales. La sílice
fundida, que es un vidrio que se obtiene fundiendo cuarzo o hidrolizando
tetracloruro de silicio, se caracteriza por un bajo coeficiente de dilatación y una alta
resistencia a la mayoría de los productos químicos.
El gel de sílice es una sustancia incolora, porosa y amorfa; se prepara eliminando
parte del agua de un precipitado gelatinoso de ácido silícico, SiO 2 ·H 2 O, el cual se
R
R
R
R
obtiene añadiendo ácido clorhídrico a una disolución de silicato de sodio. El gel de
sílice absorbe agua y otras sustancias y se usa como agente desecante y decolorante.
El silicato de sodio (Na 2 SiO 3 ), también llamado vidrio, es un silicato sintético
R
R
R
R
importante, sólido amorfo, incoloro y soluble en agua, que funde a 1088 °C. Se
obtiene haciendo reaccionar sílice (arena) y carbonato de sodio a alta temperatura, o
calentando arena con hidróxido de sodio concentrado a alta presión. La disolución
acuosa de silicato de sodio se utiliza para conservar huevos; como sustituto de la
cola o pegamento para hacer cajas y otros contenedores; para unir gemas
artificiales; como agente incombustible, y como relleno y adherente en jabones y
limpiadores. Otro compuesto de silicio importante es el carborundo, un compuesto
de silicio y carbono que se utiliza como abrasivo.
El monóxido de silicio, SiO, se usa para proteger materiales, recubriéndolos de
forma que la superficie exterior se oxida al dióxido, SiO 2 . Estas capas se aplican
R
también a los filtros de interferencias.
27
R
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CAPITULO II.
ASPECTOS TECNICOS
2.1. ESPECIFICACIONES TECNICAS
Las especificaciones podrán ser aplicadas de acuerdo al tipo de horno que se utilice
para la obtención del silicio metalúrgico.
Para el propósito de este estudio las especificaciones serán referidas a los hornos
eléctricos, que es el medio para obtener el silicio metalúrgico, del cual se obtiene el
silicio ultra puro de donde se fabrican las celdas solares fotovoltaicas.
2.2. HORNOS ELECTRICOS
2.2.1 Introduccion.
En comparación con los demás métodos de fundición de acero y otros tipos
materiales, tal como el silicio metalúrgico motivo de este estudio, la fundición por
medio de hornos eléctricos tiene una serie de ventajas, tales como la posibilidad de
obtener una temperatura alta, lo cual permite tener escorias muy calcáreas que
aseguran la eliminación casi completa del fosforo y del azufre, y además, la rebaja
considerable de la quema del metal y de los elementos especiales (adicionales),
debido a que no existe llama oxidante.
Los elementos que se adicionan a estos hornos son el carbón y oxigeno para obtener
un silicio de mejor calidad al momento de su fundición.
2.2.2. Ventajas y desventajas de los hornos eléctricos
Ventajas:
a) Eficiencia: El coeficiente de conversión de electricidad en calor es prácticamente
100%, lo que no ocurre con el uso de combustibles comunes, donde parte de la
28
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energía es consumida en el calentamiento del aire y de los gases calientes que son
expulsados a la atmósfera.
b) Limpieza: No hay contaminación por los productos de combustión. No hay
chimeneas, gases, suciedad, polvos o cenizas en hornos a resistencia o inducción.
c) Facilidad de Control: el control de la calidad de calor suministrado al sistema es
mucho más simple y más preciso que en cualquier otra forma de calentamiento.
d) Control de la Temperatura: mucho más exacto.
e) Altas Temperaturas: facilidad de obtención de altas temperaturas imposibles de
conseguir económicamente en otros hornos.
Desventajas:
a) Alta inversión inicial
b) Necesita mano de obra calificada.
c) Elevado consumo eléctrico.
2.3. CLASIFICACION DE LOS HORNOS ELECTRICOS
Para la obtención del silicio metalúrgico los hornos eléctricos más utilizados son:
•
Horno eléctrico de inducción.
•
Horno de arco eléctrico.
2.3.1. HORNO ELECTRICO DE INDUCCION
Es un horno eléctrico en el que el calor es generado por calentamiento por la
inducción eléctrica de un medio conductivo, un metal en un crisol alrededor del cual
HT
TH
HT
TH
se encuentran enrolladas bobinas magnéticas.
Los hornos de inducción no es más que un gran transformador en el cual el circuito
secundario está constituido por material a elaborar. En ellos la corriente de las líneas
29
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que circula en las bobinas es de poca intensidad y de gran voltaje, mientras que la
corriente inducida en el circuito secundario, formado por el material metálico
colocado en la solera o crisol del horno y es de poco voltaje y gran intensidad de
corriente.
Es esta fuerte corriente lo que determina en el horno este fuerte aumento de
temperatura que funde la arena silícea colocada en el crisol.
Como se trata de un solo espiral las corrientes inducidas tienen una intensidad
elevada y por esta razón el calentamiento de la masa metálica viene con rapidez y
puede alcanzar temperaturas entre 2800 y 3000 o C).
HORNO DE INDUCCION. WILDI, Théodore, NAVARRO SALAS, Rodolfo, Máquinas
T0B
T
T
T
T
T
T
T
eléctricas y sistemas de potencia
La ventaja del horno de inducción es que es limpio, eficiente desde el punto de vista
energético, y es un proceso de fundición de metales más controlable que la mayoría
de los demás modos de fundición de metales.
Las fundidoras del Ecuador utilizan este tipo de horno y cada vez más fundidoras
están sustituyendo los altos hornos por los de inducción, debido a que aquellos
HT
TH
generaban mucho polvo entre otros contaminantes.
HT
TH
30
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INGENIERIA ELETRICA
El rango de capacidades de los hornos de inducción abarca desde menos de un
kilogramo hasta cien toneladas y son utilizados para fundir hierro y acero, cobre,
HT
TH
HT
TH
HT
TH
aluminio, arena silícea y metales preciosos.
HT
TH
2.3.1.1. CARACTERISTICAS ELECTRICAS.
•
FRECUENCIA. Los horno de inducción pueden clasificarse por su en:
¾ Hornos de baja frecuencia o frecuencia industrial: 50 ó 60 Hz ; 150 ó 180
Hz; 200 Hz.
¾ Hornos de media frecuencia: 200 a 10000 Hz.
¾ Hornos de alta frecuencia: sobre 10000 Hz.
•
POTENCIA. Está definida de acuerdo a la frecuencia que se escoja, y van
determinado por:
¾ Los hornos de baja frecuencia normalmente son de gran capacidad, de
unas 6 a 60 tons. Con potencias de 1000 a 17000 KW.
¾ Los hornos de media frecuencia varían desde pocos kilogramos (ej. 2 Kg)
a 10000 Kg, con frecuencias entre 200 Hz a 10000 Hz, y potencias desde
unos pocos KW (ej. 3 KW) a 3000 KW o más.
¾ Para hornos de inducción de media frecuencia, el consumo de energía
para la fusión de diversas aleaciones aproximadamente es:
Aleación
KWh/ton.
Acero
620
Silicio metalúrgico
620
Aluminio
580
Bronce
420
Tabla 3. TESIS DE MAESTRIA EN MATERIALES, DISEÑO Y PRODUCCION, PROCESOS DE MANUFACTURA
EN MATERIALES METALICOS, VICTOR CARDENAS, ESCUELA POLITECNICA NACIONAL
31
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INGENIERIA ELETRICA
2.3.2. HORNOS DE ARCO ELECTRICO
En este tipo de hornos se forma un arco voltaico entre dos electrodos o entre el
electrodo y la carga a fundir. El flujo de la corriente eléctrica se da a través del aire
ionizado y las partículas de carbono que volatilizándose por la alta temperatura, 3500
°C, forman un plasma proporcionando, de esta forma, el arco voltaico.
2.3.2.1. CLASIFICACION DE LOS HORNOS DE ARCO ELECTRICO
Existen dos tipos de horno de arco:
•
horno de arco indirecto
•
horno de arco directo.
2.3.2.1.1. Horno de Arco Indirecto.
En estos hornos el calentamiento directo es por radiación. Los hornos pueden ser del
tipo Basculante rotativo o Basculante oscilante, siendo el más común el oscilante.
Debido al esfuerzo de flexión y choques mecánicos a que están sujetos los
electrodos, estos hornos tienen una capacidad limitada a un máximo de 2000 Kg.
carga sólida a 4000 Kg. carga líquida.
HORNO DEARCO INDIRECTO. WILDI, Théodore, NAVARRO SALAS, Rodolfo,
T1B
T
Máquinas eléctricas y sistemas de potencia
T
32
T
T
T
T
T
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•
INGENIERIA ELETRICA
Características Operacionales:
La potencia es del orden de 50 a 1000 kVA. En la fusión de acero se gasta, en
promedio, 10 - 12 Kg de electrodo por tonelada, en un tiempo de fusión que varía de
50 a 90 minutos.
El arco se obtiene por la aproximación de los electrodos (manualmente en los hornos
más pequeños, hidráulicamente en los más grandes). El horno se precalienta, y luego
se carga.
En la medida que ocurre la fusión del metal cargado, se recarga. Sólo después que
todo está líquido se inicia la oscilación para transferir mejor el calor de las paredes al
metal y evitar que se enfríe el fondo.
2.3.2.1.2. Horno de Arco Directo
HORNO DE ARCO ELECTRICO DIRECTO. WILDI, Théodore, NAVARRO
T2B
T
T
T
T
SALAS, Rodolfo, Máquinas eléctricas y sistemas de potencia
T
T
T
Son los hornos de arco más usados en la industria del acero y fundición.
La capacidad de estos hornos varía desde 1000 Kg a 400 Ton. La potencia de los
transformadores y hornos empleados varía con el tamaño de los hornos desde 1000 a
120000 KVA.
33
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INGENIERIA ELETRICA
El consumo de energía eléctrica varía desde unos 800 a 650 KW/Ton de silicio
metalúrgico, dependiendo de la capacidad de fusión.
Los hornos de arco directo utilizan electrodos de grafito con un consumo de 1 a 3
Kg/Ton de acero común y 3 a 6 Kg/Ton de silicio metalúrgico. Durante la fusión, los
electrodos están en constante movimiento de modo de seguir la fusión de la carga,
mantener la corriente eléctrica en condiciones de máxima eficiencia.
El proceso de horno de arco eléctrico a avanzado enormemente en los últimos años y
de ser de un horno dedicado a la producción de aceros especiales o para funciones
tradicionales, se ha convertido en una unidad de producción de acero en gran escala,
y para otros tipos de materiales como el silicio metalúrgico que es extraída del la
arena silícea.
Es el más versátil de todos los hornos para obtener el silicio metalúrgico. No
solamente puede proporcionar altas temperaturas, hasta 1.930ºC, sino que también
puede controlarse eléctricamente con un alto grado de precisión.
2.3.2.1.3 5 Partes del horno de arco eléctrico
PF
FP
En un horno eléctrico de arco se pueden distinguir 3 partes fundamentales:
•
Parte mecánica
Compuesta de:
¾ Cuba.
¾ Anillos de bóveda.
¾ Plataforma.
¾ Mecanismo de basculación.
¾ Brazos porta electrodos y columnas.
¾ Mecanismo de accionamiento de electrodos.
¾ Superestructura.
¾ Vigas de suspensión de bóveda.
TP
15
PT
TESIS DE MAESTRIA EN MATERIALES, DISEÑO Y PRODUCCION, PROCESOS DE MANUFACTURA EN MATERIALES METALICOS, VICTOR
CARDENAS, ESCUELA POLITECNICA NACIONAL
34
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¾ Mecanismo de elevación y giro de bóveda.
•
Parte eléctrica
Compuesta de:
¾ Seccionador de entrada.
¾ Interruptor general.
¾ Transformador de potencia, (reductor de tensión).
¾ Paneles de mando y control.
¾ Embarrado secundario.
¾ Batería de condensadores.
•
Elementos complementarios
¾ Circuito hidráulico.
¾ Equipo de regulación.
Los hornos de inducción se encuentran mayoritariamente distribuidos en el Ecuador,
en la industria siderúrgica, en laboratorios de fundición de Escuelas Politécnicas, etc.
En las Escuelas Politécnicas es donde podemos encontrar los hornos de inducción
que son: EPN, ESPOCH, ESPOL.
35
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Horno de Inducción, Escuela Politécnica Nacional
Los hornos de inducción se encuentran en varias empresas fundidoras, que se
distribuyen por todo el Ecuador, en Quito podemos encontrar como por ejemplo:
fundi-aliaciones, fundiciones JCB, etc. En Cuenca este tipo de horno se encuentra en
los talleres Mejía.
36
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Horno de Inducción, Fundiciones JCB, Sangolqui
Los hornos de Arco Eléctrico son muy escasos en el Ecuador debido a sus altos
costos, las únicas empresas que los poseen son: ADELCA y NOVACERO.
37
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Horno de arco Eléctrico trifásico, NOVACERO Planta Laso-Latacunga
Características Técnicas
Marca
Brown Boveri – Unistara
Año de Fabricación
2007
País de Origen
México – Italia
Capacidad Nominal
50 Ton de acero líquido
Peso Neto
100 Ton
Tipo de electrodos
Grafito diámetro 18”
Temperatura del líquido
1650°C
Tiempo de residencia del aire
2.5 Seg
Enfriamientodel Transformador
OF-WF (Oil
forced – Water
forced)
Tipo de Aceite
Shell K5 (Libre PCV)
Diámetro
4580 mm
Control de nivel electrodos
Automatizado
Características técnicas, Horno de arco eléctrico, NOVACERO, Planta LasoLatacunga
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2.4. Proceso de obtención del silicio
Como se menciona en el capítulo 1 el silicio es el elemento, tras el oxígeno, más
abundante del planeta, y por ende en nuestro país existen varios yacimientos, pero
no se encuentra en estado puro o nativo sino combinado con oxígeno. El silicio para
uso industrial es parte de la cuarcita que es en un 90% óxido de silicio SiO 2 (arena
R
R
silícea).
2.5. Obtención del silicio metalúrgico
El silicio se separa de la cuarcita (arena silícea) en un proceso metalúrgico de
reducción, introduciéndola en hornos de arco eléctrico junto al carbón para romper
los enlaces entre el silicio y el oxígeno.
Horno de arco eléctrico, Electrodos fundiendo cuarcita y carbón para obtener silicio metalúrgico, Energía solar presente
y futuro, Universidad Politécnica de Madrid.
De esta forma se obtiene un silicio de pureza del 98% o 99%. Este silicio así
obtenido se denomina de grado metalúrgico y es adecuado para la industria que
obtiene con él aleaciones especiales, pero no es el ideal para la industria de los
semiconductores y solar, que requieren un silicio de alta pureza, que es del
99.999999% de pureza.
39
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Silicio Metalúrgico de 98% de pureza, cortesía de FUNDEBOG, San Antonio de Pichincha
2.6. Obtención del silicio de grado electrónico o solar
La pureza deseada del silicio que es del 99,999999% se consigue a través de dos
procesos que son:
•
Proceso de Zona Flotante y,
•
Proceso Czochralski
Estos dos procesos son los más conocidos y utilizados. Ver anexo 1.
Mediante los procesos antes mencionados se obtiene los lingotes (forma de
salchicha) de silicio ultra puro deseado, de donde se obtendrán las obleas.
40
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Lingotes y obleas de silicio solar ultra puro, Energía solar presente y futuro, Universidad Politécnica de
Madrid.
Después de obtener la barra de Silicio cilindrada al diámetro de las celdas, a partir de
este cilindro se cortan las obleas con un espesor típico de 300mm. En este proceso se
pierde 20% de valioso Silicio en forma de polvillo.
A pesar de que la tecnología del Silicio está bien desarrollada, los métodos de Zona
Flotante, Czochralski y la fundición de bloques de Silicio son procesos complejos y
costosos.
Las obleas se las obtiene mediante las sierras multi hilos y de diámetro interno.
a.
a.
b.
Sierra de diámetro interno, b. sierra multi hilos, Tecnología Fotovoltaica PDF, UCA, España
41
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2.7. Dopado de las obleas de Silicio
Siguiendo con el proceso de obtención de celdas solares, las obleas obtenidas del
silicio solar (silicio ultra puro), se las somete al dopado o difusión.
Se colocan las obleas en el interior de un horno a través del cual se hace pasar un gas
inerte que contenga el dopante deseado, a una temperatura de entre 800º y 1200º C.
Para Silicio tipo P el dopante más usual es el Boro y para tipo N se usa el Arsénico y
Fósforo.
Esquema de dopaje de obleas de silicio, Método de difusión, Dispositivos electrónicos y fotónicos.
4B
Fundamentos, Escrito por Lluís Prat Viñas, Josep Calderer Cardona.
T
2.8. Contactos de las celdas Solares.
T
Los contactos eléctricos permiten el flujo de electricidad. El contacto inferior (no
T
expuesto al sol) es una capa de aluminio o molibdeno. El contacto superior es más
complicado por estar ese lado expuesto al sol. Una capa metálica continua como la
inferior evitaría el paso de la luz y tampoco sería conveniente utilizar contactos
laterales por la elevada resistencia eléctrica de la capa superior en esta configuración.
Usualmente el contacto superior consiste de una rejilla que cubre toda la superficie.
T
Los finos elementos deben ser los suficiente gruesos y anchos para coducir bien la
electricidad (baja resistencia) pero lo suficientemente espaciados y angostos para no
bloquear el paso de la luz.
Para su fabricación se emplean generalmente dos procesos: metalización (deposición
T
al vacio de metales evaporados) a través de una máscara apropiada o pintándole por
42
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screen. También se emplean fotolitografía, obteniéndose rejillas de alta calidad pero
a mayores costos. También se emplean películas continuas de materiales conductores
transparentes como el oxido de estaño indio.
Contactos de las celdas Solares, Fuente: MALONEY, Timothy J. Electrónica industrial
T
T
T
T
T
T
T
moderna
2.9. Proceso integral para la producción de silicio solar
Proceso integral para la producción de silicio solar, TESIS DOCTORAL FABRICACIÓN DE
CÉLULAS SOLARES SOBRE SILICIO MULTICRISTALINO Y SILICIO PURIFICADO POR LA VÍA
METALÚRGICA, UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID
43
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La Escuela Politécnica Nacional, está en proceso de investigación de manera
experimental de las técnicas de dopaje de celdas solares, esto se lo realiza en el
laboratorio de Electrocerámica y en el laboratorio de difracción de rayos X.
Laboratorio de Electrocerámica, EPN
Laboratorio de difracción de rayos X. EPN
44
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CAPITULO III
ASPECTOS ECONOMICOS
La factibilidad económica y técnica de aprovechar la arena silícica recurso natural
abundante en el Ecuador. Se analiza la situación actual y se plantea diferentes
escenarios que faciliten la inversión para la creación, crecimiento y expansión de la
industria que fabrique celdas solares y por ende los paneles solares.
3.1. Aprovechamiento del Recurso
Los minerales pueden ser considerarse a todas las rocas y minerales, incluidos los
sintéticos, predominantemente no metálicos, que por sus propiedades físicas o
químicas, pueden ser utilizados en procesos industriales, de modo general con
múltiples funciones, como materia prima, componente especial de una formulación
o aditivo, directamente después de ser extraído o después de un tratamiento.
En 13 provincias del Ecuador existen 1.200 depósitos o minas entre las que se
destacan: piedra pómez, arena silícica, yeso, arcilla caliza, caolín, feldespatos,
mármol, sal común, que producen para utilizar en la industria interna y para la
exportación, estos yacimientos se encuentran en: Azuay, Cañar, Cotopaxi, Carchi,
El Oro, Esmeraldas, Guayas, Imbabura, Loja, Manabí, Pichincha y Zamora
Chinchipe.
Tan solo Guayas, Cotopaxi y Loja han sido explotados sus yacimientos con
aparente éxito. La falta de apoyo por parte del gobierno en los demás sectores
nombrados evita aumentar su producción, la corrupción y la extensa maraña
burocrática en dar las concesiones mineras también frena de sobremanera la
inversión privada para su explotación.
La inversión privada se hace necesaria debido a los altos costos que representa el
adquirir los hornos con los cuales se realiza el proceso de obtención del silicio
metalúrgico, hasta llegar al producto final requerido que son las celdas solares.
45
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3.2. Factores que afectan el costo de la fabricación de las celdas Solares.
En el análisis de los costos de fabricación de las celdas solares, componentes
principales de los paneles solares, depende de multitud de factores, desde los
técnicos (costo de inversión, tipo de equipos, mantenimiento y sobre todo la
conservación), pasando por los factores de política económica (tipo de interés y
sobre todo la inflación), medio ambientales (costo de estudios del impacto
medioambiental y ecológico) y los sociales, estos tal vez son los factores que más
afectan, debido a que aquí están inmersos intereses personales.
Al realizar una inversión de debe considerar todo lo que se conoce como costos
reales no incluido en los precios (en la compra de equipos se debe considerar todos
los gastos que conlleva el importa un equipo), el gobierno en su política económica
debe compensar en forma de exoneraciones de los impuestos, y aunque esto no
siempre se cumple o es más lento de lo que se espera, también es verdad que no se
puede evadir los impuestos de la comunidad internacional.
Hay que evaluar la economía que en el presente, afronte el Ecuador y en esa
economía, la cantidad que podamos producir y el precio de la electricidad que
también influye.
3.3. Costo de hornos para la fabricación de Celdas solares.
3.3.1. Costo de los hornos de Inducción
A continuación alguna cotizaciones:
46
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CATALOGO DE HORNOS DE INDUCCION
MODELO
DIMENSIONES
CRISOL Diámetro x Alto
POTENCIA W
PRECIO
FON - 1
70 x 65 mm
600
1725
FON - 2
60 x 120 mm
1.000
2300
FON - 3
150 x 240 mm
1.500
2988
FON - 10
230 x 250 mm
4.000
4363
FON - 30
310 x 400 mm
7.500
5063
FON - 50
360 x 490 mm
10.000
6613
FON - 65
380 x 570 mm
13.000
7487
FON - 80
430 x 570 mm
15.000
8363
FON - 100
470 x 580 mm
17.000
9850
Fuente: Fàbrica Linn High Therm GmbH, Eschenfelden, Bavaria
Este catalogo proporciona una referencia del costo, de los hornos de inducción de
poca capacidad.
Otro fabricante de hornos de inducción es seco/warwick-Polonia ofrece hornos de
mayor capacidad que son: de 600kg en 60.450 USD o 100kg en 13.000 USD.
3.3.2. Costo de hornos de Arco Eléctrico.
Este tipo de hornos debido a su alto costo son escasos en el Ecuador las dos
empresas que la poseen son ADELCA en su planta ubicada en Aloag y
NOVACERO en su planta de Laso-Latacunga.
El horno de arco de la serie HX se fabrica en INDUCTION-FURNACE que está
ubicada en Zhejiang-China.
T
El horno de arco trifásico de la serie de HX se utiliza principalmente en acero de
carbón del refinamiento o para el acero de aleación, así como para obtención de
silicio metalúrgico y su capacidad varía de 5t a 50t.
A continuación todo la gama de hornos de arco eléctrico de la serie HX de marca
INDUCTION-FURNACE.
47
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Parámetros técnicos para el horno de arco de la serie de HX, INDUCTION-FURNACE
T
T
Diámetro interno
Modelo
del recinto de
horno milímetro
HX5
3000
Capacidad
Capacidad nominal del Voltaje secundario
nominal t
TransformerKVA
del transformador
5
3200
240121
Electrodo
Peso de elevación del cuerpo
Diametro
del horno (revestimiento de
milímetro
horno incluyendo) t
300
42
Peso total t
66
3240
3400
8
HX10
3500
10
3800
15
3200
5500
8000
4200
20
HX40
HX50
4700
5000
5200
30
40
50
48
70
260139
350
63
91
280100
10000
95000
98000
100000
10000
16000
4600
350
260139
12500
HX30
240121
6300
9000
HX20
88000
90000
HX8
HX15
COSTO USD
280100
350
69
95
110000
115000
400
75
192
314116
120000
125000
130000
353137
18000
105500
450
95
243
140000
22000
480230
150000
25000
436184
170000
16000
353137
450
31500
489201
500
25000
436184
40000
547223
500
95
245
185000
140
372
200000
210000
CATALOGO DE HORNOS DE ARCO ELECTRICO DE LA SERIE HX, INDUCTION-FURNACE, ZHEJIANG-CHINA.
T
48
180000
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Debido a sus altos costos los hornos de arco eléctrico, se fabrican hornos de gran
capacidad, como se muestra en el catalogo anterior.
3.4. Precio del silicio metalúrgico y silicio solar
El precio tanto del silicio metalúrgico, como del silicio solar, varia por la escasez
(depende de la demanda) y dependiendo de las tecnologías, “ 15 el precio del silicio
TPF
FPT
metalúrgico a finales del año pasado (2008), fue de 5 USD/kg al orden de 15
USD/kg, esto incide que el precio del silicio solar, para que se ubique en el orden de
25 USD/kg a 40 USD/kg.”
Esta variación del precio del silicio tanto metalúrgico como solar, influyen en el
costo del producto final que son los paneles solares.
En el año 2008 la SECRETARIA NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA
(SENACYT) realizó la convocatoria para proyectos en las instituciones superiores
del Ecuador.
La EPN presento el proyecto
16
TPF
“Obtención de Silicio metalúrgico por reducción de
FPT
la sílice mediante carbón a nivel de laboratorio y estudio de prefactibilidad de
purificación a grado solar.” Junto a este la EPN presento el presupuesto de dicho
proyecto que es 598.181,82 USD.
Al realizar un análisis a simple vista el costo de los equipos principales, tanto para
obtener el silicio metalúrgico, como los equipos para obtener el silicio solar
requerido para la fabricación de las celdas solares, tienes un costo alto, pero se debe
tomar en cuenta que al largo plazo la inversión realizada al inicio, se convertirá en
beneficios para el Ecuador.
15
TP
PT
TP
16
PT
El precio del silicio solar y del sistema fotovoltaico, Energía solar presente y futuro, Universidad Politécnica de Madrid.
SECRETARIA NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA (SENACYT), RECURSOS NATURALES, CONVOCATORIA 2008
49
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3.5.
INGENIERIA ELETRICA
PROPUESTA DE IMPLEMENTACION DE LABORATORIO DE
INVESTIGACION.
De acuerdo a los datos obtenidos tanto en el capítulo II y capítulo III, se desprende
la propuesta de implementar un laboratorio para el estudio y experimentación en la
fabricación de celdas solares.
Este laboratorio será una propuesta para una posible implementación a futuro en la
Universidad Politécnica Salesiana.
Este laboratorio debe ser construido e implementado en un área sugerida no menor a
150m2.
P
P
El laboratorio a implementar debe contar con tres oficinas y el área industrial:
•
Oficina Administrativa
•
Oficina de Seguridad Industrial.
•
Oficina del Área Técnica.
•
Área Industrial.
Los equipos necesarios para este laboratorio son:
1. Horno de Arco Eléctrico.
2. Horno para crecimiento de silicio.
3. Cortadora de Obleas.
4. Horno de difusión.
5. Suelda para Obleas.
50
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1. Horno de arco eléctrico.
Horno Marca Brown Boveri – Unistara
Características Técnicas:
Capacidad Nominal
40 Kg de Silicio líquido
Peso Neto
100 Kg
Tipo de electrodos
Grafito diámetro 5”
Temperatura del líquido
1650°C
Tiempo de residencia del aire
2.5 Seg
Diámetro
450 mm
Control de nivel electrodos
Automatizado
Potencia
225KVA
Voltaje
480 V, 3Ǿ,
Frecuencia
50/60Hz
Factor de Potencia
≈1
Voltaje de Operación
40 V
Corriente de Operación
12000 A
Fuente: http://www.bartechmarine.com/aw/index.htm
HT
T
Precio: USD. 88.000 + IVA.
2. Horno para el proceso Czochralski o Zona Flotante.
Horno GTsolar GT-DSS450.
Características Técnicas:
•
Compartimiento de proceso de cargamento por la base para la seguridad
de empleo fácil y mejorada
•
Los módulos estandarizados del entresuelo se aseguran aprisa - sistema para arriba
•
Produce el material para la célula de la eficacia alta
•
Capacidad de la producción: Equivalente a
milímetros de eficacia 15.5% de las células.
•
Tamaño del lingote: 84 x 84 centímetros
•
Secuencia de proceso Lleno-automatizada
•
Garantía de calidad del lingote
51
> 6.2MW con 156
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•
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Fuente de alimentación High-efficiency para los ahorros de la compañía
de electricidad.
voltaje
Potencia
Factor de potencia
# de Lingotes
Tamaño de Oblea
Grueso de Oblea
Perdida en Corte
Eficiencia de Celdas
480V, 3Ø, 50/60Hz
200KVA
0.999
25
156mm
200 um
177um
15.50%
Fuente: http://www.gtsolar.com./index.php?m=products&id=7
Precio: USD. 125.500 + IVA.
3. Sierra para cortar lingotes de silicio.
Características técnicas
Sierra Synova, modelo LDS 220A.
Voltaje
Corriente
Contactos
Potencia
Medidas
220 V, 3Ø, 50/60Hz
1.8 A
220 V, 3Ø
½ HP
L: 1.5m, A:1.5m, H:1.8m
Fuente. http://www.directindustry.es/prod/synova-sa/cortadora-laser-para-oblea-53755-355212.html
Precio: USD. 15.560 + IVA.
52
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4. Horno de Difusión para Dopado de obleas, tipo N y tipo P.
Características Técnicas.
Marca DESPATCH, Modelo DCF 400
Voltaje
220V, 3Ø, 50/60Hz
Potencia
60KVA
Factor de Potencia
0.999
Tamaño (alto x ancho x
(8805 x 1310 x 1750) mm
largo)
Longitud en caliente.
3658 mm
Longitud en frio
914 mm
Tabla estandar de la entrada
457 mm
Tabla estandar de la salida
457 mm
Tipo del transportador del
Carril de Doper Multilane, anillo o
carril
gradual
Tipo del transportador del
Armadura ligera del espiral del balance
horno:
del horno, material del nicrom V
Altura del transportador
97.8 cm, ±3.8 cm
sobre piso
Separación del producto
0.25 pulgadas (6.4 milímetros)
Número de carriles (156 x
2
156 milímetros)
Anchura del transportador
254 milímetros
Capacidad de proceso
Temperatura Máxima
1000°C (°F 1832)
Rendimiento Aprox. de
Escala R&D
procesamiento (156 x 156
milímetros)
velocidad del transportador
5-51 cm/min (2-20 ipm)
exactitud de la velocidad
± 0.5%
del transportador
control de la velocidad del
Closed loop feedback
transportador
Tamaño de oblea
100x100, 125x125, 156x156 mm
Resistencia de hoja
40-80 ohm/sq configurable
Fuente: http://www.directindustry.es/prod/despatch-industries/horno-de-difusion-deT
HT
infrarrojos-19331-323938.html.
TH
Precio: USD. 78.900 + IVA.
53
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5. Soldadura por resistencia con electrodos paralelos (resistance parallel
gap welding).
Características Técnicas:
Soldadora MWS-1 marca MARSILLI
Voltaje
Potencia Nominal
Potencia de Instalacion
Fusible (accion Retardada)
Peso
Max corriente :
fuerza
Max. Toque de electrodo:
T
Control de Soldarura
Movimiento de electrodo.
sitema de deteccion de
posicion
Sistema de repetitibilidad
tiempo de Regulación del
proceso:
Max. Diemncion del
electrodo
Base de electrodo
dimension:
tiempo minimo de suelda
Tipos de programación::
220V, 3Ø, 50/60Hz
60KVA
60KVA
150 A
800 Kg
2500 A
25 daN
36 mm (2 X 18 mm o 1 X 18
mm)
alternates, mis frequency,
transistor suplentes, frecuencia
del mis, transistor
codificador lineal óptico sin
cepillo del servo motor (resol.
0.5 micrones)
transductor piezoeléctrico del
empuje (resol.25 cN)
100%
0,25 msec
T
T
T
Fuente:
T
T
36 mm2
T
T
En frio, ofreciendo un cambio
rápido
212 X 280 X 107 mm
10 msec
La PC dedicada en la
plataforma Windows,
RS232/485, PUEDE abrirse
T
T
http://www.directindustry.es/prod/marsilli-deutschland/maquina-de-soldar-porHT
puntos-para-conectores-electronicos-15964-382784.html
T
Precio: USD. 55.545 + IVA.
54
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3.5.1. DIAGRAMA DEL PROCESO DE LABORATORIO
55
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Todas las áreas de trabajo en este laboratorio deberán estar en condiciones de orden
y limpieza acorde con las tareas que allí se realizan.
Área de trabajo incluye maquinarias, materiales, herramientas, pasillos, zonas de
tránsito, patios, oficinas, depósitos, etc.
Se entiende por condiciones aceptables a las siguientes: limpieza regular de patios,
oficinas, pasillos, zonas de tránsito y depósitos, limpios con ausencia de residuos,
tierra, líquidos u otros productos que puedan afectar a la salud o causar un
accidente.
Además de los equipos antes mencionados, se debe implementar una cámara de
transformación de 500 KVA.
Características del Transformador:
•
Tipo de enfriamiento: OA
•
No. de fases: 3
•
Frecuencia: 60 Hz
•
Voltaje de AT: 22.8 KV
•
Derivación en AT: +/-2x2.5%
•
Conexión AT: Delta
•
Voltaje de BT: 480Y/254 V
•
Conexión BT: Estrella
•
Altura de operación: 3000 m.s.n.m.
•
Líquido refrigerante: Aceite mineral
•
Elevación de temperatura: 65°C sobre un ambiente máximo de 40°C y
promedio de 30°C en un período de 24 horas.
DIMENSIONES (m)
Potencia
500 KVA
Tension
(KV)
22.8
Largo Ancho Alto
1.32
1.65 1.41
Aceite
(L)
460
Peso Total
(Kg)
1740
Fuente: INATRA. Costo del Transformador: USD. 12.800,00 incluido IVA.
El costo de para implementar esta cámara es de USD. 25.000,00 incluido IVA.
(Fuente INATRA).
56
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3.5.1. Presupuesto
De acuerdo a los datos técnico-económicos obtenidos de los equipos necesarios para
la implementación del laboratorio se desprende el presupuesto necesario para
adquirir dichos equipos.
Equipos
Valor USD
Horno de Arco Eléctrico
98.560,00
Horno de Crecimiento de Silicio
140.560,00
Cortadora de Obleas
17.427,20
Horno de Difusión
88.368,00
Soldadora de electrodos paralelos
62.210,40
Cámara de Trasformación
25.000,00
Total + IVA
494.336,60
En el valor del presupuesto se incluye el IVA a todos los equipos.
57
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PLANO DEL LABORATORIO
58
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CAPITULO IV
PERSPECTIVAS DE DESARROLLO DE SISTEMAS DE
PANELES SOLARES EN EL ECUADOR.
4.1. Consideraciones geográficas y climáticas.
El Ecuador es un país con características topográficas muy variadas, de gran
diversidad climática y condiciones únicas que le confieren un elevado potencial de
energías renovables y limpias, las cuales no pueden quedar al margen del Inventario
de los Recursos Energéticos para Producción Eléctrica del Ecuador, pues las
condiciones de cobertura y satisfacción de la demanda que se presentan en la
actualidad.
Como ya se señaló en los capítulos anteriores, Ecuador cuenta con diversos recursos
minerales diseminados por todo su territorio.
Además de los ya conocidos como el petróleo y el oro, existen otros minerales no
explotados de forma comercial hasta el momento.
Entre los minerales no metálicos destacan las explotaciones de calizas y de arcillas
como materias básicas para la producción de cemento, con cuatro plantas para su
procesamiento.
Otras producciones menores son las de yeso, cal, diversos caolines, carbón, azufre,
mármol, arenas silíceas y fosfatos.
La tabla 4. Muestra la producción de los minerales no metálicos del Ecuador, del
año 2003 al 2008
59
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PRODUCCIÓN DE MINERALES NO METÁLICOS en Toneladas
Mineral
2003
2004
2005
2006
2007
2008
Caliza (gr)
3.659.902
3.159.771
3.851.452
4.306.665
4.088.941
3.490.754
283.142
277.929
379.069
279.439
53.822
835.867
2.253
3.251
10.965
5.691
10.297
10.321
12.014
6.380
4.230
6.622
45.054
86.541
135
392
512
1.118
511
431.758
23.239
35.508
38.056
33.534
26.486
24.070
1.711
1.962
2.879
2.572
10.948
172.225
...
...
...
...
...
231.875
Arcilla
Feldespato
Caolín
Bentonita
Sílice
Mármol
Pómez
(gr) En gramos.
Fuente: Ministerio de Energía y Minas.
Por el Ecuador continental atraviesa de norte a sur la cordillera de los Andes que
divide al país en tres regiones muy bien definidas: Costa, Sierra o Región
Interandina y Oriente o Región Amazónica.
La presencia de la cordillera y de las corrientes fría de Humboldt y cálida del Niño
modifican las condiciones de clima, precipitación pluviométrica, radiación solar,
viento, etc. Lo que añadido al ecosistema le dan a cada región una particularidad
climática propia. Como consecuencia de ello el potencial de las fuentes nuevas y
renovables de energía, en las formas de energía solar, recursos hídricos, biomasa,
etc. Es muy importante, especialmente por la diversidad de aplicaciones que se
pueden derivar de éstas para los diferentes estratos de la población rural y urbana.
Además del gran potencial minero (arena silícea),
que posee el Ecuador, la
insolación es un parámetro clave en los sistemas de Paneles solares.
Los factores principales que afectan la insolación sobre una superficie captadora son
las condiciones climáticas y el ángulo de la superficie con respecto a la posición del
sol.
60
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INGENIERIA ELECTRICA
En lugares donde los días nublados son latitud del lugar sobrepasa los 150, los días
P
P
de invierno son apreciablemente más cortos que los días de verano. Esto resulta en
una mayor insolación promedio en el verano.
Existen mapas de insolación de todos los meses del año, para las diferentes regiones
y épocas del año provenientes. En Anexo 2 contiene información de la insolación
para las diferentes regiones del Ecuador.
61
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INGENIERIA ELETRICA
4.2. Mapa de insolación difusa promedio del Ecuador año 2008
62
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INGENIERIA ELECTRICA
La cantidad de insolación global o total que incide al día sobre la superficie
terrestre, se expresa en Kwh/m2/día ó su equivalente en horas de Sol máximo u
horas de sol pico (HSP).
Mediante la cantidad de insolación solar podemos calcular o diseñar el número de
módulos solares (paneles solares).
Para calcular los módulos solares utilizamos valores de insolación difusa promedio,
debido a que la insolación difusa se recibe de la atmósfera como consecuencia de la
dispersión de parte de la radiación del sol en la misma.
Esta energía podría suponer aproximadamente un 15% de la insolación en los días
soleados, pero en los días nublados, en los cuales la insolación directa es muy baja,
la insolación difusa supone un porcentaje mucho mayor.
Por otra parte, las superficies horizontales son las que más insolación difusa reciben,
ya que "ven" toda la semiesfera celeste, mientras que las superficies verticales
reciben menos porque solo ven la mitad de la semiesfera celeste.
4.2.1. Diseño de sistemas de módulos solares.
Se le denomina dimensionado o diseño de un sistema solar fotovoltaico a una serie
de procesos de cálculo que logran optimizar el uso y la generación de la energía
eléctrica de origen solar, realizando con un balance adecuado entre ellas, desde los
puntos de vista técnico y económico.
El primer aspecto que debemos considerar a la hora de realizar el diseño es el
consumo racional de la energía.
Para conocer cuánta energía eléctrica se requiere en el objetivo a electrificar, se
deben tener en cuenta las características eléctricas de los equipos a alimentar y el
tiempo de empleo por parte del usuario del sistema. Es decir, se hace necesario
conocer o estimar la corriente y la tensión o voltaje de trabajo de los equipos
63
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INGENIERIA ELECTRICA
instalados y el número de horas diarias de trabajo, teniendo en cuenta las posibles
ampliaciones que en el futuro se hagan en la instalación proyectada.
Un sistema de celdas solares puede abastecer a cualquier artefacto eléctrico. La
siguiente tabla muestra el consumo promedio de energía que registran los más
utilizados.
ARTEFACTO
REQUERIMIENTO
DE POTENCIA (w)
Lámpara ahorradora 8-23
8-23
Tubo fluorescente
15-40
Foco (bombilla) incandescente
25-100
Radio Tocacintas B/N
12-30
Televisor pequeño
15
Televisor pequeño a color
40
Computadora pequeña
150
Refrigerador
100-400
Horno Microondas
1000
Calentador Eléctrico
1500
Unidad de aire acondicionado
1500
Tabla 5. Fuente: ATLAS SOLAR DEL ECUADOR CON FINES DE GENERACIÓN ELÉCTRICA
Como segundo aspecto a tener en cuenta en el diseño y no de menos importancia
está la disponibilidad en el sitio de instalación del recurso solar.
4.2.1.1. Calculo Práctico de Numero de Paneles solares
Un refugio de selva se encuentra situado en las afueras de la parroquia de Pacayacu,
a orillas del Río Aguarico, en la provincia de Sucumbíos. No dispone de servicio
eléctrico y debido a su alejamiento del centro poblado más cercano, se ha decidido
como opción más rentable el uso de celdas solares para cubrir
las necesidades energéticas del mismo.
64
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INGENIERIA ELECTRICA
En la zona se registra una insolación difusa promedio anual de 2,9 kWh/m2/día,
P
P
valor obtenido a través de la información del “Mapa de Insolación difusa promedio
del Ecuador”
Características del sistema
En el refugio existen las siguientes cargas:
• 10 puntos de luz: 20 W por punto (corriente continua, 12 V)
• Usos varios: radio, cargador de celular, televisión: 120 W (corriente alterna, 110
V)
Los tiempos de uso de estas cargas por día son:
• Puntos de luz: 5 horas
• Usos varios: 3 horas
Para el cálculo de los paneles solares, vamos a trabajar con módulos
monocristalinos de 100 W, que son los más costo-eficientes del mercado local.
• Corriente máxima (pico): 5,72 A (Dado por catalogo)
Desarrollo:
Determinamos las cargas de CC (12V) y CA (110V) en Wh/día.
Cargas CC: cg *ud*pg
10*5horas/dia*20W=1000 Whoras/dia (EC.1)
Cargas CA: cg *ud*pg
1*2horas/dia*120W=240 Whoras/dia (EC.2)
cg: cantidad de cargas
ud: uso diario en horas
pg: potencia de la carga
Para poder segur realizando los cálculos hay que tomar en cuenta el número total de
cargas en CA se transforma en CC para estandarizar los cálculos posteriores.
El factor 1,20 representa las pérdidas del inversor de voltaje, este valor es la ayuda
para proseguir los cálculos.
65
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INGENIERIA ELECTRICA
Carga diaria CA equivalente en CC:
(Ec.2)*1.20
240 Whoras/dia*1,20=288 Whoras/dia en CC (Ec.3)
Carga Maxima Pico: PCA*CG
120*1= 120W
PCA: potencia diara en CA
CG: cantidad de carga en CA
Corriente Pico del Modulo:
(Ec.1+Ec.3)/Ts
(1000 Whoras/dia+288 Whoras/dia)/12v=107.333 A horas (Ec.4)
Ts: Tension del sistema
Corriente de Carga:
(Ec.4)*Fps
107.333 A horas*1.20= 128.8 A horas (Ec.5)
Fps: factor de pérdidas del sistema
Corriente Pico del Sistema:
(Ec.5)/Rs
128.8 A horas/2,9 kWh/m2/día= 44.41 A (Ec.6)
P
P
Rs: Radiación solar
Dimensionamiento de módulos de celdas solares.
Arreglo de módulos= (Ec.6) / Corriente Pico del Panel (Dado por catalogo)
= 44.41 A/5,72 A
= 7.76 que equivale a 8 (Ec.7)
Factor de Voltaje= Vs/V(voltaje catalogo del panel)
= 12/12
66
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INGENIERIA ELECTRICA
=1
Número Total de Módulos= Arreglo de módulos (Ec.7)*factor de voltaje
=8*1
= 8 (Numero de Modulos solares)
4.3. ANALISIS LEGAL.
4.3.1. Legislación Minera
En las leyes del Ecuador, en especial para realizar la explotación minera en sus
artículos dice:
6
PF
“Art. 16.- Actividad Minera Nacional. La actividad minera nacional se desarrolla
FP
por medio de la gestión estatal, mixta, comunitaria o de autogestión y privada.
7
PF
El Estado ejecuta sus actividades mineras por intermedio de la Corporación de
FP
Desarrollo e Investigación Geológico - Minero Metalúrgica, la que podrá constituir
compañías de economía mixta.
Las actividades comunitarias o de autogestión y la privada gozan de las garantías
que les corresponde y merecen la protección estatal, en la forma establecida en esta
Ley.
Art. 17.- Actos societarios y afiliación. La Superintendencia de Compañías, en
forma previa a la aprobación de la constitución, domiciliación, aumento de capital
o reforma de estatutos de las compañías en cuyo objeto social figure la realización
de actividades mineras en cualquiera de sus fases, requerirá la afiliación a una de
las Cámaras de Minería del Ecuador de conformidad con la Ley.
Art. 18.- Fases de la actividad minera. Para efectos de aplicación de esta Ley, las
fases de la actividad minera se clasifican en:
6
LEY DE MINERIA. Ley 126, Registro Oficial Suplemento 695 de 31 de Mayo de 1991.CONGRESO NACIONAL,EL PLENARIO DE LAS
COMISIONES LEGISLATIVAS, ART. 16, 17, 18
P
P
P
7
LEY DE MINERIA. Ley 126, Registro Oficial Suplemento 695 de 31 de Mayo de 1991.CONGRESO NACIONAL,EL PLENARIO
DE LAS COMISIONES LEGISLATIVAS, ART. 16, 17, 18
P
67
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a)
8
PF
INGENIERIA ELECTRICA
Prospección, que consiste en la búsqueda de indicios de nuevas áreas
FP
mineralizadas;
b) Exploración, que consiste en la determinación del tamaño y forma del
yacimiento, así como del contenido y calidad del mineral en el existente. La
exploración incluye también la evaluación económica del yacimiento;
c) Explotación, que comprende el conjunto de operaciones, trabajos y labores
mineras destinadas a la preparación y desarrollo del yacimiento y a la
extracción y transporte de los minerales;
d) Beneficio, que consiste en el tratamiento de los minerales explotados para elevar
el contenido útil o ley de los mismos;
e) Fundición, que comprende los procedimientos técnicos destinados a separar los
metales de los correspondientes minerales o concentrados producidos en el
beneficio;
f) Refinación, que consiste en los procedimientos técnicos destinados a convertir los
productos metálicos en metales de alta pureza; y,
9
PF
g) Comercialización, que consiste en la compraventa de minerales o la
FP
celebración de otros contratos que tengan por objeto la negociación de cualquier
producto resultante de la actividad minera.”
En 1991 se promulgó la ley de minería vigente. En el 2007 se han incorporado
modificaciones a este marco legal que, manteniendo los principales criterios de la
actual ley, incorporan aspectos como 5 “título único, patente creciente, eliminación
P
P
de regalías, que son condiciones de mayor competitividad y transparencia, mayor
8
LEY DE MINERIA. Ley 126, Registro Oficial Suplemento 695 de 31 de Mayo de 1991.CONGRESO NACIONAL,EL PLENARIO
DE LAS COMISIONES LEGISLATIVAS, ART. 16, 17, 18
4
LEY DE MINERIA. Ley 126, Registro Oficial Suplemento 695 de 31 de Mayo de 1991.CONGRESO NACIONAL,EL PLENARIO
DE LAS COMISIONES LEGISLATIVAS, ART. 16, 17, 18
5
SUBSECRETARIA
DE
MINAS,
DIRECCION
NACIONAL
DE
MINAS,
Legislación
Minera.
http://www.mineriaecuador.com/Paginas/Leg_minera.htm
P
TP
P
PT
68
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INGENIERIA ELECTRICA
control ambiental durante todas las fases de operación minera y consulta a las
comunidades, a fin de asegurar la sostenibilidad social y ambiental de las nuevas
inversiones.”
La nueva ley minera realizada en la asamblea nacional del 2007, afecta de cierta
manera para la explotación de la arena silícea, pues para la explotación industrial, o
gran escala se debe cumplir ciertos requisitos, requisitos que se nombran
anteriormente.
4.4. Leyes del sector eléctrico ecuatoriano para energías no
convencionales
En las leyes ecuatorianas, específicamente en la ley del régimen del sector eléctrico
dice:
Art. 4.- Ámbito de Aplicación
6 7
“ La presente Ley regula las actividades de generación de energía eléctrica que se
TPF
FPT
TPF
FPT
origine en la explotación de cualquier tipo de fuente de energía, 8 cuando la
TPF
FPT
producción de energía eléctrica es colocada en forma total o parcial en el Sistema
Nacional Interconectado (SNI), o en un sistema de distribución y los servicios
públicos de transmisión, distribución y comercialización de energía eléctrica, así
como también su importación y exportación.
Tales actividades y servicios podrán ser delegados al sector privado de
conformidad con lo previsto en esta Ley ”
Es importante recalcar que las fuentes de energía no convencionales están
contempladas en dicha ley, fomentar el desarrollo y uso de los recursos energéticos
no convencionales a través de los organismos públicos, las universidades y las
instituciones privadas.
6
Reforma del primer inciso del Art. 4, mediante Ley 2000-1 (Ley para la Promoción de la Inversión y la Participación Ciudadana)
publicada en el Suplemento del Registro Oficial No.144 de 18 de agosto de 2000.
7
Reforma del segundo inciso del Art.4, Ley Reformatoria N°58 publicada en el suplemento del Registro Oficial N°261 del 19 de
febrero de 1998.
8
Ley de Régimen del sector eléctrico, Capitulo II
TP
PT
TP
PT
TP
PT
69
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INGENIERIA ELECTRICA
Es así que la ley favorece la utilización de energías no convencionales, como fuente
7B
de energía a ser explotada y ser abalizadas por los organismos de control para
posibilidades que estos sistemas brindan.
En la actualidad se han construido varias aplicaciones con energía no
convencionales y que fueron fomentados por la misma ley.
Esta ley dice:
Art. 63.8B
9
TPF
El
FPT
Estado fomentará el desarrollo y uso de los recursos energéticos no
convencionales a través de los organismos públicos, la banca de desarrollo, las
universidades y las instituciones privadas.
10
TPF
El CONELEC asignará con prioridad fondos del FERUM a proyectos de
FPT
electrificación rural a base de recursos energéticos
11
TPF
no convencionales tales como
FPT
energía solar, eólica, geotérmica, biomasa y otras de similares características.
Art. 64.9B
El Consejo Nacional de Electrificación dictará las normas aplicables para el
despacho de la electricidad producida con energías no convencionales tendiendo a
su aprovechamiento y prioridad.
Art. 67.10B
Exonérase el pago de aranceles, demás impuestos adicionales y gravámenes que
afecten a la importación de materiales y equipos no producidos en el país, para la
investigación, producción, fabricación e instalación de sistemas destinados a la
utilización de energía solar, eólica, geotérmica, biomasa y otras previo el informe
favorable del CONELEC.
TP
9
Ley del Régimen del sector eléctrico, capítulo XI, CONELEC.
PT
10
TP
PT
TP
11
PT
Ley del Régimen del sector eléctrico, capítulo XI, CONELEC.
Ley del Régimen del sector eléctrico, capítulo XI, CONELEC.
70
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INGENIERIA ELECTRICA
Art. 68.Exonérase del pago de impuesto sobre la renta, durante cinco años a partir de su
instalación a las empresas que, con su inversión, instalen y operen centrales de
producción de electricidad usando los recursos energéticos no convencionales
señalados en el inciso anterior.
Estos proyectos son enfocados a satisfacer necesidades básicas de sectores alejados
o donde la energía convencional no llega, o donde tardaría muchos años en llegar.
En la actualidad se han implementado varios sistemas de energía solar fotovoltaica
aisladas, las mismas que satisfacen bajas potencias de consumo a viviendas
unifamiliares, escuelas o colegios y centros de salud de poblaciones rurales.
El Ministerio de Electricidad y Energía Renovable del Ecuador instalo en la
provincia de Esmeraldas 604 paneles Solares fotovoltaicos para dotar del servicio
eléctrico a alrededor de 3500 personas que habitan en zonas alejadas de la red de
transmisión nacional.
El Ministerio aplico un modelo participativo de gestión adaptado al entorno social y
cultural de la región.
Este proyecto de electrificación rural tiene una potencia total de 103,7 kW repartida
en 171 paneles de 100Wp, y otros 433 de 200 Wp.
Con el apoyo del Gobierno Nacional y de varios organismos de cooperación
internacional, en la isla Floreana, ubicada en el Archipiélago de Galápagos, cuenta
con sistema hibrido de generación de energía eléctrica (diesel-fotovoltaico) para
atender la demanda de sus 200 habitantes, sin perjudicar este frágil entorno natural.
El sistema funciona en forma alternada, mientras opera la planta a diesel, la central
fotovoltaica carga sus baterías.
71
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INGENIERIA ELECTRICA
La instalación cuenta con dos campos de placas fotovoltaicas, cada una de 10,8
kilovatios pico (Wp).
Su operación aporta con el 30% del consumo de la Isla y permite contar con el
servicio durante las 24 horas del día.
La iniciativa se enmarca dentro del proyecto “Cero Combustibles Fósiles en
Galápagos”, que impulsa el Ministerio de Electricidad y Energía Renovable para el
desarrollo sustentable del Archipiélago y la reducción de emisiones contaminantes
de CO 2 , mediante el uso de energía fotovoltaica y eólica, además de
R
R
biocombustibles que sustituyan al diesel usado en las actividades de transporte y
generación eléctrica.
4.5. TENDENCIAS FUTURAS.
4.5.1. Programas Internacionales de Energías renovables.
4.5.1.1. 12 Programa Eurosolar
TPF
FPT
Antecedentes
El 21 de diciembre de 2006 la Comisión Europea y el Gobierno del Ecuador
suscribieron el Convenio de Financiación ALA/2006/017/223 (CF) para llevar a
cabo el Programa EURO-SOLAR, conjuntamente con otros 7 países de América
Latina: El Salvador, Guatemala, Honduras, Nicaragua, Bolivia, Peru y Paraguay.
El objetivo general del Programa EURO-SOLAR es promover las energías
renovables en los 8 países más pobres de América Latina (Bolivia, Ecuador, El
Salvador, Guatemala, Honduras, Nicaragua, Paraguay y Perú) para contribuir a
mejorar las condiciones de vida de las comunidades rurales, apoyándolas en su
lucha contra la pobreza, el aislamiento y la marginalización de sus condiciones
socio-económicas.
TP
12
PT
www.conelec.gov.ec.Energía/glosario_energia.pdf
72
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INGENIERIA ELECTRICA
Figura 1: Programa Euro-Solar a nivel regional
El objetivo específico del Programa EURO-SOLAR es proporcionar a las
comunidades rurales beneficiarias, privadas del acceso a la red eléctrica, una fuente
de energía eléctrica renovable para uso estrictamente comunitario. En cada
comunidad se instalará un kit estándar compuesto por paneles fotovoltaicos y un
aerogenerador para la producción de energía. El sistema incluirá también sistemas
de telecomunicaciones, iluminación de instalaciones comunitarias, equipos
informáticos, un refrigerador para medicinas, un cargador de baterías y un
purificador de agua.
73
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INGENIERIA ELECTRICA
Figura 2: Esquema del sistema (en el caso del Ecuador la solución establecida es 100% fotovoltaica)
En Ecuador, serán beneficiarias del Programa EURO-SOLAR 91 comunidades que
adicionalmente contarán con acceso a servicios de telecomunicación al instalar en
cada una de ellas una antena parabólica que permita a las comunidades acceder a
Internet y a telefonía IP. Este conjunto de facilidades tecnológicas beneficiarán en
forma especial a la población estudiantil, pero también se aspira que el impacto de
los servicios disponibles llegue a la población adulta, mejorando integralmente la
calidad de vida de todos los habitantes de las comunidades beneficiadas y también
de aquellos que se encuentran en sus alrededores.
En lo principal, el Programa EURO-SOLAR involucra el desarrollo de dos macro
componentes, en la escala de trabajo considerada y que compete a nivel de país:
a) La identificación, selección y capacitación de 91 comunidades rurales, de
manera que dispongan de los conocimientos suficientes en los diferentes
ámbitos para que como resultado de éste proceso sea la propia comunidad la que
cuente con una organización básica, información, capacidad de gestión y
herramientas suficientes para que administre, provea los servicios y mantenga
en funcionamiento el equipamiento recibido.
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b) Estructuración de los documentos pre-contractuales y contractuales para llevar
a cabo la licitación, adquisición, suministro, transporte, instalación y
verificación del buen funcionamiento de dicho equipamiento.
Según el CF, la ejecución del Programa EURO-SOLAR estará a cargo de una
Célula Nacional de Coordinación (CNC) conformada por la entidad
gubernamental encargada en cada país participante, la cual contará con el apoyo
de la Asistencia Técnica Internacional (ATI) contratada para el efecto por la
Comisión, Europea.
c) La CNC ecuatoriana está conformada por representantes del Ministerio de
Electricidad y Energía Renovable (MEER) y el Jefe País de la ATI. La CNC
cuenta con el apoyo del Consejo Nacional de Telecomunicaciones (CONATEL),
a través del Fondo de Desarrollo de las Telecomunicaciones Rurales y Urbano
Marginales (FODETEL) de la Secretaría Nacional de Telecomunicaciones
(SENATEL).
La comunidad Cerritos de los Morreños, ubicada en la parroquia Ximena, en el sur
de Guayaquil, es uno de los sectores seleccionados por el Ministerio de Electricidad
y Energía Renovable para ser beneficiado con dotación de energía solar, ya que
debido a su ubicación geográfica (hora y media en lancha desde las riveras del
Estero Salado) no tienen servicio eléctrico.
Para este fin el Ministerio de Electricidad ejecuta el programa Euro Solar, que es
una iniciativa de la Comunidad Europea y que involucra a 8 países de Centro y Sur
del continente americano.
En Ecuador, el plan busca dotar de energía solar a 91 comunidades rurales de 7
provincias del país.
El director Nacional de Energía Renovable y Eficiencia Energética del Ministerio
de Electricidad, Ramón Rodríguez, explica que en cada comunidad se instalará un
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kit estándar compuesto por paneles fotovoltaicos y un aerogenerador para la
producción de energía. Los kits serán donados por la Comunidad Europea.
Destaca que el plan incluirá también sistemas de telecomunicaciones, iluminación
de instalaciones comunitarias, equipos informáticos, un refrigerador para vacunas,
un cargador de baterías y un potabilizador de agua.
Según datos de la Subsecretaría de Energía Renovable y Eficiencia Energética, el
programa, que inició el 18 de enero de 2007, tendrá una duración de 48 meses, de
los cuales 42 serán para realizar la fase operativa y los 6 restantes el cierre, tiempo
en el que se prevé cubrir las zonas incluidas en el plan.
El programa de energía renovable cuenta con un presupuesto de 4’360.083,00 euros
(5’634.535,26 dólares). De este monto 3’450.083,00 euros (4’458.542,26 dólares)
son aportes de la Unión Europea y 910.000 euros (1’175.993,00 dólares) del Estado
ecuatoriano.
Los países que integran el programa Euro Solar cuentan con una Célula Nacional de
Coordinación. En el caso de Ecuador el comité de seguimiento está integrado por el
Ministerio de Educación, el Ministerio de Salud y el Consejo Nacional de
Electricidad (Conelec).
A más de esta iniciativa de Gobierno, organizaciones no gubernamentales también
impulsan el uso de energía renovable en el país.
4.6. Productores mundiales de energía fotovoltaica.
10
PF
JAPÓN: Actualmente, es el principal país productor de energía fotovoltaica a
FP
nivel mundial, el segundo puesto lo ocupa ALEMANIA.
ESPAÑA: Es uno de los países europeos con niveles más altos de radiación solar y
tiene un elevado mercado potencial interior en sistemas conectados a la red. Pero,
P
10
P
Gregorio Gil García. ENERGIAS DEL SIGLO XXI. 2008.
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por contra, en la implantación de energía solar se encuentra por detrás de países
nórdicos como Suecia, Holanda o Alemania.
En España inciden 1.500 Kwh/m2 que se pueden aprovechar directamente (calor) o
P
P
se pueden convertir en otra fuente de energía (electricidad).
La producción mundial de módulos fotovoltaicos viene creciendo desde el año
2000 en un 30% anual y actualmente España es considerada, junto con Estados
Unidos, Israel y Australia, como uno de los grandes inversores mundiales en el
desarrollo de la energía solar para producir electricidad.
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CONCLUSIONES
•
Se concluye del presente estudio que las celdas solares es factible fabricar en el
Ecuador, ya que nuestro país cuenta con los recursos naturales suficientes y
necesarios (arena silícica y sol).
•
El estudio realizado muestra que la arena silícica es abundante en el Ecuador,
pero debido al desconocimiento y a la falta de tecnología, no se aprovecha sus
beneficios, ya que es únicamente utilizado para satisfacer las necesidades de
pequeñas fábricas de vidrio, botellas, etc.
•
Una de las razones para que las diferentes empresas dedicadas a la metalurgia
(fundiciones) en nuestro país, no se dediquen a la obtención de silicio para
celdas solares, es debido a los altos costos que poseen los equipos necesarios
para obtener dicho silicio, pues más barato resulta obtener acero que el silicio
solar.
•
Los hornos de Arco eléctrico y hornos de inducción, que existen en la industria
ecuatoriana son utilizados para la obtención de acero a pequeña y gran escala.
Las empresas que los poseen se dedican a la fundición de chatarra debido a que
esta actividad les deja grandes réditos económicos.
•
Del presente estudio se desprende fundamentos técnico-económicos que
contribuirán a desarrollar la energía fotovoltaica, que es una de las aplicaciones
con mayor futuro. Y que ayudará a cambiar el actual carácter marginal, de la
energía solar en nuestro país.
•
El gran potencial de insolación solar, de la cual se beneficia nuestro país
durante todo el año contribuye a que en lugares marginales donde no llega la
energía eléctrica convencional, se pueda aplicar sistemas de celdas solares
fotovoltaicas para satisfacer una de las necesidades básicas.
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•
INGENIERIA ELECTRICA
El consumo de energía eléctrica en el Ecuador ha aumentado desde 1990 en
promedio del 8.55% anual. La energía hidráulica aunque sigue siendo la que
más aporta al suministro de energía eléctrica, solo ha tenido un incremento del
10% desde el año 1990 hasta el 2008, frente al promedio del 13.54% que en el
mismo periodo ha tenido la energía térmica, que utiliza como fuentes primarias
los derivados del petróleo.
•
El consumo de energía eléctrica en el mundo hasta el año de 1995, se basa
principalmente en los combustibles fósiles: petróleo 32,5%, carbón 26,5% y gas
natural 18%, en segundo lugar se encuentra las energías renovables: energía
hidráulica 6%, solar y eólica con 0.5%, biomasa 11,5% y en último lugar la
energía nuclear con 5%.
•
El estudio realizado propicia la creación de un laboratorio de Metalurgia con
fines de experimentación y educativos para la Universidad Politécnica
Salesiana, tanto para las carreras de Ingeniería Eléctrica y Mecánica.
•
Las celdas solares no contaminan el medio ambiente. La implantación del
sistema fotovoltaico renovable de energía repercute en la disminución de CO2, y
por tanto la reducción de la contaminación atmosférica, del efecto invernadero y
del cambio climático que de el se deriva. La instalación fotovoltaica no
contamina ni química, ni electromagnética, ni acústicamente, siendo altamente
recomendable para la conservación del medio ambiente, lo que no ocurre con las
centrales térmicas que a pesar de tener límites permisibles por el Ministerio del
Ambiente, siguen contaminando.
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RECOMENDACIONES
•
Incentivar a entes gubernamentales o la empresa privada, apoyen a
Universidades, Escuelas Politécnicas y otras instituciones a fines, con la
implementación de laboratorios que ayuden a la experimentación de fabricar
celdas solares en nuestro país.
•
Concienciar a la sociedad en general que la implementación de los sistemas de
celdas solares fotovoltaicas, son fuentes de energías alternativas que dan
soluciones integrales, con beneficios particulares y sociales que deben ser
aprovechados.
•
Es necesario apoyar proyectos como el de la EPN “Obtención de Silicio
metalúrgico por reducción de la sílice mediante carbón a nivel de laboratorio y
estudio de prefactibilidad de purificación a grado solar.” Debido a que este es
el único proyecto que se ha presentado al gobierno para la implementación de
este tipo de laboratorio.
•
La Universidad Politécnica Salesiana debe incentivar la investigación
de
proyectos como él, del presente estudio. Esto se logrará únicamente si la
Universidad poseería la infraestructura necesaria, como laboratorios que ayuden
a la investigación.
•
Es muy importante, que debido a que en nuestro país existe el potencial para
fabricar y montar pequeños sistemas de generación fotovoltaica. Las empresas o
comunidades que estuviesen dispuestas a apoyar este tipo de proyectos,
aprovechen que el CONELEC según la LEY DEL SECTOR ELECTRICO Art.
28 expresa: que se asegura con prioridad fondos del FERUM a proyectos de
electrificación rural basados en recursos energéticos no convencionales tales
como la energía solar, eólica, geotérmico, biomasa y otros de similares
características, debería propulsar estos proyectos a lo largo de nuestro país.
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ANEXOS
Anexo 1
Método de Czochralski
El proceso o método de Czochralski consiste en un procedimiento para la
obtención de lingotes monocristalinos. Fue desarrollado por un científico polaco
H
H
H
H
llamado Jan Czochralski.
H
H
Este método es utilizado para la obtención de silicio monocristalino mediante un
H
H
cristal semilla depositado por un baño de silicio. Es de amplio uso en la industria
H
H
electrónica para la obtención de wafers u obleas, destinadas a la fabricación de
H
H
H
H
transistores y circuitos integrados.
H
H
H
H
El método consiste en tener un crisol que contiene el semiconductor fundido, por
ejemplo germanio. La temperatura se controla para que esté justamente por encima
H
H
del punto de fusión y no empiece a solidificarse. En el crisol se introduce una varilla
H
H
que gira lentamente y tiene en su extremo un pequeño monocristal del mismo
semiconductor que actúa como semilla. Al contacto con la superficie del
semiconductor fundido, éste se agrega a la semilla, solidificándose con su red
cristalina orientada de la misma forma que aquella, con lo que el monocristal crece.
La varilla se va elevando y, colgando de ella, se va formando un monocristal
cilíndrico. Finalmente se separa el lingote de la varilla y pasa a la fusión por zonas
H
H
para purificarlo.
El grosor del lingote depende del control de temperatura y la velocidad de la varilla.
Cuando la temperatura asciende, el propio lingote se va fundiendo, pero si
desciende, se forman agregados que no son monocristalinos.
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GRAFICO DEL METODO
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METODO DE ZONA FLOTANTE
El método de Zona Flotante produce silicio más puro que el método de
Czochralski, debido a que este método el Silicio no se contamina en el crisol como
en el método de Czochralski. En el método de Zona Flotante, se coloca la barra de
Si-poli sobre una semilla. Una bobina induce un campo eléctrico, calentando la
barra y la interface entre la semilla y el material. A medida que se desplaza la
bobina alejándose de la semilla, el Silicio solidifica con la misma estructura de la
semilla. El Silicio fundido se sostiene entre las dos gracias a la tensión superficial.
Método de Zona Flotante.
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ANEXOS 2
Mapas de insolación mensual del Ecuador año 2008
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BIBLIOGRAFIA
•
GOMES GONZÁLES, Isidro, Técnicas y Procesos en las Instalaciones
Eléctricas.
•
HANS, Rau, Energía Solar, Aplicaciones Prácticas.
•
CONELEC 2008, Atlas Solar del Ecuador, con fines de generación
eléctrica.
•
ENERGÍA PARA TODOS, Revista Coleccionable, Marzo 2008
•
GARCÍA, Gregorio Gil. ENERGIAS DEL SIGLO XXI. 2008.
•
CONELEC, Ley del Régimen del sector eléctrico, capítulo XI
•
LEY
PARA
LA
PROMOCIÓN
DE
LA
INVERSIÓN
Y
LA
PARTICIPACIÓN CIUDADANA, Reforma del primer inciso del Art. 4,
mediante Ley 2000-1, publicada en el Suplemento del Registro Oficial
No.144 de 18 de agosto de 2000.
•
REFORMA DEL SEGUNDO INCISO DEL ART.4,
Ley Reformatoria
N°58 publicada en el suplemento del Registro Oficial N°261, del 19 de
febrero de 1998.
•
CONELEC, Ley de Régimen del sector eléctrico, Capitulo II
•
LEY DE MINERIA. Ley 126, Registro Oficial Suplemento 695 de 31 de
Mayo de 1991, Congreso Nacional, el plenario de las comisiones
legislativas, art. 16, 17, 18
•
SUBSECRETARIA DE MINAS, DIRECCION NACIONAL DE MINAS,
Legislación Minera.
•
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID, El precio del silicio solar
y del sistema fotovoltaico, Energía solar presente y futuro,
•
SECRETARIA NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA,
(SENACYT), recursos naturales, convocatoria 2008
•
ZHEJIANG-CHINA., Catalogo de hornos de arco eléctrico de la serie hx,
T
T
Induction-Furnace.
96
UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA
LUIS EDWIN JUIÑA Q.
•
INGENIERIA ELECTRICA
CASTRO DELGADO, Marisa, Tesis doctoral fabricación de células solares
sobre silicio multicristalino y silicio purificado por la vía metalúrgica,
Universidad Politécnica de Madrid
•
PRAT, Lluís Viñas y CALDERER, Josep Cardona, Método de difusión,
T5B
T
Dispositivos electrónicos y fotónicos. Fundamentos.
•
Tecnología Fotovoltaica PDF, UCA, España
•
CARDENAS VICTOR, Tesis de Maestría en materiales, diseño y
producción, procesos de manufactura en materiales metálicos, Escuela
Politécnica Nacional.
•
CAPELLO Eduardo, Tecnología de la fundición.
•
IBÁÑEZ, M. Plana, Energías Renovables, Tecnología Solar.
•
FLORES, Norna Esthela y FIGUEROA, Jorge Enrique, Física Moderna,
6B
Edición Revisada.
•
SERRANO, Jorge A, Filosofía de la ciencia, Año 1980, Pág. 287
T
T
T
•
ESPOL, Revista Tecnológica. Vol. 17, No.1. Junio 2004.
•
H:\celdas\Cómo fabricar electricidad centrales fotovoltaicas.mht
•
H:\tesis\Cálculos para la electrificación solar 01 CODESO.htm
•
H:\celdas\Como funcionan las celdas solares.mht
•
http://www.minasypetroleos.gov.ec/mmp-portwar/
HT
T
•
www.conelec.gov.ec.Energía/glosario_energia.pdf
•
http://www.mineriaecuador.com/Paginas/Leg_minera.htm
97
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INGENIERIA ELECTRICA
GLOSARIO
Celda solar o celda fotovoltaica: Elemento que transforma la luz solar (fotones) en
electricidad. Es el insumo fundamental de los módulos solares fotovoltaicos.
Constante solar: Cantidad de energía solar que incide sobre una superficie de 1 m2
por segundo, cuando ésta se halla en el tope de la atmósfera a la distancia media
sol-tierra. Su valor es aproximadamente 1,36 Kw/m2.
Consumo eléctrico: Número de Vatios hora (Wh) o Kilovatios hora (Kwh)
utilizados para que funcione un aparato eléctrico durante un tiempo. Depende de la
potencia del aparato y del tiempo que esté funcionando.
Corriente alterna: En la corriente alterna (CA o AC, en inglés) los electrones, a
partir de su posición fija en el cable (centro), oscilan de un lado al otro de su centro,
dentro de un mismo entorno o amplitud, a una frecuencia determinada (número de
oscilaciones por segundo).
Corriente continua: La corriente continua (CC o DC, en inglés) se genera a partir
de un flujo continuo de electrones (cargas negativas) siempre en el mismo sentido,
el cual va desde el polo negativo de la fuente al polo positivo. Al desplazarse en este
sentido los electrones, los huecos o ausencias de electrones (cargas positivas) lo
hacen en sentido contrario, es decir, desde el polo positivo al negativo.
Eficiencia energética: Está asociada al concepto de conservación de la energía,
pero no puede entenderse solamente como una reducción del consumo. Los países
de América Latina tienen un desafío doble, crear las condiciones para una adecuada
calidad de vida de toda la población, que en muchos casos necesita aumentar su
consumo de energía, y al mismo tiempo reducir la cantidad de energía que es
convertida en bienes y servicios.
Energías alternativas: Se considera energías alternativas a las que pueden sustituir
a la energía convencional (fósiles, grandes centrales hidroeléctricas, energía
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nuclear), y que no implican impactos negativos significativos. Son consideradas
como alternativas entre otras la energía solar, eólica, biomasa, pequeñas centrales
hidroeléctricas.
Energía limpia: Una energía se considera limpia cuando su utilización no tiene
riesgos potenciales añadidos, y suponen un nulo o escaso impacto ambiental.
Prácticamente no existe una energía limpia 100%. Las alteraciones que pueda
provocar una energía limpia - considerando su ciclo de vida-, no son relevantes
como para alterar ecosistemas, ciclos hidrológicos, o generar residuos que la
naturaleza no pueda asimilar previamente tratados. Con esta definición quedan
excluidas por ejemplo, las grandes represas y la energía nuclear. Las energías
limpias, son renovables y compatibles con sociedades sustentables.
Energía pico: Electricidad abastecida cuando la demanda está en su nivel más alto.
Energía primaria: Se entiende por energía primaria a las distintas fuentes de
energía tal como se obtienen en la naturaleza, ya sea: en forma directa como en el
caso de la energía hidráulica, eólica o solar, la leña y otros combustibles vegetales;
o después de un proceso de extracción como el petróleo, carbón mineral,
geoenergía, etc.
Energía renovable: Las energías de origen renovable, son consideradas como
fuentes de energía inagotables, con las siguientes características: suponen un nulo o
escaso impacto ambiental. Utilizan para la generación de energía recursos continuos
o renovables. Se entiende como recursos continuos a los recursos inagotables y
corresponden a fuentes de energía cuya oferta no se ve afectada por la actividad
humana. ej.: la radiación y la energía eólica.
Son recursos renovables los recursos que pueden continuar existiendo, a pesar de
ser utilizados por la actividad económica, gracias a los procesos de regeneración.
Sin embargo pueden ser agotados,
cuando están siendo consumidos más
rápidamente de lo que se regeneran (sobreexplotación), o por alteración de los
ecosistemas. ej: plantas, animales, agua, suelo.
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Gigavatio: Mil millones de vatios (1 Gw = 1000000 000 W)
Intensidad eléctrica: Magnitud eléctrica definida como la cantidad de electricidad
que pasa a través de la sección de un cable conductor en un segundo. Se mide en
Amperios (A)
Kilovatio: Unidad de potencia, equivale 1000 Vatios.
Kilovatio hora: La potencia de mil vatios aplicada durante una hora (o una potencia
equivalente). 1 Kwh es una unidad de energía - 1 Kwh = 3600 Joules.
Megavatio: Un millón de vatios (1 Mw = 1 000 000 w)
Micro
Centrales
Hidroeléctricas:
Algunos
autores
denominan
como
microcentrales las que tienen hasta 100 Kw de potencia.
Mini Centrales Hidroeléctricas: Algunos autores denominan como minicentrales
las que tienen de 100 a 1.000 Kw de potencia.
Módulo o panel solar fotovoltaico: Conjunto de celdas solares interconectadas
dentro de una unidad sellada.
Potencia nominal: Potencia máxima, en régimen continuo, para la cual fue prevista
y dimensionada la instalación.
Potencia eléctrica: Capacidad de los aparatos eléctricos para producir trabajo (la
cantidad de trabajo realizado en la unidad de tiempo). La unidad de medida es el
Vatio (w), el kilovatio (Kw) o el megavatio (Mw)
Potencial energético: Cantidad total de energía presente en la naturaleza,
independiente de cuál sea la fuente energética, posible de ser aprovechada mediante
el uso de tecnología.
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Insolación: Cantidad de energía solar que llega a una superficie, medida en
Vatio/hora/metro cuadrado. La Insolación que llega a la superficie terrestre puede
ser directa o difusa. Mientras la insolación directa incide sobre cualquier superficie
con un único y preciso ángulo de incidencia, la difusa cae en esa superficie con
varios ángulos. Cuando la insolación directa no llega a una superficie a causa de la
presencia de un obstáculo, el área en sombra no se encuentra completamente a
oscuras gracias a la insolación difusa. Por ello, los dispositivos fotovoltaicos pueden
funcionar incluso solamente con insolación difusa.
Insolación difusa: Radiación proveniente del cielo como resultado de la dispersión
de la radiación solar por la atmósfera. Es la radiación solar difundida por la
atmósfera (por lo que no llega directamente del sol).
La insolación difusa es aquella recibida de la atmósfera como consecuencia de la
dispersión de parte de la radiación del sol en la misma. Esta energía podría suponer
aproximadamente un 15% de la insolación en los días soleados, pero en los días
nublados, en los cuales la insolación directa es muy baja, la insolación difusa
supone un porcentaje mucho mayor. Por otra parte, las superficies horizontales son
las que más insolación difusa reciben, ya que ven toda la semiesfera celeste,
mientras que las superficies verticales reciben menos porque solo ven la mitad de la
semiesfera celeste.
Insolación Directa: Como su propio nombre indica, la que proviene directamente
del sol. Es la que recibimos cuando los rayos solares no se difuminan o se desvían a
su paso por la atmósfera terrestre.
Insolación Global: Será la suma de las insolaciones directa y difusa.
Regulador de carga: También llamado unidad de control o controlador de carga.
Componente que controla el flujo de corriente hacia la batería y de la batería hacia
los equipos para proteger la batería de sobrecargas y sobre descargas.
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Tensión eléctrica: Diferencia de potencial eléctrico que tiene que existir entre los
bornes de conexión o entre dos partes activas de una instalación, para que la
corriente eléctrica circule por dicha instalación. La unidad de medida es el Voltio
(V).
Voltaje de circuito abierto: Voltaje que se mide en los terminales sin carga de un
sistema fotovoltaico.
Voltaje de máxima potencia: Voltaje correspondiente al punto de máxima
potencia.
Vatio pico: Unidad de medida de un módulo solar fotovoltaico, que significa la
cantidad de potencia máxima que puede generar el módulo a condiciones estándar
de funcionamiento.
CF: Convenio de Financiación ALA/2006/017/223 para llevar a cabo el Programa
EURO-SOLAR, conjuntamente con otros 7 países de América Latina.
CNC: Célula Nacional de Coordinación.
ATI: Asistencia Técnica Internacional.
MEER: Ministerio de Electricidad y Energía Renovable.
CONATEL: Consejo Nacional de Telecomunicaciones.
FODETEL: Fondo de Desarrollo de las Telecomunicaciones Rurales y Urbano
Marginales.
SENATEL: Secretaría Nacional de Telecomunicaciones.
HSP: horas de sol pico.
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