Proyecto Final Taller de Investigacion

Instituto Tecnológico de Saltillo

Aplicación de Celdas Solares Ingeniería Mecatronica Gerardo Escobedo Eduardo Pérez García Edgar Figueroa Eleazar Alvarado Ing. Juan Manuel Saucedo Alonso

Saltillo, Coahuila; 13 de mayo del 2013

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Índice Introducción…………………………………...…………………...…………………pag.3

Problema de investigación……………………………….…….…….……………..pag.4 Descripción del problema………...…………..……………………….……………pag.4 Objetivo General……………………………………………………………………..pag.4 Objetivo especifico………………….……………………………………………...pag.4 Preguntas de investigación……………………………………….…………………pag.5 Justificación…………………………………….……………………………………..pag.5  Alcances y Limites……………………………………………………………………pag.6 Marco teórico…………………..……………………………………………………..pag.7 Hipótesis……………………………………………………………………..………pag.12 Identificación de Variables…….………………………………….………………pag.12

Metodología de la investigación……………………………………….…………..pag.13 Tabla de congruencia………………………….………………………………….pag.13 Tipo de investigación……………………………………...………………………pag.14 Resultados……………………………………………………………………………pag.14 Resultados obtenidos……………………………………………………………..pag.17 Recursos Administrativos……………………………….…………………………..pag.18 Cronograma Actividades……………………………………………………………pag.19 Conclusiones…………………………………………………………………………pag.21 Bibliografía……………………………………………………………………………pag.22

 Anexos………………………………………………………………………………..pag.23

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Introducción La energía eléctrica no está presente en la naturaleza como fuente de energía primaria y en consecuencia, sólo podemos disponer de ella mediante la transformación de alguna otra forma de energía. Es por eso que han surgido todo tipo de plantas generadoras de energía a partir de combustibles fósiles, sin embargo, se ha notado que esta forma de generación produce mucha contaminación y devastación de los recursos naturales con los que cuenta nuestro planeta. Las llamadas "energías alternativas" son aquellas cuyo uso no genera contaminación y entre ellas podemos citar la energía eólica o la energía solar. La generación de este tipo de energía eléctrica no produce contaminantes, en especial la energía solar, y es por eso que últimamente ha tomado mucha importancia debido al mal estado en el que se encuentra nuestro ecosistema. En años recientes ha habido un creciente interés por la celda solar como una fuente alternativa energía, Cuando consideramos que la densidad de potencia recibida del sol al nivel del mar es de aproximadamente 100 mW/cm2 (1 kW/m2). En verdad es ésta una fuente de energía que requiere más investigación y desarrollo para maximizar la eficiencia de la conversión de energía solar a eléctrica. Por lo que decidimos investigar sobre el funcionamiento de celdas solares, por lo cual con este proyecto se beneficiara al Instituto Tecnológico de Saltillo, la energía solar se puede describir como la energía que se recibe de la luz del sol y se convierte en energía eléctrica para el uso humano. Es más barata y fiable ya que el sol es fácilmente disponible, por otra parte, los paneles solares son elementos construidos cuya finalidad principal es la de convertir la energía solar en energía eléctrica. Se construyen a partir de un elemento llamado silicio, el cual interviene en el proceso de creación de energía eléctrica a partir de la luz del sol. La energía solar puede incidir de forma directa o indirecta. En los días nublados a contrario de lo que se cree se puede producir energía perfectamente.

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Aplicación de celdas solares dentro del Instituto Tecnológico de Saltillo

¿Qué beneficio tendría la aplicación de celdas solares, en el Tecnológico de Saltillo, para el uso de alumbrado nocturno?

Decidimos investigar este problema para reducir gastos por la energía eléctrica consumida por el alumbrado nocturno en el ITS, el cual es necesario por  cuestiones de estudio y por seguridad para alumnos, docentes e instalaciones. Por lo cual, mediante la aplicación de celdas solares sustentaremos dicha energía eléctrica reduciendo gastos por el consumo lo cual a su vez reducir lá contaminación por generar la energía eléctrica.

Objetivo general

Emplear celdas solares como sustento de energía eléctrica.

Objetivos específicos  

Sustentar el alumbrado nocturno Reducir gastos por consumo de energía

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Preguntas de Investigación

1. ¿Será posible sustentar el alumbrado nocturno mediante la aplicación de celdas solares? 2. ¿Habrá nuevas formas de instalación mas practicas?

Justificación En los últimos años ha habido un gran aumento en el consumo de energía eléctrica debido al alumbrado nocturno y las nuevas instalaciones. Lo que se pretende en esta investigación es sustentar por medio del uso de celdas solares dicho problema. Por lo cual hemos decidido encontrar el consumo exacto del alumbrado, comparar el gasto por el consumo del alumbrado y el gasto de la aplicación de celdas, para saber si es viable realizar la inversión de la instalación de celdas. Con esto se reducirá el gasto económico por el consumo del alumbrado y la contaminación por la generación de la energía, dicho gasto eliminado podrá ser  utilizado en beneficio de la educación para los estudiantes del Instituto Tecnológico de Saltillo

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Alcances 

Con este proyecto, se espera beneficiar de manera económica y tecnológica a la Institución.



Que la institución sea reconocida para el uso de nuevas tecnologías no contaminantes.



Reforzar conocimientos eléctricos, materiales y herramientas de instalación.

Limitaciones 

Se pretende sustentar el alumbrado nocturno para exteriores, no el utilizado para iluminación de interiores como lo son salones, laboratorios, bibliotecas, cafeterías.

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Marco teórico Durante gran parte de los años ochenta y de principios de los años noventa el mayor mercado para los paneles solares estaba en las fuentes de alimentación para áreas remotas y algunos productos de consumo (relojes, juguetes y calculadoras). Sin embargo a medidos de los años noventa fue lanzado un importante esfuerzo para desarrollar paneles solares integrados en la construcción de edificios para ser conectados a la red. El tejado fotovoltaico actualmente está liderando el desarrollo del mercado en Japón, Europa y los EE.UU. Japón tiene actualmente un programa que apunta a construir 70.000 hogares solares, con el cual para el año 2010 esperan alcanzar unos 4.820 MW producidos por sistemas fotovoltaicos. En Europa, varios países están apoyando la construcción de hogares solares, con el Parlamento Europeo proponiendo un esquema 1.000MW. En los EE.UU., presidente Clinton anunció un programa de techos solares, que apunta instalar paneles solares en un millón azoteas en América antes de 2010 .

1. Celdas Solares ¿Qué es una celda solar? Un panel solar es un módulo que aprovecha la energía de la radiación solar. El término comprende a los colectores solares utilizados para producir agua caliente y a los paneles fotovoltaicos utilizados para generar electricidad. La materia base de las celdas son materiales semiconductores también utilizados en otros dispositivos como diodos, transistores y circuitos integrados.  Actualmente existe una amplia gama de celdas que utilizan diferentes materiales y estructuras. Los materiales más comúnmente utilizados son el silicio monocristalino y el silicio multicristalino. Más económicas pero considerablemente menos eficientes son las celdas de silicio amorfo, aplicadas en un principio a relojes, calculadoras. La forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia del potencial entre las capas. Este voltaje es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de producir trabajo útil. La parte más importante de las celdas solares son las capas de semiconductores.

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1.1 Tipos de celdas solares Célula de silicio monocristalino  Al enfriarse, el silicio fundido se solidifica formando solo un único cristal de grandes dimensiones . Luego se corta el cristal en delgadas capas que dan lugar a las células. Estas células generalmente son un azul uniforme. Ventajas: Buen rendimiento de 14% al 16%5 , Buena relación Wp m² (~150 WC/m², lo que ahorra espacio en caso necesario Número de fabricantes elevado. Inconvenientes: Costo elevado Células de silicio multicristalino Una célula fotovoltaica basada en silicio muticristalino. Durante el enfriamiento de silicio en un molde se forman varios cristales. La fotocélula es de aspecto azulado, pero no es uniforme, se distinguen diferentes colores creados por  los diferentes cristales. Ventajas: Células cuadradas que permite un mejor funcionamiento en un módulo, Eficiencia de conversión óptima, alrededor de 100 Wp/m², pero un poco menor que en el monocristalino. Inconveniente: Bajo rendimiento en condiciones de iluminación baja. Hablamos aquí de silicio muticristalino El término policristalino se utiliza para las capas depositadas sobre un sustrato (granos pequeños). Célula Tándem:  Apilamiento monolítico de dos células individuales. Mediante la combinación de dos células (capa delgada de silicio amorfo sobre silicio cristalino, por ejemplo) que absorben en el espectro al mismo tiempo se solapan, mejorando el rendimiento en comparación con las células individuales separadas, sean amorfas, cristalinas o microcristalinas.

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Ventajas:  Alta sensibilidad en un amplio rango de longitudes de onda. Excelente rendimiento. Desventajas: El costo es alto debido a la superposición de dos células. Célula multiunión: Estas células tienen una alta eficiencia y han sido desarrolladas para aplicaciones espaciales. Las células multiunión están compuestas de varias capas delgadas usando la epitaxia por haz molecular. Un células de triple unión, por ejemplo, se compone de semiconductores GaAs, Ge y GaInP2. Cada tipo de semiconductores se caracteriza por un máximo de longitud de onda más allá del cual no es capaz de convertir los fotones en energía eléctrica (ver banda prohibida). Por otro lado, por debajo de esta longitud de onda, el exceso de energía transportada por el fotón se pierde. De ahí el valor de la selección de materiales con longitudes de onda tan cerca el uno al otro como sea posible, de forma que absorban la mayoría del espectro solar, generando un máximo de electricidad a partir del flujo solar. El uso de materiales compuestos de cajas cuánticas permitirá llegar al 65% en el futuro (con un máximo teórico de 87%). Los dispositivos de células de uniones múltiples Ga-As son más eficaces. Spectrolab ha logrado el 40,7% de eficiencia (diciembre de 2006) y un consorcio (liderado por investigadores de la Universidad de Delaware) ha obtenido un rendimiento de 42,8%6 (septiembre de 2007). El costo de estas células es de aproximadamente USD 40 $/cm². El semiconductor FBI: La técnica consiste en depositar un material semiconductor que contiene cobre, galio, indio y selenio sobre un soporte. Una preocupación, sin embargo: los recursos de materias primas. Estas nuevas técnicas utilizan metales raros, como indio, cuya producción mundial es de 25 toneladas por año y el precio a fecha de abril del 2007 es de 1.000 dólares por  kg; el teluro , cuya producción mundial es de 250 toneladas al año; el galio con una producción de 55 toneladas al año y el germanio con una producción de 90 toneladas al año.  Aunque las cantidades de estas materias primas necesarias para la fabricación de células solares son infinitesimales, un desarrollo masivo de paneles fotovoltaicos solares debería tener en cuenta esta disponibilidad limitada.

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2. Sustento de energía eléctrica Energía eléctrica sustentable es un concepto que lucha por aumentar la eficiencia energética en el uso de la corriente eléctrica. El concepto apunta a plantear preocupaciones en nuestra sociedad global, tales como resolver la forma de conservar e incrementar la disponibilidad de energía o buscar formas de reducir  los peligrosos gases de invernadero. La energía eléctrica sustentable ofrece al mercado oportunidades para alcanzar beneficios financieros, medioambientales y relacionados con la salud. Estas ventajas pueden ser concretadas a lo largo de toda la cadena de los sistemas, desde la generación eléctrica hasta la transmisión, distribución y el uso final de la energía. Los productos que son energéticamente eficientes producen importantes impactos positivos durante su vida útil.

2.1 Iluminación Las luminarias solares son una solución económica para iluminación pública en entornos sin red eléctrica. No sólo convencen por su fiabilidad y su larga vida útil sino también por suflexibilidad: no requiere tendido eléctrico y puede ser instalada en cualquier sitio, se instala rápidamente., lo único que se necesita es una base de concreto y un lugar bien soleado. Consiste en los módulos solares sobre un soporte de inclinación y orientación ajustable, en la punta del poste cónico de 7 m de altura. Los módulos solares cargan el banco de baterías libre de mantenimiento mediante un controlador/temporizador PWM programable que además enciende y apaga la lámpara. Las baterías y control se alojan en un gabinete de lámina galvanizada, aislado térmicamente para alargar la vida de las baterías. El envolvente de la lámpara es de aleación de aluminio con reflector óptico. El sistema se suministra con todos los cables, tornillería y accesorios para la instalación.

2.1.1 Pasillos La energía solar, gracias a las celdas solares es captada, y acumulada en su estructura y luego esta puede ser utilizada para distintos fines, ya sea el de encender una lámpara, ó el de calefaccionar un ambiente. Ahora bien, ¿qué son las lámparas con celdas solares? Las lámparas con celdas solares son una de las formas en las cuales vamos a poder encontrar al las celdas solares en el mercado,

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sí aunque parezca extraño, hay lámparas que tienen en su estructura algún tipo de celda solar incorporada.

Utilidad Si hablamos desde el lado ambiental las lámparas con celdas solares está de más decir que son mucho más duraderas y que son muchísimo menos nocivas para el medio ambiente a la hora de deshacerse de ellas. Cuando mencionábamos que desde un lado económico beneficiaba a las personas que las adquirían, lo mencionamos por que es muy cierto, ya que su costo en el mercado es bajo, y si lo vemos desde el lado de la durabilidad, las lámparas con celdas solares son sumamente duraderas, y esto va a hacer que no las estemos cambiando constantemente como suele suceder con otro tipo de lámparas. También dijimos que desde el lado de la salud las lámparas con celdas solares son muy útiles ya que son más sanas, por el simple hecho de estar  funcionando en base a una energía pura, sumamente renovable, como lo es la energía solar que siempre esta, que nunca se acaba, pero que desgraciadamente no la sabemos utilizar, o no queremos saber de su aprovechamiento

3. Reducción de gasto económico  Actualmente las personas pueden ahorrar miles de dólares todos los años a través de la generación de energía gratuita y renovable. El actual entorno económico no es muy alentador lo que significa que todos tenemos maneras de reducir los gastos, una buena alternativa serian los paneles solares. La energía térmica nos llega todos los días sin ningún costo y el sol es la única manera de lograr esto. La instalación de paneles solares pueden reducir los gastos del hogar  eléctrica en un 90%. Usted puede dejar totalmente fuera de la red eléctrica mediante la instalación de varios paneles solares de DIY. Dentro de los siete días de la instalación los ahorros que usted verá serán notables.

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3.1 Reducción de contaminación ambiental Cada vez más las cuentas de energía van incrementando de una forma más frecuente y nuestros ingresos van disminuyendo al mismo ritmo, estas cuentas y dolores de cabeza pueden ser sustituidas por una energía térmica que nos ayude con nuestra economía y al mismo tiempo ayude al medio ambiente. Esta es una excelente manera de tener un impacto positivo en el ecosistema. Una gran cantidad de diversión se pueden derivar de la reparación de un panel solar. El placer de realizar el trabajo es uno de los muchos beneficios que usted recibe. Reducción del calentamiento global es un tema al que todos pueden contribuir y esta es una excelente manera de hacerlo.

Hipótesis 1. La energía consumida por el alumbrado nocturno puede ser sustentada mediante celdas solares

2. Con la aplicación de las celdas, existirá un beneficio para la institución tanto educativo como económico

1° V.D= V.I= 2° V.D= V.I=

Relación entre Variable

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Metodología de la Investigación

 Aplicación de Celdas Solares

Emplear Celdas Solares como sustento de Energía Eléctrica

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¿Qué benefició tendría la aplicación de celdas solares en el Tecnológico de Saltillo, para el uso de alumbrado nocturno? V.D= Beneficio V.I= Aplicación de celdas solares U.A= Tecnológico de Saltillo Tipo de Investigación= Investigación Correlacional PK Diseño de Investigación= Experimental PK Población y muestra= Probabilística o no probabilística PK

Resultados 1°¿Tiene algún conocimiento de celdas solares?

1 2 3 4 5

SI SI SI SI SI

6 7 8 9 10

SI SI SI SI SI

2°Mencione algunos beneficios que conlleva el uso de celdas solares.

1 2 3 4

 Ahorro de energía  Ahorro de energía  Ahorro de energía  Ahorro de energía y dinero 5 Menos consumo de energía eléctrica

6 7 8 9

Consumen menos energía  Ahorro de energía  Ahorro de energías no renovables  Ahorro de energía

10  Ahorro de energía y dinero

3° ¿Cree que sea posible sustentar el alumbrado nocturno mediante energía producida por celdas solares?

1 2 3 4 5

SI SI SI SI SI

6 7 8 9 10

SI SI pero necesitarían muchas celdas solares SI SI SI

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4° ¿Apoyaría la instalación de celdas solares para sustentar dicha energía?

1 2 3 4 5

6 7 8 9 10

SI SI SI NO SI

SI SI sería más económico SI SI SI sería menos costoso

10 8 6 4 2 0 SI

NO

Ilustración 1 ¿Tiene algún conocimiento acerca de celdas solares?

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Ahorro Energía

Ahorro Dinero

Ahorro de Energias no Renovables

Ilustración 2 Mencione algunos benefició que conlleva el uso de celdas solares.

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100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Si

No

Ilustración 3¿Cree que sea posible sustentar el alumbrado nocturno mediante energía producida por celdas solares.

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Si

No

Ilustración 4 ¿Apoyaría la instalación de celdas solares para sustentar dicha energía?

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Resultados Obtenidos.

Planteamiento de Investigación

Causas

Medios

Acciones

¿Qué beneficios tendría la aplicación de celdas solares, en el Tecnológico de saltillo para el uso de alumbrado nocturno.

° Alto consumo de energía eléctrica.

Docente Tecnológico de Saltillo.

° Instalar celdas solares

°Reducción de gasto económico. °Reducción de contaminaci ón.

°http://fabricantessolares.com/es °http://erdm-solar.com/ °http://www.iluminacionsolar. com.mx/EnergiasRenovables/Cel dasSolares/Celdas Solares y  Accesorios.aspx

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Recursos Administrativos Recursos Materiales    

Conocimiento sobre funcionamiento de las celdas solares Encuestas Graficar estadísticas Equipo de oficina

Recursos Humanos  

Ing. Eléctricos y electrónicos Instalación

Recursos Económicos 

Presupuesto $$$

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Cronograma de Actividades Actividades

1

2

3

4

5

6

7

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9 10 11 12 13 14 15

Eleccion del tema de Inv. Introduccion    O    RPlanteamiento del problema    E Descripcion del Problema    R Objetivos    B    E Preg. de Investigacion    F Justificacion Viabilidad Indicadores

X

X X

X

   O    Z    R    A    M

X

X

X

 Alcances Limites Marco teorico Tipo de Investigacion Hipotesis

   L    I    R Diseño de investigacion    B Tabla de Investigación    A Tabla de congruencia    O Resultados Obtenidos    Y Conclusiones    A    M

X

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X

X X

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Actividades    O    R    E    R    B    E    F

   O    Z    R    A    M

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Eleccion del tema de Inv. Introduccion Planteamiento del problema Descripcion del Problema Objetivos Preg. de Investigacion Justificacion Viabilidad Indicadores  Alcances Limites Marco teorico Tipo de Investigacion Hipotesis

   L    I    R Diseño de investigacion    B Tabla de Investigación    A Tabla de congruencia Resultados Obtenidos    O    Y Conclusiones    A    M

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Conclusiones Concluimos en que valió mucho la pena investigar sobre celdas solares, ya que así pudimos observar que la energía solar realmente nos sirve para nuestra vida diaria y aun que es algo complicado la construcción, tiene ventajas y desventajas. Con este proyecto podemos contribuir a esta causa simplemente buscando más maneras de obtener energía eléctrica por otros medios donde no se contamine al medio ambiente. Se dice que este producto puede ofrecer un buen funcionamiento con alternativas que no contaminen al ambiente; su calidad es muy buena. Además de que se es noble con el ambiente. Todo esto con la intención de lograr métodos de transformación de energía, más sanos para el medio ambiente, para el docente y alumnos del Instituto Tecnológico de Saltillo, por lo que se han visto afectados por los altos costos de consumo de energía que implica poner gastar gran parte del dinero de la institución en esta energía, ya que con la aplicación de celdas solares su consumo reduce notablemente y brinda menos contaminación

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Bibliografía http://www.textoscientificos.com/energia/celulas http://www.instalacionenergiasolar.com/energia/celdasfotovoltaicas.html  AUTOR CINVESTAV (IPN) TEXTO La conversión fotovoltaica de la energía solar  EDITORIAL IPN 1990/pags.1-17 http://hpt.conectate.gob.pa/servlet/SBReadResourceServlet?rid=12157 32703625_175919861_726&partName=htmltext

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Anexos

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