Aporte de energías renovables en suministro eléctrico de Argentina en 2018

Fig.1 – Porcentaje de la participación de las energías renovables en el suministro eléctrico anual de Argentina en 2018 (Fuente: Cammesa)

LOS INVERSORES PARA ENERGÍA SOLAR

Aquí describiremos el funcionamiento de un inversor monofásico, que usa modulación por ancho de pulsos o PWM (Pulse Width Modulation), que convierte la tensión continua (DC), generada por paneles solares fotovoltaicos, en una tensión alterna sinusoidal (AC) apta para ser entregada a la red pública.

La modulación por ancho de pulsos

Para obtener la señal modulada por ancho de pulsos aplicamos a la entrada de un comparador (Fig.1) una señal portadora triangular (carrier)  y la modulante sinusidal (señal deseada). La modulante sinusoidal será una réplica de la onda de la red, en frecuencia (50 o 60Hz, según el país) y fase (sincronismo). La portadora triangular tendrá una frecuencia alta comparada con la modulante (~ 12 KHz).

Fig.1 – La modulación PWM realizada con un comparador

Cuando la modulante tiene un valor mayor que la portadora, la señal modulada (PWM) tendrá un pulso de valor positivo y cuando sea menor un pulso de valor negativo, como se puede ver en la Fig. 2. Variando la frecuencia de la portadora se varía su período y por lo tanto el ancho de los pulsos de la señal modulada.

Fig.2 – Formas de onda de la modulación PWM

 Esto se hace para poder trabajar en los circuitos con una señal digital (PWM), en lugar de hacerlo con la sinusoidal analógica, lo que sería más complicado. La señal PWM, si la descomponemos mediante la serie de Fourier, veremos que tiene una componente fundamental que es la  modulante sinusoidal de 50Hz/60Hz y muchas armónicas de frecuencias doble, triple, etc. De modo que, en el momento oportuno, podremos recuperar la sinusoide mediante un filtro pasabajos.

El circuito doble puente

El circuito de la Fig.3 es conocido como circuito “doble puente” y también como circuito “puente completo” (full bridge), o “puente H”. Los transistores que se usan son MOSFET, o igbt. También se lo puede encontrar implementado con tiristores (SCR).

Los transistores conducen de a pares: Q1 con Q4 y Q3 con Q2. La conducción de cada par nunca debe ser hecha de manera simultánea con la del otro par.

Si aplicamos un pulso positivo simultaneamente en los gates de Q1 y a Q4, circulará una corriente por estos dos transistores y por la carga RL, lo que producirá un pulso positivo en dicha carga, es decir una tensión positiva en P con respecto al punto Q.

Cuando apliquemos una tensión positiva simultanea en los gates de Q3 y Q2, circulará por la carga RL una corriente de sentido contrario al caso anterior y por lo tanto una tensión sobre ella que tendrá una polaridad opuesta al primer caso, o sea que el punto Q será positivo con respecto al punto P.

Fig.3 – Circuito doble puente

 Si ahora aplicamos la señal PWM de la salida del comparador de la Fig.1 a los gates de los transistores Q1 y Q4, estos dos transistores conducirán simultaneamente con cada uno de los pulsos positivos de dicha señal PWM de la Fig.2 y no conducirán ninguna corriente con los pulsos negativos. De este modo, sobre la resistencia de carga RL tendremos la onda de la Fig.1, pero con la parte negativa recortada, como si la hubíeramos rectificado con un diodo.

Para obtener la onda completa en la resistencia de carga, deberemos seguir aplicando la salida del comparador a los gates de Q1 y Q4, pero además debemos intercalar una compuerta inversora a la señal del comparador antes de aplicarla a los gates de Q3 y Q2 en forma simultánea. Esto nos permitirá transformar los pulsos negativos de la Fig.2 en positivos y podremos hacer que Q3 y Q2 conduzcan solo con esos pulsos y nos permitan obtener una tensión negativa con ellos en la carga (Q positivo y P negativo). Observese que los pulsos positivos de salida del comparador se transformaron en negativos, a la salida de la compuerta inversora y por eso no hacen conducir a Q3/Q2.

De este modo, logramos obtener una réplica de la señal PWM que obtuvimos del comparador, pero la tensión de la carga va a ser mucho mayor, ya que +B es la salida de los paneles solares, que es de donde obtendremos toda la potencia para alimentar nuestras cargas y enviar la que nos sobre a la red.

Fig.4 – Hay que invertir la señal PWM mediante una compuerta inversora, antes de aplicarla a los gates de Q3 y Q2. De esta manera se obtiene la señal PWM completa en la carga.

Para simplificar, llamaremos Vac (t) a la diferencia de potencial entre el punto P y el punto Q. Además representaremos, superpuesta con ella como referencia, a la tensión alterna sinusoidal que deseamos obtener (Fig.5). Esta tensión pulsante es conocida como “forma de onda de dos niveles”  (two – level waveform).

Fig.5 – Forma de onda de dos niveles y sinusoide de referencia superpuesta.

.

Si descomponemos la forma de onda de la Fig.5 por medio de la serie de Fourier, lo que podemos hacer sin problemas porque se trata de una onda períodica, con un período T=1/f, donde f es la frecuencia de línea (50/60Hz, según el país de que se trate).

Si hacemos pasar esta onda de dos niveles por un filtro pasabajos LC, podremos eliminar las armónicas de frecuencias superiores a la frecuencia fundamental y obtendremos una onda sinusoidal con muy baja distorsión.

Esto es lo que hicieron los alumnos Ian F. Crowley y Ho Fong Leung, del Instituto Politécnico de Worcester, Massachusetts, bajo la asesoría del profesor Stephen J. Bitar y que mostramos en las Figuras 6 y 7. (Acceso a la nota en referencia [1]). Obsérvense los valores de tensión para el caso de ellos, en EEUU, donde la tensión de línea nominal monofásica es 110V.

Fig. 6 – El espectro de frecuencias de la forma de onda  de dos niveles, antes de pasar por el filtro.

Fig.7 – Onda resultante de la forma de onda de dos niveles, después de filtrar.

 Forma de onda de tres niveles

Si ahora hacemos que el transistor Q4 de la Fig.3 mantenga su gate polarizado positivamente durante todo el semiciclo positivo de la onda sinusoidal, es decir dispuesto para conducir y aplicamos al gate de Q1 la señal de PWM, la carga recibirá corriente durante los pulsos positivos de la señal PWM y durante los pulsos negativos la corriente en la carga será cero. O sea que durante el ciclo positivo de la sinusoide tendremos una tensión Vac (t) constituida por pulsos positivos y pulsos de amplitud cero, en correspondencia con los pulsos positivos y negativos de la señal PWM aplicada, respectivamente.

Durante el semiciclo negativo de la sinusoide, el transistor  Q2 deberá tener condiciones de conducir, o sea su gate positivo y el transistor Q3 deberá tener su gate conectado a la señal PWM invertida por una compuerta inversora. De esta manera, durante el semiciclo negativo de la sinusoide tendremos una señal Vac (t) compuesta por los pulsos negativos y los nulos.

Tendremos así representado el resultado en la Fig.8.

Fig.8 – Forma de onda de tres niveles y sinusoide de referencia superpuesta

Esta forma de onda de tres niveles nos permitirá conseguir una mejor aproximación a una tensión más parecida a una sinusoide perfecta, en la cual el “serruchito” de la onda será mucho menos marcado.

Veamos los resultados que nos muestran Ian F. Crowley y Ho Fong Leung: (Fig.9 y Fig.10)

Fig. 9 – El espectro de frecuencias de la forma de onda  de tres niveles, antes de pasar por el filtro.

Fig.10 – Onda resultante de la forma de onda de tres niveles, después de filtrar.

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Veamos a continuación un diagrama en bloque muy ilustrativo de un inversor publicado por Don Alfano, de Silicon Labs, a través de Electronic Design, en la nota con acceso en la referencia [2]. Ver Fig.11.

Fig.11 – Diagrama en bloques de un inversor monofásico, que usa forma de onda de tres niveles y salida sinusoidal pura. Obsérvese que la corriente antes y después del filtro es sinusoidal y la tensión en cambio, solo es sinusoidal después del filtro.

Observe en la Fig.11 las realimentaciones de tensión desde la red pública (grid), para mentener el sincronismo entre la tensión de la red y la generada por el inversor y la realimentación de corriente a fin de que mediante la variación del ancho de pulsos se pueda regular la corriente generada de acuerdo a la requerida por la carga.

Referencias

[1] – https://web.wpi.edu/Pubs/E-project/Available/E-project-042711-190851/unrestricted/PWM_Techniques_final.pdf 

[2] - http://ow.ly/Cs4730fcmyw

EFECTO FOTOVOLTAICO (PV)

DESCRIPCIÓN ATÓMICA DEL SILICIO

Toda la materia está hecha de átomos. Ellos, a su vez, están compuestos por tres tipos de partículas: protones, neutrones y electrones. Los protones (cargados positivamente) y los electrones (cargados negativamente) se atraen entre sí; los neutrones no son atraídos eléctricamente por ninguno de los dos y se dice que son neutros. Los protones con carga positiva y los neutrones neutros residen en un núcleo, en el centro del átomo, empaquetados de forma cerrada. Los electrones, mucho más livianos que los protones y neutrones, orbitan alrededor del núcleo.

Aunque un átomo contiene partículas cargadas, en general es eléctricamente neutro, porque tiene el mismo número de protones y electrones.

Los diferentes átomos tienen diferentes números de protones. Para cada protón en el núcleo de un átomo, hay un electrón que orbita alrededor del núcleo. Las posiciones orbitales (y el movimiento de los electrones alrededor de su propio eje) están determinados por la energía de los electrones. Los electrones, en particular los más alejados del núcleo, interactúan con electrones de otros átomos y determinan la forma en que los átomos iguales o diferentes se combinan en estructuras más grandes como los sólidos. El átomo de silicio tiene catorce electrones dispuestos de tal manera que los cuatro exteriores pueden ser dados, aceptados, o compartidos con otro átomo. Estos cuatro electrones externos se llaman electrones de valencia.

Un gran número de átomos de silicio, a través de sus electrones de valencia, pueden unirse para formar un sólido. Como un sólido, cada átomo de silicio por lo general comparte cada uno de sus cuatro electrones de valencia con otro átomo de silicio. Cada unidad básica de silicio, formando una disposición tetraédrica, contiene por lo tanto cinco átomos (el átomo de silicio más los otros cuatro con los que comparte electrones). Cada átomo en el sólido de silicio se mantiene en su lugar a una distancia y ángulo fijos con cada uno de los átomos con los que comparte un enlace. Esta formación fija y regular de los átomos de un sólido se denomina red cristalina, o simplemente cristal.

Los sólidos pueden formarse a partir de varias redes cristalinas de forma diferente. Para el cristal de silicio (Figura 1), los átomos se localizan de manera que ocupan el centro y los vértices de un cubo con átomos individuales centrados en cada uno de ellos. La disposición cúbica se repite a través del cristal.

Fig.1 – Representación del cristal de silicio. Los 5 átomos de la unidad básica

cúbica, están señalados con números del 1 al 5. Cada uno de los dos segmentos

que representan el enlace entre dos átomos, incluye un electrón compartido

por cada uno de los dos átomos.

Si la célula fotovoltaica está formada por un único cristal de silicio, se dice que es monocristalina y si está formada por varios cristales, se dice que es policristalina. (Fig.2)

Fig.2 – Célula de silcio policristalina

EL EFECTO DE LA LUZ SOBRE EL SILICIO

Cuando la luz incide sobre un cristal de silicio, puede ser reflejada, absorbida, o puede pasar a través de él. Concentrémonos en la luz que se absorbe. Normalmente, cuando la luz con una energía relativamente baja es absorbida por un sólido, crea calor sin alterar las propiedades eléctricas del material. Es decir, la luz de baja energía que incide sobre un cristal de silicio hace que los átomos de silicio vibren y giren en sus posiciones en los enlaces, pero no se sueltan. De manera similar, los electrones de los enlaces también ganan más energía y se dice que alcanzan un nivel de energía más alto. Dado que estos niveles de energía no son estables, los electrones pronto regresan a sus niveles de energía inferiores originales, emitiendo como calor la energía que habían ganado. La luz de una mayor energía puede alterar las propiedades eléctricas del cristal. Si tal luz incide sobre un electrón de un enlace, el electrón es arrancado de su lugar en el cristal. Esto deja atrás un enlace de silicio al que le falta un electrón y libera un electrón para moverse en el cristal. Un enlace al que le falta un electrón, se dice que tiene un hueco. Se dice que un electrón libre para moverse dentro del cristal está en la banda de conducción del cristal (Figura 3), porque los electrones libres son los medios por los cuales fluye la electricidad. Tanto los electrones de la banda de conducción, como los huecos, juegan un papel importante en el comportamiento eléctrico de las células fotovoltaicas. Electrones y huecos liberados de sus posiciones en el cristal de esta manera, se dice que son pares electrón-hueco generados por luz. Un hueco en un cristal de silicio puede, como un electrón libre, moverse dentro del cristal. El medio por el cual se mueve el hueco es como sigue: Un electrón de un enlace cerca de un hueco puede saltar fácilmente al hueco, dejando atrás un enlace incompleto, es decir, un hueco nuevo. Entonces se puede decir que el viejo hueco, ahora neutralizado por el electrón, “se ha movido” hacia el nuevo hueco producido por la ida del electrón del enlace. Esto ocurre con rapidez y con frecuencia, los electrones de los enlaces cercanos negocian posiciones con huecos, enviando huecos de forma aleatoria y errática a través del sólido. Cuanto más alta es la temperatura del material, más agitados serán los electrones y los huecos y más se mueven. La generación de electrones y huecos por la luz es central en el efecto PV total, pero esto no produce por si mismo una corriente eléctrica. Si no hubiera ningún otro mecanismo involucrado en una célula solar, los electrones generados por la luz y los huecos se moverían en el cristal de forma errática durante un tiempo y luego perderían su energía térmicamente volviendo a las posiciones de valencia. Para aprovechar los electrones y los huecos para producir una fuerza electromotriz  y una corriente, se necesita otro mecanismo: una barrera de "potencial" incorporada.

* La barrera se denomina de "potencial" porque es un fenómeno eléctrico, que tiene que ver con la cantidad de energía que una partícula (electrón o hueco) podría "potencialmente" ganar si esa partícula encuentra la barrera y se acelera.

Fig.3 – Representación esquemática de un cristal de silicio y

el efecto de la luz sobre él, liberando un electrón de un enlace

y produciendo un hueco.

LA BARRERA POTENCIAL

La función de la barrera

Una célula fotovoltaica contiene una barrera que está configurada por cargas eléctricas opuestas enfrentadas entre sí a ambos lados de una línea divisoria. Esta barrera de potencial separa selectivamente los electrones y los huecos generados por la luz, enviando más electrones a un lado de la célula, y más huecos a la otra. Así separados, los electrones y los huecos, es menos probable que se junten y pierdan su energía eléctrica. Esta separación de carga establece una diferencia de potencial entre los extremos de la célula, que se puede utilizar para impulsar una corriente eléctrica en un circuito externo.

Formación de la barrera

Hay varias maneras de formar una barrera de potencial en una célula solar. Una es alterar ligeramente el cristal, de modo que su estructura a cada lado de la línea divisoria sea diferente.

 El dopante donante - portador negativo

Como se ha indicado anteriormente, el silicio tiene cuatro electrones de valencia, todos los cuales son normalmente parte de enlaces en un cristal de silicio. Supongamos que por algún medio introducimos una impureza en un cristal de silicio puro, sustituyendo un átomo de silicio por un átomo como el fósforo, que tiene cinco electrones de valencia. El átomo de impureza ocuparía la misma posición en el cristal que un átomo de silicio normal, suministrando un electrón para cada uno de los cuatro enlaces de silicio. Pero debido a que el átomo de fósforo tiene un electrón de valencia extra, habría un electrón sin ningún enlace que compartir (Figura 4).

Fig.4 – Cuando un átomo de impureza, tal como el fósforo con 5 electrones de

valencia, sustituye a un átomo dentro de un cristal de silicio, este tiene un electrón

extra que no forma parte de ningún enlace

 Comparado con un electrón de enlace, el electrón extra del átomo de impureza es relativamente libre. De hecho, a temperatura ambiente hay suficiente energía térmica en el cristal para sacudir este electrón suelto, a pesar de que dejaría detrás a un átomo de impureza cargado positivamente. * Este electrón libre de la impureza no tiene hueco en el cual puede caer fácilmente, y se comporta como si fuera un miembro permanente de la banda de conducción del cristal, siempre dispuesto a ser parte de una corriente eléctrica. Un cristal de silicio con numerosos átomos de fósforo sustituidos tendría muchos electrones libres de la banda de conducción y un número similar de iones de impureza positivos bloqueados en la estructura del cristal (ya que a los átomos de fósforo les estará faltando el electrón libre). Pero en conjunto, el cristal entero permanecería neutro, puesto que hay apenas tantos iones positivos como electrones libres; pero las propiedades eléctricas del cristal se habrían alterado drásticamente. Las impurezas introducidas de esta manera se llaman dopantes y los dopantes que tienen un electrón de valencia extra (como el fósforo introducido en un cristal de silicio) se llaman donantes porque donan un electrón al cristal. Dicho cristal dopado con donantes se conoce como tipo-N porque tiene cargas negativas libres. Alterar el silicio mediante la introducción de un dopante donante es parte del proceso utilizado para producir la barrera potencial interna. Pero el silicio de tipo-N no puede por sí mismo formar la barrera. Otro silicio ligeramente alterado es también necesario, este tipo con propiedades eléctricas opuestas a las del silicio de tipo-N.  

El dopante aceptor -  portador positivo  

Un material adecuadamente alterado se puede formar sustituyendo átomos del interior del cristal de silicio por átomos de impurezas con un electrón de valencia menos que el silicio. Un átomo de impureza con tres electrones de valencia (como el boro) se ubicaría en la posición del átomo de silicio original, pero uno de sus enlaces con el silicio estaría perdiendo un electrón, es decir, habría un hueco (Figura 5).

Fig.5 – Una mpureza con tres electrones de valencia (tal como el boro)

en un cristal de silicio es normalmente enlazado, pero a uno de sus

enlaces le falta un electrón, es un hueco.

Como vimos antes, los huecos pueden moverse casi tan libremente como los electrones de la banda de conducción. De esta manera, un cristal de silicio dopado con muchos de tales átomos de boro tiene muchos huecos que actúan como si fueran cargas positivas libres que se mueven por toda la red cristalina. Una impureza de tres electrones de valencia en un cristal de silicio se llama aceptor porque sus huecos aceptan electrones (electrones de valencia normalmente enlazados o electrones de banda de conducción) del resto del cristal de silicio. Un material de silicio dopado por aceptor se denomina tipo-P debido a la presencia de cargas positivas libres (los huecos móviles). En un material de tipo-P, las cargas positivas son llamadas portadores mayorítarios (de carga) porque superan en mucho a los electrones libres, que en los materiales de tipo-P se denominan portadores minoritarios. En un material de tipo-N, donde el dopaje se invierte, los electrones (cargas negativas) son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios.

La Juntura

Una línea que divide el silicio tipo-N del silicio tipo-P establece la posición de una barrera de potencial esencial para el funcionamiento de una célula solar. Para ver cómo se forma esta barrera, echemos un vistazo a la juntura entre los dos materiales (el área en la proximidad inmediata de las dos superficies). En el material  tipo-P, hay exceso de huecos y en el material  tipo-N, un exceso de electrones (Fig.6a).

Fig.6 - a

Cuando los materiales tipo-N y tipo-P estén en contacto, los electrones libres en el material tipo-N, cercanos a los muchos huecos en el material tipo -P en la juntura, saltarán hacia adentro del material  tipo-P, llenando los huecos. Además, los electrones de valencia de los enlaces en el lado tipo-N pueden también saltar a huecos en el lado de tipo-P adyacente, lo cual es equivalente a un hueco que se mueve hacia el material tipo-N (por simplicidad, esto no se muestra en la Figura 6).

Fig. 6 - b

 Este proceso de transferencia de carga ocurre rápidamente a lo largo de la juntura, enviando enormes cantidades de electrones al lado tipo-P y  huecos al lado tipo-N (Figura 6b).

Fig.6 - c

Esto provoca un desequilibrio inmediato de la carga: más cargas negativas (electrones extra) a lo largo del lado tipo-P de la juntura, más cargas positivas (iones) a lo largo del lado tipo-N (Figura 6c). Cuando los electrones se mueven hacia el material tipo-P durante la formación de la juntura, encuentran huecos en los enlaces de silicio y caen en ellos. De manera similar, los huecos que se transfieren al lado tipo-N se llenan rápidamente por los numerosos electrones adicionales del lado tipo -N. En consecuencia, los portadores que forman la juntura pierden su libertad de movimiento. Por lo tanto, aunque existe un desequilibrio de carga en la juntura, hay muy pocos electrones libres en el lado de silicio tipo-P que se devuelven al lado  tipo-N, y muy pocos huecos libres en el lado de tipo n para ser transferidos de nuevo al material de tipo p. Por lo tanto, el desequilibrio de carga permanece fijo en su lugar.

La barrera.

El proceso de cargas que se mueven a través de la juntura para crear un desequilibrio de carga de la manera descrita anteriormente no continúa indefinidamente. Los portadores cargados que ya han cruzado la juntura establecen un campo eléctrico, que actúa como una barrera que se opone al flujo adicional de los portadores libres. A medida que más portadores cruzan la unión, la barrera se agranda, haciéndo cada vez más difícil que otros portadores puedan cruzar. Eventualmente, se establece un equilibrio donde (estadísticamente hablando) no más electrones o huecos cambiarán de lado. Esto crea una barrera de potencial fija en la juntura (la barrera a la que nos hemos referido desde el principio), con el lado tipo – N adyacente a la juntura cargado positivamente y el lado tipo-P adyacente a la juntura, cargado negativamente. Esto también se puede visualizar, pensando que los electrones acumulados en el lado-P repelerán a nuevos electrones que intenten cruzar al lado-P y que los huecos acumulados del lado-N repelerán a los huecos que intenten cruzar al lado-N. Debe notarse que la "altura" de la barrera (es decir, la fuerza de repulsión del campo eléctrico) depende de la cantidad de dopante en el silicio. Cuanto más dopante, más desequilibrio de carga induce y mayor es la capacidad de la barrera para separar cargas. Resumiendo, la barrera se opone al cruce de los portadores de carga mayoritarios. Es decir, los electrones en el material  tipo-N tendrían que subir la barrera contra el campo  para introducirse en el material tipo - P. De forma similar, los huecos en la región tipo-P se mantienen impedidos de entrar en la región  tipo-N. Obsérvese también que los portadores minoritarios no se ven obstaculizados por la barrera. De hecho, los electrones libres en el lado tipo-P, de los cuales hay muy pocos, siendo el portador minoritario allí, son accionados por el campo de la juntura al lado opuesto  tipo-N. Lo mismo ocurre con los huecos accionados desde el lado tipo-N. Pero normalmente (sin iluminación) hay tan pocos portadores minoritarios en sus respectivos lados, que su movimiento es nulo; y los que hay, son neutralizados por los pocos portadores mayoritarios que aleatoriamente asumen suficiente energía para cruzar la barrera. Esta barrera selectiva en la juntura es el medio de separar las cargas durante la generación de huecos de electrones bajo iluminación. Es la clave para la producción de una corriente eléctrica fotovoltaica.

La Barrera de potencial en acción

A fines ilustrativos, supongamos que la luz que incide sobre la célula fotovoltaica tiene suficiente energía como para liberar un electrón de enlace en el cristal de silicio. Esto crea un par electrón-hueco, un electrón libre y un hueco libre. Supongamos además que el par electrón-hueco se genera del lado del silicio tipo-P de la juntura. Un electrón de un par electrón-hueco tiene sólo un tiempo relativamente corto durante el cual es libre, porque es muy probable que se combine con uno de los numerosos huecos en el lado tipo-P. Pero las células solares están diseñadas para que, con toda probabilidad, el electrón deambulando alrededor del cristal  encuentre la juntura antes de que tenga la oportunidad de combinarse con un hueco. (Si se combinara con un hueco, perdería su energía como calor y sería inútil en lo que respecta a la corriente eléctrica fotovoltaica). Una vez que el electrón libre esté dentro del campo de la juntura (que se limita a la vecindad inmediata de la juntura), el electrón es acelerado a través de la barrera (por el desequilibrio de carga de la barrera) en el silicio tipo-N. Puesto que hay muy pocos huecos en el lado tipo-N de la juntura, el electrón ya no está en gran peligro de recombinación. Además, hay muy pocas posibilidades de que regrese al lado del tipo-p porque tendría que resistir la repulsión del campo de la juntura (subir la barrera), gastando energía que usualmente no tiene. El hueco socio de este par electrón-hueco, sin embargo, permanece en el lado tipo-P de la juntura porque es repelido por la barrera en la juntura. No está en peligro de recombinación porque ya hay un predominio de huecos en el lado tipo-P.

Una situación similar ocurre cuando los pares electrón-hueco son generados por la luz en el lado tipo-N de la juntura. Esta vez los electrones liberados permanecen en el lado tipo-N, siendo repelidos por la barrera. Mientras tanto, la mayoría de los huecos encuentran la juntura antes de tener chance de recombinarse. Cruzan la juntura hacia el lado tipo-P mientra que los electrones normalmente enlazados en el lado tipo-P saltaban la juntura y llenan los huecos del lado tipo-N. Una vez en el lado tipo-P, los huecos se mueven sin obstáculos, y hay muy pocos electrones libres disponibles para llenarlos. Debido a que la iluminación y la separación de carga causan la presencia de cargas negativas excesivas no combinadas en el lado tipo-N y huecos en exceso en el lado tipo-P, existe un desequilibrio de carga en la célula.

LA CORRIENTE ELÉCTRICA

Si conectamos el lado tipo-N al lado tipo-P de la celula por medio de un circuito eléctrico externo, la corriente fluye a través del circuito (que responde como si fuera alimentado por una batería) porque esto reduce el desequilibrio de carga inducido por la luz en él. Las cargas negativas fluyen fuera del electrodo en el lado tipo-N, a través de una carga (tal como una lámpara incandescente), y realizan un trabajo útil en esa carga (tal como calentar el filamento de la lámpara incandescente para que ilumine).  Los electrones entonces fluyen hacia el lado  tipo-P, donde se recombinan con huecos cerca del electrodo (Figura 7). La energía de la luz incidente, originalmente absorbida por los electrones, es usada por los electrones para alimentar el circuito externo. Entonces  se mantiene un equilibrio: La luz crea continuamente más pares electrón-hueco y, por lo tanto, más desequilibrio de carga, el desequilibrio de carga es aliviado por la corriente, que cede la energía para la realización de trabajo.

La cantidad de luz incidente en la célula crea una cantidad casi proporcional de corriente. La cantidad de energía que se necesita para elevar un electrón a la banda de conducción es la cantidad de energía que la luz suministra originalmente al electrón y es, por tanto, el máximo que puede recuperarse del electrón en el circuito externo. Hemos observado todas las condiciones necesarias para que la corriente fluya: luz incidente para liberar los portadores de carga, una barrera para acelerar los portadores a través de la juntura y mantenerlos en extremos opuestos de la célula, y un desequilibrio de carga para impulsar una corriente (portadores cargados) a través de un circuito.

Fig.7 – La corriente eléctrica generada por la luz en la célula fotovoltaica

 Resumen: las células fotovoltaicas se basan en unir un material tipo-N, con el mismo material tipo-P. Al hacerlo se produce una barrera de potencial en la juntura, que hace que los pares electrón –hueco producidos por la luz, se separen en el cristal, sin posibilidades de recombinarse porque la barrera se lo impide. Cuando incide la luz, produce pares electrón- hueco que va generando electrones libres que pasan al lado-N y huecos que pasan al lado-P, quedando en ambos casos como portadores libres en su lado respectivo sin poder pasar al otro lado y neutralizarse. Al unir ambos lados por medio de un circuito externo con una carga, los electrones libres encuentran un camino libre de barreras que les permite circular por el circuito, atraídos por los huecos del lado-P y recién ahí pueden recombinarse. De este modo entregan energía a la carga del circuito externo. Todos los electrones que circulan por la carga son los liberados por la energía de la luz incidente.

Referencias:

http://www.nrel.gov/docs/legosti/old/1448.pdf  

http://www.areatecnologia.com/electronica/union-pn.html

Congreso "El Futuro Solar Argentina" - Últimas vacantes

Inscripciones: http://www.elfuturosolar.com/

Potencia eléctrica instalada en El Salvador – 2009/2014

El Salvador

Capital: San Salvador

Población: 6.401.200 hs – Según proyección para 2014, en base a Censo de 2007 *

Superficie: 21.040, 79 Km2 *

Idioma oficial: español

Ubicación: América Central – Limita al Noroeste con Guatemala, al Noreste y Este con Honduras y al Suroeste y oeste con el Océano Pacífico

* Datos del CNE (Consejo Nacional de Energía) de El Salvador

Potencia eléctrica instalada en El Salvador – 2009/2014 – Fuente CEPAL (Comisión Económica para América Latina y el Caribe

Fuente: CEPAL* (Comisión Económica para América Latina y el Caribe), con datos obtenidos de Unidad de Transacciones (UT).

* La CEPAL es un Organismo de la ONU.

Temas relacionados:

Potencia eléctrica instalada en América Central - 2009/2014

Potencia eléctrica instalada en Costa Rica – 2009/2014

Potencia Eléctrica instalada en Guatemala – 2009/2014

Potencia eléctrica instalada en Costa Rica – 2009/2014

Potencia eléctrica instalada en Costa Rica – 2009/2014 – Fuente CEPAL(Comisión Económica para América Latina y el Caribe)

Costa Rica

Capital: San José

Población: 4.301.712 hs – Censo de 2011 – Según el INEC (Instituto Nacional de Estadísticas y Censos)

Superficie: 51.100 km²

Idioma oficial: español

Ubicación: América Central – Limita al norte con Nicaragua, al sur con Panamá, al oeste con el Océano Pacífico y al este con el Mar Caribe.

Temas relacionados:

Potencia eléctrica instalada en América Central - 2009/2014

Potencia Eléctrica instalada en Guatemala – 2009/2014

Potencia eléctrica instalada en El Salvador – 2009/2014

Fuente: CEPAL* (Comisión Económica para América Latina y el Caribe), con datos obtenidos del Instituto Costarricense de Electricidad (ICE) 
* La CEPAL es un Organismo de la ONU.

Hagamos del mundo un lugar mejor

Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA)

Ubicación: Ciudad de Panamá, Panamá
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E-mail: enlace@pnuma.org 

Balance energético nacional – 2014 - Argentina

En este flujograma se muestra el origen y destino de toda la energía en Argentina durante el año 2014. Se incluyen todos los tipos de energías y todos sus usos. Se recuerdan las siguientes equivalencias a fin de facilitar la interpretación:

1 MTep = 1 millón de toneladas equivalentes de petróleo = 11.630 GWh

MMm3  = Millón de metros cúbicos

Kbbl     = Kilobarril = mil barriles

Haga click sobre la imagen para ampliar y ver en PDF

Micro-grid power promise of hybrid CSP-PV concept

Posted on Jan 12, 2015

One of Focused Sun's new FourFold modules. Image courtesy

 of Focused Sun.

US inventors hope a crowd-funded initiative will provide power

for micro-grids around the world by combining elements of CSP

 and PV solar technology in a single module.

By Jason Deign

A US-Chinese team is this month hoping to crowd-fund a novel solar technology combining CSP with concentrated photovoltaics (CPV) to provide low-cost micro-grid power.

Developers from Focused Sun of New Mexico, USA, and the Xiang Yang Institute of Hubei, China, are working on a system that will incorporate thermal energy storage and should pay for itself within two years.

Focused Sun, a former CPV player, has created a hybrid CPV-CSP module called FourFold to power the micro-grid. The modules are small enough to build micro-grids in a modular way from 100 kW to up to 10 MW.

Each module uses four linear Fresnel mirrors to focus sunlight on an absorber lined with a two-inch strip of PV cells, which convert about 18 % of incoming energy into electricity.

At the same time, mineral oil coolant flows through the inside of the absorber, keeping the PV cells cool and rising to a temperature of 300 ºC in the process. The heat transfer fluid can be stored or used to drive a Chinese-built turbo-generator.

The combination of CPV and linear Fresnel-based solar thermal power allows the system to harness a total of up to around 75 % of incoming energy, Focused Sun claims. The company aims to keep system costs down by employing a range of low-cost manufacturing techniques.

The mirrors, for example, are each made of foam sandwiched between two sheets of galvanised steel. The gear motors controlling the angle of the mirrors, meanwhile, are attached to the module frame by just two screws and can be replaced in a matter of minutes.

The relatively low-tech manufacturing processes being used should allow FourFold production plants to be set up with relative ease in regions where micro-grids are needed, including emerging markets.

Local employment

In fact, Focused Sun is keen to emphasise the local employment opportunities offered by its technology, and has released guidelines on how to set up sales, production and installation businesses with between five and 10 staff.

Each micro-factory would need a USD$150,000 start-up investment and could break even within about seven months, the company says. Nevertheless, some aspects of the system design are still being finalised, including the storage technology.

While batteries could be used to store part of the CPV output, a final decision on the thermal storage mechanism is not expected until at least March, pending consultations between Focused Sun and its Chinese partners.

Shawn Buckley, Focused Sun’s founder, says: “Storage-wise, we're looking at either sensible heat storage in cement or phase-change heat storage in molten salts.”

A lithium-nitrate phase-change material (PCM) storage system could help reduce the volume of storage. However, Buckley says: “I like the ease of application of poured-in-place concrete that every construction person knows how to do.

“We don't need high-temperature concrete since our turbo-generator only needs 300 ºC. Ordinary concrete is good to this temperature. Still, which way to go is mostly a cost issue.”

Professor David Gordon Wilson, a Massachusetts Institute of Technology thermal storage and turbo-machinery expert, is leading the research into PCM storage and believes it could power generators until the next day, providing round-the-clock energy.

Also still under debate is the exact nature of the turbo-generators to be used. “We think we can bring in a low-cost, mass-produced turbo-generator for under USD$ 1,000/kWe, even for small 100kWe units,” says Buckley.

“Mitsubishi makes them now at USD$ 2200/kWe for their Italian Turboden 100 kWe units, but those are not made in high volume. We will be exploring various thermodynamic cycles such as Kalina, Organic Rankine and others.”

Organic Rankine cycle

Buckley says Chinese companies already make Organic Rankine cycle engines, although the smaller sizes are only produced in small volumes.

“The Xiang Yang Institute want to pick a size like 100 kWe or 300 kWe and standardise on it to make a modular system,” he comments. “Of course, they like the jobs aspect too since our concentrators can be made locally in small factories.”

Initial response to the concept has been mixed.

"It appears to be a PV system that uses excess heat to produce hot water that could be used to power a steam turbine,” says Jorge Ignacio Andreotti, an energy consultant and CSP watcher based in Argentina. “This could increase the performance of the system.

“At first sight it looks interesting. These kinds of combinations often produce good results."

However, says Madhavan Nampoothiri, founder and director of RESolve Energy Consultants in Chennai, India: “From a technology perspective, the hybrid system could work, but in India, the challenges to adaption have always been commercial.

“Operating and maintaining the systems in rural areas also pose challenges. Even traditional PV systems have not been able to overcome these challenges, and I don't see a new product making inroads into the off-grid segment anytime soon.”

Focused Sun is aiming to fund commercialisation of the system through a USD$ 1 million fundraising push on the crowd-funding site Indiegogo.

Fuente:

http://social.csptoday.com/technology/micro-grid-power-promise-hybrid-csp-pv-concept