Archivo para octubre, 2013


Si el Sol emitiera fotones con la misma cantidad de energía, sería posible elegir un material para construir celdas solares que generaran un par electrón-hueco con una energía levemente menor que la del fotón incidente, pero el Sol emite fotones con distintas energías, lo que hace que para cualquier material que se escoja, algunos fotones no tendrán la suficiente energía para liberar electrones del material y generar poder, y otros tendrán demasiada y el exceso será convertido en calor. El material que se elija, debería ser elegido de forma tal que presente un buen comportamiento ante el espectro solar, es decir, que su eficiencia de conversión esté lo más cercana al límite teórico.

En la figura se aprecian las eficiencias teóricas de ciertos materiales como las medidas experimentalmente para el espectro AM1.5. Se aprecia que las celdas de Silicio (las más usadas) tienen una eficiencia apreciable, y a su vez que las de Galio-Arsénico presentan una de las mayores eficiencias.

eficiencia_teorica_maxima_celdas_fotovoltaica


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La radiación solar viaja en línea recta, pero los gases y partículas en la atmósfera pueden desviarla. Este proceso es conocido como dispersión. La dispersión ocurre cuando un fotón se encuentra con un obstáculo en su camino, el cual sólo hace que el fotón cambie la dirección de su recorrido, sin ser absorbido. La dispersión depende de la longitud de onda, en el sentido de que mientras más corta sea ésta, mayor será la dispersión. Moléculas de gas con tamaños relativamente pequeño comparadas con la longitud de onda causan que la radiación incidente se disperse en todas las direcciones, hacia adelante y hacia atrás, este fenómeno es conocido como dispersión de Rayleigh. Aerosoles cuyos tamaños son comparables o exceden a las longitudes de onda de la radiación incidente, hacen que ésta no se disperse en todas las direcciones de manera igual, sino que mayormente hacia adelante, fenómeno llamado dispersión de Mie.

El proceso de la dispersión explica por qué un área con sombra o un lugar sin luz solar está iluminada: ella recibe la radiación difusa, la cual parece venir desde toda la bóveda celeste.

Los gases de la atmósfera dispersan más efectivamente las longitudes de onda más cortas(violeta y azul) que las longitudes de onda más largas (naranja y rojo), lo que se aprecia en la siguiente figura:

dispersion_luz_solar_atmosfera

 

La dispersión de Rayleigh explica el color azul del cielo durante el día y los tonos rojizos del amanecer y atardecer. La dispersión de Rayleigh es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda λ, lo cual significa que la longitud de onda más corta de la luz azul se dispersará más que las longitudes de onda más largas de la luz amarilla y roja, lo cual da al cielo su apariencia azul. Por el contrario, cuando se observa el Sol directamente, lo que se aprecia son los colores que no fueron dispersados, siendo ellos los asociados a las longitudes de onda como las del amarillo y rojo. A su vez, cuando el Sol está cerca del horizonte, el rayo de luz debe recorrer un volumen de aire mucho mayor al que recorre cuando el Sol se encuentra lejos del horizonte, haciendo que casi toda la luz azul sea dispersada antes de llegar al observador. Es por eso que la luz reflejada por las nubes o la difundida por las capas brumosas hacia el observador aparece rojiza durante atardeceres y amaneceres.

En la siguiente figura se aprecia el comportamiento típico de la absorción provocada por la atmósfera.

comportamiento_tipico_absorcion_por_la_atmosfera


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Cada semiconductor presenta una capacidad de absorción diferente para fotones de distintas energías, que se mide mediante su coeficiente de absorción, α(λ). Este coeficiente nos indica la cantidad de fotones que se absorben por unidad de longitud de material atravesado por la radiación a cada longitud de onda, λ. En la figura se muestran los coeficientes α(λ) de distintos semiconductores. Algunos materiales son muy absorbentes y permiten que las capas activas que conforman la célula sean muy delgadas (del orden de algunas micras, como en el GaAs) mientras que otros materiales requieren de mayores espesores al tener coeficientes de absorción más bajos (caso del Si cristalino, por ejemplo).

En una entrada anterior se hizo una simulación del coeficiente de absorción del silicio hecho en Matlab.

coeficiente_de_absorción_semiconductor


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Para crear este campo eléctrico en la estructura del dispositivo, se introduce en el semiconductor una cierta cantidad controlada de impurezas (llamados dopantes), es decir, átomos de otro elemento distinto al material de partida que presenta un exceso o un defecto de electrones en sus capas más externas respecto al material intrínseco (libre de impurezas).

Una impureza se considera donadora cuando el elemento utilizado tiene un electrón de valencia más que el material intrínseco (caso de dopantes como el P, As o Sb añadidos al Si). Un material semiconductor dopa con una impureza donadora se dice que es del tipo n.  Es decir, obsérvese que introducir impurezas aceptoras supone un incremento en la concentración de huecos en el material mientras que impurezas donadoras provocan un aumento en la concentración de electrones. Cuando el material extrínseco ha ganado electrones, se dice que es de tipo negativo o de tipo-n.

La impureza se considera aceptora cuando el dopante tiene un electrón de valencia menos que el semiconductor intrínseco (caso del B, Ga, In, o Al agregados al Si). Un material semiconductor dopa con una impureza donadora se dice que es del tipo p, porque ha aumentado la densidad de huecos.

Lo esencial del proceso de dopaje es que la presencia de estas impurezas en cantidad suficiente modifica notablemente la concentración de portadores en el semiconductor en un rango de temperaturas muy amplio, tal como muestra la figura, debido a que las impurezas introducidas se ionizan muy fácilmente a temperaturas relativamente bajas. El semiconductor así dopado se denomina extrínseco para indicar que su densidad de portadores está alterada respecto a su concentración inicial.

variacion_concentracion_electrones_por_impurezas


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creacion_pares_huecos

En la figura se han ilustrado los procesos que acabamos de mencionar en un modelo de bandas de energía. En este modelo, los niveles de energía permitidos para los electrones más alejados del núcleo atómico (electrones de valencia) de los átomos que conforman una red cristalina se agrupan en dos rangos o bandas de energía. El rango o banda inferior de estados permitidos se denomina banda de valencia y representa el conjunto de valores energéticos posibles para electrones de valencia que aún permanecen ligados a los átomos de la red. La banda superior se denomina banda de conducción y engloba los valores de energía posibles para electrones que han roto su enlace y pueden moverse libremente en el seno del material. Ambas bandas aparecen separadas entre sí por un intervalo que representa la cantidad de energía necesaria para que un electrón de valencia pueda romper el enlace. Este salto energético se llama banda prohibida o gap de energía, EG, y su anchura es característica de cada material semiconductor (ejemplo: EG = 1,12 eV para el Si; 0,66 eV para el Ge; 1,42 eV para el GaAs).

Cuando es la temperatura es T=0 K todos los espacios tanto en la banda de conducción como en la de valencia, se encuentran ocupados. Cuando la tempeartura es mayor a 0 K, debido al efecto térmico que induce un movimiento térmico de los electrones, algunos llegan a obtener la suficiente energía para pasar de la banda de valencia a la banda de condución. Con la incidencia de fotones con la energía suficiente van a permitir el paso de más electrones desde la banda de valencia a la conducción.

Las propiedades ópticas, electrónicas y de conducción de un material semiconductor están relacionadas precisamente con la existencia de esa banda prohibida de energía. Por ejemplo, el valor del gap de energía EG, se reduce con la temperatura y provoca, entre otras cosas, que la densidad deportadores en equilibrio en un material intrínseco aumente notablemente al incrementarse la temperatura. Lo cual se han representado en la figura.

variacion_temperatura_concentracion_Semiconductores


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turbina_de_gas_esquema_1

Son las turbinas de gas una forma cada vez más usual de obtener energía eléctrica y calor, sea por gas natural o por metano proveniente de rellenos sanitarios. En la figura superior se observa un arreglo de turbina de gas simple. Existe ahora lo que son las microturbinas de gas. Novel tecnologías que se adaptan a las necesidades del hogar. Más el elemento clave de todo esto son los álabres, hechos de materiales que soportes las temperaturas, los esfuerzos térmicos y debido a las altas velocidades de rotación. Una forma de como se observa en una turbina y como es que están insertados en el eje se puede apreciar en la figura inferior.

alabas_turbina_de_gas

A todo esto, estudiar las turbinas de gas o microturbinas de gas es un tema bastante interesante, no sólo la parte estructural, sino la dinámica, el balance energético, entre otros. Los álabes que son los elementos básicos de este equipo, tienen especial énfasis de análisis, dado que su diseño, construcción, instalación y evaluación de desempeño es fundamental en este tipo de equipos.


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wave_quantum_probability

Según los principios del a mecánica cuántica, las partículas elementales son ondas. En esta figura mostramos dos funciones de onda con sus clásicas formas de tipo gaussiano. Sin embargo la probabilidad de estas, es la multiplicación del cuadrado de sus funciones. Entonces la figura muestra tales cosas, y en el de la derecha en especial se muestra la señal de probabilidad mucho mejor que las dos funciones de onda (resultado de una simulación hecha en Matlab).

Lo que se puede decir es que este es un campo emocionante de simular los principios de mecánica cuántica, pero choca con muchas dificultades dado que los operadores y además la física requiere mucho cuidado al escribir los códigos, porque la mecánica cuántica tiene conceptos nuevos bastante fuera de los conceptos usuales de la mecánica clásica y la visión ordinaria tridimensional de una persona.


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El Acta de Seguridad e Independencia Energética del 2007 (EISA) firmado por el Presidente Geoge W. Bush describe vívidamente una Smart Grid que puede predecir, adaptar y reconfigurarse así misma de manera eficiente y confiable. El objetivo de la modernización de la red de EE.UU. como se indica en el Acta es mantener una infraesctructura eléctrica confiable y segura que puede atender el futuro crecimiento de la demanda. En la siguiente figura ilustra las características necesarias para facilitar el desarrollo de una energía eficiente con un sistema fiable.

rationale_for_the_smart_grid

El Acta establece un Smart Grid Task Force (Grupo de Trabajo en Smart Grid), cuya misión es “asegurar el conocimiento, coordinación e integración de las diversas actividades de la DoE Office y en otra parte el Federal Government relacionado a las prácticas y tecnologías de las smart grid”. Las actividades del Grupo de Trabajo incluye investigación y desarrollo, desarrollo de estándares y protocolos ampliamente aceptados; la relación de las tecnologías de las smart grid y prácticas de regulación de las empresas eléctricas; la relación de las tecnologías de las smart grid y las prácticas para desarrollar la infraestructura, la fiabilidad del sistema, y la seguridad; y la relación de las tecnologías y prácticas de las smart grid para con otras facetas del suministro, demanda, transmisión, distribución y normas de electricidad. En respuesta  a la legislación , la comunidad educativa y de investigación de los Estados Unidos de América participa activamente en:

  1. Programas de desarrollo e investigación en smart grid.
  2. Desarrollo de amplicamente aceptados estándares y formas de protección de las smart grids.
  3. Desarrollo de la infractructura que va a permitir la implementación de las smart grid.
  4. Certeza de los sistemas de fiabilidad y seguridad.
  5. Normas (políticas) y motivación para fomentar el suministro de tecnologías de smart grid para generación, transmisión y distribución.

En la siguiente figura, muestro estos cinco aspectos básicos de la implementación y su despliegue.

Five_key_aspects_of_smart_grid_development


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La red eléctrica actual ha sido diseñada como una estructura vertical consistente en generación, transmisión y distribución y es soportado por controles y sensores para mantener la fiabilidad, estabilidad y la eficiencia. Sin embargo, los operadores del sistema están teniendo ahora nuevos cambios incluyendo la penetración de RER en el sistema, rápidos cambios tecnológicos y diferentes tipos de mercados y de usuarios finales. La siguiente iteración, las smart grid, será equipada con sistemas de apoyo en comunicaciones y técnicas de medición en tiempo real que aseguren la resilencia y el pronóstico tan bien como se pueda para protegerse de eventos internos y externos. El marco de diseño de una smart grid es basado sobre la separación y reestructuración del sector eléctrico y su optimización. La nueva red debe ser cada de:

  • Manejo de la incertidumbre en los horarios y las transferencias de energía entre las regiones.
  • Recibir el emplazamiento de fuentes de energías renovables.
  • Optimizar la capacidad de transferencia de la redes de transmisión y distribución de tal manera que se atienda la demanda con un incremento de la calidad y de la fiabilidad.
  • Gestionar y resolver eventos impredecibles e inciertos en operaciones y en planificación del funcionamiento más agresivamente.

Finalmente presento un diagrama de la comparación entre las Smart Grid y las Redes Eléctricas de hoy.

comparison_of_todays_grid_vs_smart_grid


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