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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Uso de células solares. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía Bienvenido al mundo de la fotovoltaica, el mundo de la electricidad generada por el sol. Si el lector aún no está familiarizado con la energía fotovoltaica, disfrutará y se verá recompensado por ello. Hablaremos de los usos y aplicaciones de las células solares de silicio. Independientemente de dónde se utilice el dispositivo, las células solares son una parte integral del mismo y son interesantes en sí mismas. Por tanto, es importante comprender su naturaleza y aprender a utilizarlos. No hay nada complicado en este capítulo. Sólo vamos a hablar de tuercas y tornillos. Principios básicos de trabajo El principio de funcionamiento de una celda solar es bastante simple y es el siguiente. Cuando se ilumina, una célula solar de silicio genera un voltaje eléctrico de 0,5 V. Independientemente del tipo y circuito, todas las células solares de silicio (grandes y pequeñas) generan un voltaje de 0,5 V. La situación es diferente con la corriente de salida del elemento. Depende de la intensidad de la luz y del tamaño del elemento, que se refiere a la superficie. Está claro que un elemento con un área de 10x10 cm2 es 4 veces más grande que un elemento con un área de 5x5 cm2, por lo tanto, produce 4 veces más corriente. La intensidad de la corriente también depende de la longitud de onda de la luz y de su intensidad, y es directamente proporcional a la intensidad de la radiación. Cuanto más brillante es la luz, más corriente genera la célula solar. Aumento de las características de salida de las células solares. Las células solares se utilizarían muy raramente si funcionaran dentro de los parámetros mencionados. Sólo en algunos casos se requiere un voltaje tan bajo (0,5 V) con requisitos arbitrarios en cuanto a la cantidad de corriente consumida.
Afortunadamente, aquí no existen restricciones. Las células solares se pueden conectar en serie o en paralelo para aumentar las características de salida. Consideremos las células solares como baterías ordinarias. Se sabe que se utilizan varias pilas para aumentar el brillo de una linterna. En esencia, conectar baterías en serie aumenta el voltaje total (Figura 1). Lo mismo se puede hacer con las células solares. Conectando el terminal positivo de una celda al terminal negativo de otra, de dos celdas se puede obtener un voltaje de 1 V. De manera similar, tres celdas darán 1,5 V, cuatro - 2 V, etc. Teóricamente, el voltaje desarrollado por la energía solar Las celdas conectadas en serie, siempre que haya suficientes, pueden alcanzar miles de voltios. Desafortunadamente, en términos de aumento de la corriente de salida, la conexión en serie tiene una desventaja inherente. Al conectar baterías en serie, la corriente de salida no excede el nivel característico del peor elemento del circuito. Esto es válido para todas las fuentes de energía, ya sean una batería, una fuente de alimentación o células solares. Esto significa que para cualquier número de células solares de 2 amperios en un circuito, una célula de 1 amperio determinará la corriente de salida total, es decir, 1 A. Por lo tanto, si busca obtener el máximo rendimiento, las corrientes de todos los elementos del circuito deben ser emparejado. Bien, la tensión es clara. Pero, ¿cómo aumentar la corriente de salida de una célula solar? Después de todo, el sol brilla con cierta intensidad. La corriente de salida depende del área de superficie del elemento y, por lo tanto, la forma natural de aumentar la corriente es aumentar el área del elemento (o elementos). ¿Elementos? ¡Exactamente!
Si tomamos cuatro elementos de 5x5 cm2 cada uno y los conectamos en paralelo, como se muestra en la Fig. 2, entonces se puede conseguir el mismo resultado que sustituyendo cuatro elementos por uno de 10x10 cm2 (en ambos casos la superficie es la misma y es de 100 cm2). Es importante recordar que con una conexión en paralelo, solo aumenta la corriente, no el voltaje. Independientemente del número de elementos conectados en paralelo (4 o 50), el voltaje generado no será superior a 0,5 V. Baterías fotovoltaicas Puedes adivinar lo que se discutirá. De hecho, para aprovechar ambos métodos de conexión, es posible combinar la conexión de elementos en serie y en paralelo. Esta combinación se llama batería. Las baterías se pueden disponer en cualquier combinación deseada. La batería más simple es una cadena de elementos conectados en serie. También puede conectar cadenas paralelas de elementos, elementos individuales en cadenas o combinarlos en cualquier otra combinación. En la Fig. 3 muestra sólo tres ejemplos de posibles combinaciones.
Diferencias en la naturaleza de las conexiones de los elementos de la Fig. 3, aunque todos tienen las mismas características de salida, están dictados por diferentes requisitos de confiabilidad. En la Fig. 3, y tres cadenas consecutivas de elementos están conectadas en paralelo. Este método se utiliza cuando existe una alta probabilidad de que se produzca un cortocircuito en elementos individuales. En la Fig. 3, b muestra un diagrama de conexión de elementos en serie paralela. Con tal conexión, la falla de uno de los elementos, por ejemplo, debido a la aparición de una grieta, no conduce a la pérdida de toda la cadena debido a una rotura de la cadena. En el último ejemplo (Fig. 3, c) se tienen en cuenta ambos casos con un mínimo de conexiones. Son posibles otros tipos de conexiones y su selección debe estar determinada por las condiciones operativas específicas de su dispositivo. Conviene recordar una condición importante. Independientemente de su imaginación, las cadenas de elementos conectadas en paralelo deben coincidir en voltaje. No se puede conectar una cadena de 15 elementos y una cadena corta de 5 elementos en paralelo. Con esta conexión la batería no funcionará. Polarización inversa Cuando se trabaja con baterías solares, por regla general se produce un fenómeno que no se produce cuando se utilizan fuentes de energía convencionales. Este fenómeno está asociado con el llamado sesgo inverso. Para entender qué es, veamos la Fig. 4.
Esta figura muestra 8 elementos conectados en serie. El voltaje de salida total del circuito es de 4 V y la resistencia RL está conectada como carga. Hasta ahora, todo bien. Pero oscurezcamos la fotocélula D con un objeto opaco, como nuestra mano, y veamos qué sucede. Probablemente pienses que el voltaje bajará a 3,5 V, ¿verdad? ¡Nada como esto! Una célula solar que no produce energía eléctrica es un enlace con alta resistencia interna, no un cortocircuito. Sucede lo mismo que cuando se abre un interruptor, pero el interruptor no está completamente abierto: una pequeña corriente fluye a través de él. En la mayoría de los casos, la resistencia efectiva de una célula solar oscurecida es muchas veces el valor de la resistencia de carga RL. Por lo tanto, prácticamente puedes pensar en RL como un trozo de cable que conecta los terminales negativo y positivo. Esto significa que la función de carga ahora la realiza el elemento D. ¿Qué hacen los demás elementos? ¡Suministre energía a esta carga! Como resultado, el elemento D se calienta y, si se calienta lo suficiente, puede fallar (explotar). Como resultado, nos quedamos con una batería en serie con una celda inactiva, una situación poco envidiable.
Una forma efectiva de resolver este problema es conectar diodos en derivación en paralelo a todos los elementos, como se muestra en la Fig. 5. Los diodos están conectados de modo que, cuando la célula solar esté funcionando, tengan polarización inversa por el voltaje de la propia célula. Por lo tanto, no fluye corriente a través del diodo y la batería funciona normalmente. Ahora supongamos que uno de los elementos está siendo sombreado. En este caso, el diodo se polariza directamente y la corriente fluye a través de él hacia la carga, sin pasar por el elemento defectuoso. Por supuesto, el voltaje de salida de todo el circuito disminuirá en 0,5 V, pero se eliminará la fuente de fuerza autodestructiva. Un beneficio adicional es que la batería sigue funcionando con normalidad. Sin diodos de derivación, fallaría por completo. En la práctica, no resulta práctico puentear cada celda de la batería. Es necesario guiarse por consideraciones de economía y utilizar diodos en derivación basados en un compromiso razonable entre confiabilidad y costo. Normalmente, se utiliza un diodo para proteger 1/4 de la batería. Por tanto, sólo se necesitan 4 diodos para toda la batería. En este caso, el efecto de sombreado conducirá a una reducción del 25% (bastante aceptable) en la potencia de salida. Cortar elementos en pedazos Los elementos de serie no siempre coinciden exactamente con su diseño. Aunque intentan ofrecerle tantas opciones como sea posible, no hay forma de satisfacer las necesidades de todos. Afortunadamente, esto no es necesario. Las células solares monocristalinas pueden adoptar cualquier forma deseada.
Debes saber que este es el caso, porque las células solares monocristalinas están hechas de un gran monocristal. El átomo de silicio tiene cuatro electrones de valencia y forma una red cristalina cúbica. En la Fig. La Figura 6 muestra una típica célula solar redonda con su estructura granular resaltada. Si aplica fuerza a esta estructura de electrones estrechamente unidos, aparecerá una grieta a lo largo de la línea del defecto. Esto es muy similar a una grieta provocada por un terremoto. Se conoce la estructura cristalina y, por tanto, se puede predecir la dirección de la grieta. Si se aplica una fuerza al borde que se muestra en la Fig. 6 placas en el punto A, entonces las fuerzas mecánicas que actúan dentro del cristal lo dividirán en dos mitades. Ahora en lugar de un elemento hay dos. Digamos que es necesario dividir dicho elemento en cuatro partes idénticas. Esto se puede lograr aplicando fuerza primero a lo largo de la línea vertical del defecto y luego a lo largo de la horizontal. Afortunadamente, esto se puede hacer al mismo tiempo. La mayoría de los elementos redondos monocristalinos están marcados con una cruz en el centro. Si presiona en este punto con un cuchillo con punta en cruz, el elemento se dividirá en cuatro pedazos limpios. Está bien si no llegas exactamente al centro. El elemento se dividirá, pero no en partes iguales. El tamaño de los fragmentos vendrá determinado por el punto en el que se aplica la fuerza, pero todos se dividirán en planos idénticos. Las líneas de división son siempre paralelas entre sí y todas las intersecciones se producen en ángulo recto. Guiado por estas reglas, puede obtener elementos de cualquier tamaño requerido. Al intentar dividir un elemento por primera vez, hay que tener mucho cuidado: no se puede trabajar sobre una superficie dura. Al aplicar una gran fuerza a un elemento que se encuentra sobre una superficie dura y plana, solo se puede hacer un agujero en él. Para crear tensión mecánica, el elemento debe doblarse. He descubierto que un par de hojas de papel (puede ser de periódico) son suficientes para dividir un elemento. De esta forma sólo se pueden dividir elementos monocristalinos. Los elementos policristalinos recientemente aparecidos (células de Wacker) no se pueden dividir simétricamente. Si intentas hacer esto, la célula solar se romperá en un millón de pedazos. Un elemento policristalino es fácil de distinguir de un elemento monocristalino. Como resultado del procesamiento, el monocristal tiene una estructura superficial uniforme y lisa. El policristalino tiene el aspecto superficial característico del acero galvanizado. soldadura de celulas solares Una vez seleccionadas las células solares para su funcionamiento, es necesario soldarlas. Por lo general, tenemos a nuestra disposición células solares en serie equipadas con rejillas colectoras de corriente y contactos traseros, que están diseñados para soldarles conductores. Durante la fabricación, los contactos suelen estar recubiertos con soldadura que contiene una pequeña cantidad de plata. La plata protege la punta del soldador contra la destrucción y la posible adhesión de contactos metálicos delgados durante la soldadura. Recuerde que los colectores de corriente son tan frágiles como los conductores metálicos de las placas de circuito impreso. Los fabricantes de células solares suelen utilizar soldaduras, fundentes y conductores especiales para las conexiones. La soldadura que contiene un 2% de plata siempre se puede comprar en la tienda. En lugar de colofonia, es necesario utilizar un fundente normal a base de agua para que se pueda lavar fácilmente de la superficie del elemento después de soldar. Lo más difícil de encontrar es un conductor de cinta plano, ya que rara vez se encuentra a la venta. Sin embargo, puedes hacer algo similar tomando un trozo de alambre de cobre y aplanando el extremo con un martillo. En su lugar, puedes usar lámina de cobre o simplemente alambre de cobre delgado. El proceso de soldadura en sí es sencillo, pero debe realizarse rápidamente. La oblea de silicio es un muy buen disipador de calor y si toca el elemento con un soldador durante mucho tiempo, la punta del soldador se enfriará por debajo del punto de fusión de la soldadura. Primero necesitas estañar el cable usando un poco más de soldadura de lo habitual, pero no demasiada. La célula solar ya está estañada durante la fabricación. Para el trabajo se recomienda utilizar un soldador con una potencia de 30 o 40 W. La punta del soldador debe estar limpia y caliente. Mientras el soldador se calienta, se aplica fundente al elemento y se presiona el alambre estañado contra la base del contacto del elemento. Ahora toca la superficie del cable con un soldador caliente. Es necesario que la conexión esté "envuelta" con soldadura fundida y que se garantice un contacto confiable del cable con el elemento. La soldadura se realiza con un solo toque: hay que trabajar rápido, pero con cuidado. El contacto trasero se suelda de la misma forma. Para obtener una cadena secuencial de elementos, el contacto frontal del primer elemento se conecta mediante un cable al contacto trasero del segundo. Luego, otro trozo de cable conecta el contacto frontal del segundo con la parte posterior del tercero, etc. El contacto frontal es el electrodo negativo, mientras que el posterior es el electrodo positivo. Otro método muy extendido es conectar elementos como un tejado de tejas. Si alguna vez has visto un techo de tejas, ya te haces una idea. El contacto frontal de un elemento está cubierto en la parte superior por el contacto posterior del otro. El punto de contacto se calienta con un soldador y así los dos elementos quedan conectados entre sí. Tal conexión se muestra en la Fig. 7.
Es necesario poner un poco de soldadura sobrante en la punta para poder soldar los elementos de manera confiable. Tenga cuidado de no sobrecalentar el elemento, de lo contrario no habrá ningún contacto. De esta forma, es mejor soldar elementos pequeños en los que se pueda calentar al mismo tiempo toda la zona de contacto. Es mejor utilizar una punta de soldador rectangular especial diseñada para desoldar circuitos integrados de placas de circuito impreso. El calentamiento y la presión uniformes son la clave del éxito. Protección de la batería Ahora que la batería está ensamblada, es necesario protegerla de daños mecánicos y de la exposición a las condiciones climáticas. Lo mejor es colocar los elementos con su superficie frontal sobre una lámina limpia de vidrio o plexiglás. Es preferible utilizar vidrio de seguridad; luego, en orden descendente de propiedades protectoras, se encuentran el vidrio templado para ventanas, el plástico acrílico y el vidrio normal para ventanas. El revestimiento transparente protege la batería de daños mecánicos debido a impactos, torsiones y flexiones. Pero no protege bien de la humedad. Como se sabe, el silicio es ligeramente higroscópico; esto significa que absorbe muy poca agua. Sin embargo, después de un largo período de tiempo, se observa una disminución gradual en las características de salida del elemento, debido a la influencia de la humedad. Por tanto, la duración de la batería depende directamente de la calidad del aislamiento contra la humedad. El aislamiento contra la humedad se puede conseguir de muchas formas. Según uno de ellos, la parte trasera se puede rellenar con caucho líquido. Para hacer esto, es necesario hacer un marco alrededor del perímetro del vidrio protector para que el polímero líquido no se desborde. Además, el marco duradero protege bien el cristal protector de golpes laterales. Otro método consiste en cubrir la parte posterior de la batería con una lámina gruesa de plástico Mylar y calentar toda la batería, por ejemplo con una lámpara incandescente, hasta que el Mylar se derrita y se adhiera a la cubierta protectora frontal. Esta operación requiere cierta habilidad, especialmente en el caso de baterías grandes. La tapa trasera de mylar se puede pegar fácilmente. A menudo, la operación mencionada es más sencilla que calentar, pero las propiedades aislantes se deterioran. Finalmente, la parte posterior de las celdas de la batería se puede recubrir con varias capas de látex. Esto no parece tan agradable desde el punto de vista estético, pero proporciona propiedades a prueba de humedad bastante buenas. El último método, pero no menos importante, es hacer una caja impermeable y herméticamente sellada para los elementos. Es caro, pero proporciona el aislamiento necesario contra la humedad. Autor: Byers T.
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