Ciencias Básicas e Ingeniería Licenciatura en Ingeniería en Energía

  

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA

  

IZTAPALAPA

Ciencias Básicas e Ingeniería

Licenciatura en Ingeniería en Energía

  

“Celdas Fotovoltaicas para Energizar un Sistema

de Bombeo de Agua”

Tesis que presentan los alumnos: Cabrera Peña Ignacio.

  

Fermín Montiel Rigoberto.

Lugar de realización: Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa. Asesor Responsable:

México D. F. Diciembre 2003

  Índice Introducción ............................................................................................................................. 1 Planteamiento ........................................................................................................................... 8 Justificación .............................................................................................................................. 9 Objetivo General .................................................................................................................... 10 Objetivos Particulares ........................................................................................................... 11 Resumen .................................................................................................................................. 12 UNIDAD 1. Enlaces Químicos y Propiedades de los Semiconductores

  1.1 Enlaces químicos ............................................................................................................. 15

  Enlace Iónico .............................................................................................................. 15 Enlace Covalente ........................................................................................................ 16 Enlace Metálico ......................................................................................................... 17

  1.2 Efecto Fotoeléctrico ........................................................................................................ 18

  

1.3 Semiconductores ............................................................................................................. 19

  1.3.1 Semiconductor tipo P y tipo N ......................................................................... 24

  Diodo Semiconductor ....................................................................................... 25

  1.3.2

  1.3.3 Región de agotamiento ..................................................................................... 29

  1.4 Observaciones .................................................................................................................. 32 Referencias .............................................................................................................................. 33

  UNIDAD 2. Energía Solar Fotovoltaica

  2.3.7 Impacto ambiental que tiene la energía Solar Fotovoltaica ............................. 64

  

3.3 Aplicaciones Típicas de Bombeo Solar de Agua .......................................................... 80

  3.2.5 Análisis Hidráulico en un Sistema de Bombeo de Agua ................................. 77

  3.2.4 Evaluación de la Fricción del Fluido ................................................................ 75

  3.2.3 Fricción de un fluido ........................................................................................ 74

  3.2.2 Balance de Energía ............................................................................................72

  3.2.1 Balance de Materia ........................................................................................... 71

  

3.2 Balance de Materia y Energía para un Fluido ............................................................. 71

  

3.1 Bombeo solar de agua .................................................................................................... 69

  

2.4 Observaciones ................................................................................................................ 65

Referencias ............................................................................................................................. 66

UNIDAD 3. Análisis Energético de un Sistema de Bombeo Fotovoltaico

  2.3.6 Aplicaciones de la Energía Fotovoltaica .......................................................... 63

  

2.1. Energía Solar ................................................................................................................. 35

  2.3.5 Partes Principales de un Sistema Fotovoltaico ................................................. 52

  2.3.4 Sistema Fotovoltaico ........................................................................................ 51

  2.3.3 Clasificación de las celdas fotovoltaicos ......................................................... 48

  2.3.2 Fabricación de las Celdas Fotovoltaicas .......................................................... 48

  2.3.1 Celdas Fotovoltaicas ........................................................................................ 45

  

2.3 Energía Solar Fotovoltaica............................................................................................ 45

  2.2.2 Aparatos para medir la radiación solar ............................................................ 43

  2.2.1 Radiación Solar en México .............................................................................. 39

  

2.2. Radiación Solar ............................................................................................................. 35

  

3.4 Ventajas de Bombeo Solar de Agua .............................................................................. 83

  

UNIDAD 4. Desarrollo Experimental del Análisis Energético de un Sistema

de Bombeo Solar de Agua

  

4.1 Análisis Energético de Bombeo Solar de Agua ........................................................... 86

  

4.2 Conclusiones ................................................................................................................. 100

Referencias ........................................................................................................................... 101

Conclusiones Finales ........................................................................................................... 102

APÉNDICE 1. Diseño de un sistema de Bombeo Solar................................................... 105

APÉNDICE 2. Glosario de términos de Energía Solar .................................................... 110

APÉNDICE 3. Pérdidas por Fricción ............................................................................... 116

APÉNDICE 4. Modelos Matemáticos .............................................................................. 118

APÉNDICE 5. Hoja de cálculo para el Análisis Energético de Bombeo Solar de agua

  ................................................................................................................................................ 120

  Introducción

  Como el resto de las energías renovables, la tecnología fotovoltaica que consiste en convertir directamente la radiación solar en electricidad es una fuente de energía descentralizada, limpia e inagotable. Actualmente la fotovoltaica ya es competitiva para electrificar emplazamientos relativamente alejados de las líneas eléctricas como, viviendas rurales, bombeo de agua, señalización, alumbrado público, equipos de emergencia, etcétera. Estas propiedades motivan al hombre a transformar la radiación proveniente del sol a otras formas de energía más útiles como la eléctrica o la mecánica. De esta manera se puede aprovechar la energía disponible del sol a través de dispositivos especiales para cada uso específico.

  A través de los años se han realizado estudios relacionados con la energía Solar fotovoltaica, teniendo un gran interés en la conservación de las fuentes de energía no renovables que empezó a tratarse como una necesidad, los desarrollos que se han producido en el aprovechamiento de las energías renovables han sido espectaculares. En concreto, el actual mercado fotovoltaico crece de forma contundente y lo más importante respaldado por un interés gubernamental en el ámbito mundial.

  Para un mayor conocimiento de la situación actual de la tecnología solar fotovoltaica se muestra una gráfica y una tabla que describe esta evolución significativa de las instalaciones fotovoltaicas en el ámbito mundial y nos permiten analizar su producción y su potencia de instalación [3].

  Se observa en la gráfica 1, de como la producción mundial de módulos solares fotovoltaicos se ha multiplicado de una manera acelerada des de 1983 al 2002.

  

Gráfica 1. Producción mundial de módulos solares fotovoltaicos. Años 1983 a 2002. Unidades en

MWp.

  En la tabla 1 se describe según el tipo de aplicación: las instalaciones solares fotovoltaicas autónomas, y las instalaciones solares fotovoltaicas conectadas a la red eléctrica.

  Con respecto a nuestro país, México, hay zonas que no cuentan con los servicios de electricidad y para darnos una idea de cuantos habitantes no cuentan con dicho servicio, sé a realizado un censo para su cuantificación, los resultados obtenidos se muestran en la tabla 2 indicando que existen en el país más de 133,000 comunidades de menos de 50 habitantes, la mayoría de ella sin los servicios básicos, incluida la energía eléctrica.

  Comunidades Total Sin Electricidad %

  95373479 4551008 4.8

  Total del país

  1 – 2499 habitantes 24231590 3561427

  14.7 2500 – 4999 habitantes 5353805 232500 4.3 5000 – 9999 habitantes 4865685 146973 3.0 10000 – 14999 habitantes 2854376 65307 2.3 15000 – 19999 habitantes 1847661 32192 1.7 20000 – 49999 habitantes 6733835 148839 2.2 50000 – 99999 habitantes 4463754 58764 1.3 10000 – 499999 habitantes 19957098 186589 0.9 500000 – 999999 habitantes 12235182 60756

  0.5 Mas de 1000000 habitantes 12830493 57661

  0.4 Tabla 2. Datos del censo del 2000.

  Gracias al trabajo de Universidades, institutos y empresas, hoy se cuenta en México con la tecnología que aprovecha la energía solar para producir electricidad, ya que, afortunadamente, existen en nuestros días dispositivos como las celdas fotovoltaicas y termosolares para aprovechar más fácilmente dicha energía. La Comisión Federal de Electricidad ha acudido a este recurso para iluminar las comunidades que se encuentran alejadas de las redes de distribución. Actualmente, la paraestatal ha instalado más de 32 mil plantas solares en todo el territorio nacional, a fin de incorporar estas zonas a las líneas generales del progreso y bienestar social [1].

  Por ejemplo algunos de los lugares de México que no contaba con energía eléctrica es la Reserva Natural de Banco Chinchorro, localizada en Estado de Quintana Roo, a mar abierto, a 30.8 km del poblado costero de Mahahual, que es el punto continental más cercano y está separada de la costa por un canal de 1,000 m de profundidad, donde se tuvo la fortuna de participar en la instalación de Módulos Solares Fotovoltaicos [4].

  En el sitio de la instalación no contaba con electricidad ni agua potable, por lo que con ésta instalación permitió electrificar y establecer un sistema de bombeo solar de agua para el abastecimiento de los departamentos del lugar. También se establecerá una planta de tratamiento de aguas residuales y negras.

  El sistema de energía renovable para la RBBCH esta formado por [2]:

  a. Dos sistemas para bombeo de agua para una Carga Dinámica Total de 15 metros y un gasto promedio diario anual de 3300 litros como mínimo. Cada sistema es independiente y operar a 24 VCD.

  b. Un sistema híbrido Fotovoltaico central de 3300 Watts de potencia nominal, con capacidad para recargar de baterías mediante una máquina de combustión. La descripción de las partes de los sistemas de la instalación en la reserva es la siguiente.

  

1. Módulos FV: El sistema esta formado por 20 módulos conectados en 10 subarreglos

  serie-paralelo. El arreglo FV opera a un voltaje nominal de 24 VCD. Los módulos fotovoltaicos a emplear son de policristalinos de potencia nominal entre 100 y 120 Watts, voltaje nominal 12 VCD, con marco de aluminio anodizado.

  

2. Gabinete colector de cable FV: El sistema cuenta con un gabinete colector de cables

  del arreglo FV donde se alojaran los fusibles, uno para cada subarreglo, los fusibles son de 15 amperes. Este gabinete es de un material anticorrosivo tipo NEMA 4X.

  

3. Control de carga del sistema FV: El control de carga para el arreglo FV opera a un

  voltaje de 24 VCD. Corriente máxima de operación de 60 amperes. El control de carga cuenta con las funciones de: Compensación de temperatura, protección contra descargas atmosféricas, punto de conexión a tierra, indicador de estado de carga de baterías, indicador de corriente de módulos y totalizados de Ah entregados al banco de baterías, como mínimo. Los puntos de ajuste del controlador deberán estar claramente marcados una etiqueta en un costado del controlador.

  

4. Banco de Baterías: Este banco esta formado por un arreglo serie paralelo de 40

  baterías de 100 Ah de 12 VCD. Las baterías son del tipo selladas, libres de mantenimiento, plomo-ácido y diseñadas para soportar descargas profundas. La capacidad total nominal del banco de baterías es de 43.2 Kw-h para operar a un voltaje nominal de 24 VCD. Durante la instalación se le aplico una grasa anticorrosiva y conductora para los bordes de conexión de las baterías.

  

5. Centro de carga y sistemas de protección: El sistema cuenta con un centro de carga

  donde converjan todo los cables del sistema y se alojen los sistemas de desconexión y protección. Este gabinete es de sello hermético, a prueba de intemperismo a pesar de que esta alojado dentro del cuarto de baterías y control, es del tipo NEMA 4X. Cuenta con etiquetas identificadoras para cada uno de los interruptores y desconectores. En la puerta del gabinete hay una leyenda “Peligro alto voltaje en CD”.

  6. Sistemas de protección y desconexión: El sistema cuenta con un sistema de

  desconexión del arreglo solar con una capacidad de protección mínima de 50 Amp en CD por medio de fusibles y/o interruptores termo magnético. De igual forma un sistema de desconexión y protección entre el banco de baterías y los inversores con una capacidad de protección de 250 Amp. El sistema de protección a la salida de los inversores en c.a es de 75 Amp. El sistema en su conjunto cuenta con un sistema de protección contra descargas atmosféricas y esto esta alojado en uno en el gabinete colector del arreglo FV, y otro en el sistema de control de Inversor.

  7. Sistema de tierras. Este sistema esta conectado a un solo punto final. Todos los

  módulos FV, los gabinetes, el banco de baterías y los inversores están puestos a tierra de acuerdo a la norma NEC y CFE así como siguiendo las recomendaciones de fabricante del inversor.

  8. Cables conductores: Todo el cableado esta bien identificado por el código de colores

  de acuerdo con la norma NEC y CFE. El cableado esta calculado tomando las distancias reales de acuerdo a los planos que se proporcionen y las caídas de voltaje máximo no exceden el 4%. Todo los cables están contenidos en conduits para protegerlos del medio ambiente a excepción de los cables del banco de baterías a inversor. En los puntos de conexión ( módulos, control, etc.) están estañados para evitar la corrosión.

  9. Sistemas de inversores: El sistema cuenta con un inversor de 44000 Watts nominales.

  Este inversor provee 127 VCA, 60 Hz, onda senoidal pura, voltaje de alimentación 24

  VCD. Las características mínimas que cumplen este equipo son: Salida en CA Continua

  46 Amp Salida CA máxima

  78 Amp Eficiencia mínima a 4000 W 90% Razón máxima de carga

  75 Amp Rango de voltaje de alimentación 22 a 33 VCD Forma de onda de salida Senoidal 34 a 52 paso por ciclo Distorsión armónica total 3 a 55% Tipo de gabinete Para interruptores con pintura en polvo Rango de temperatura de operación - 10 °C a + 60 °C Rango de sensibilidad de carga 16 a 240 Watts Compensación de temperatura Incluir cable medición de temperatura de baterías

10. Estructura para el arreglo FV: Esta estructura es de tipo fija, con ángulo de

  inclinación de 25 ° respecto a la horizontal del terreno. Orientación Sur verdadero. Los materiales de construcción son de aluminio anodizado. Toda los tornillos y herrajes son de acero inoxidables 316. El anclaje al techo de la estructura está con taquetes de expansión. Esta estructura esta diseñada para soportar vientos de hasta 220 Km /hr.

  En esta tesis se presentará de una manera ordenada y sistemática diferentes temas relacionados con los sistemas fotovoltaicos para la aplicación de Bombeo Solar de Agua. Primero se ostentara una serie de objetivos que permitirá la elaboración y realización de esta tesis. En la primera unidad se estudiará los Enlaces Químicos y Los semiconductores, ya que los enlaces químicos son importantes para el estudio y comportamiento de los materiales llamados semiconductores. En esta unidad iniciaremos con el estudio de los diferentes tipos de enlaces químicos (iónico, covalente y metálico). En ésta misma unidad se va a tratar de los materiales llamados semiconductores, principalmente por que sus propiedades eléctricas son fundamentales en el funcionamiento de los transistores y de los dispositivos relacionados con ellos. Posteriormente se estudiará el funcionamiento del diodo semiconductor . En esta misma unidad se revisará la región de agotamiento en los semiconductores, y finalmente terminaremos con esta unidad con algunas observaciones para la aplicación de los semiconductores para una celda fotovoltaica. En la segunda unidad se tratará una pequeña introducción a la energía solar y a la energía fotovoltaica. Además en esta unidad se iniciará con la definición de energía solar y posterior mente con el estudio de la radiación solar, así como sus características e instrumentos utilizables para la medición de la misma. Con esta información se podrá utilizar con mayor rendimiento la aplicación y funcionamiento de una celda fotovoltaica. Posteriormente se estudiará el fenómeno el principio de la celda fotovoltaica, ya que ésta consiste en la conversión directa de luz solar en electricidad a nivel atómico.

  En esta misma unidad se analizará la clasificación de los sistemas, conversión y módulos fotovoltaicos. Después se terminará con esta unidad con una breve explicación de un panorama general de las ventajas y aplicaciones de la energía solar fotovoltaica.

  En la unidad tres se estudiará el Análisis Energético de un Sistema Fotovoltaico. En esta unidad iniciaremos con el principio del bombeo solar de agua, es decir, en que consiste y algunas de sus aplicaciones.

  En esta misma unidad se analizara el balance de energía y materia y el Análisis Hidráulico para un Sistema de Bombeo solar de Agua. Posteriormente, se estudiará los datos a suministrar para un cálculo correcto en un sistema de bombeo fotovoltaico, así como algunas de las principales ventajas de estos sistemas. En la unidad cuatro se presentará un desarrollo experimental del Análisis Energético de un Sistema de Bombeo Solar de Agua, y finalmente terminaremos con esta tesis los resultados y conclusiones obtenidos a partir del Análisis Energético del Sistema de Bombeo Fotovoltaico.

  Referencias

  1. Comisión Federal de Electricidad, Museo Tecnológico. Las Fuentes de la Energía, México D. F. 1999.

  2. Ecoturismo y Nuevas Tecnologías. Consultoría Técnica para el Desarrollo y Nuevas Tecnologías para el tratamiento de agua y generación de energía con el viento, agua y sol. Ing. Arturo Romero Paredes Rubio.

  3. Pasado, presente y futuro de las instalaciones fotovoltaicas. Publicado por la revista ROBOTIKE, No. 7, 2003.

  4. Programa de manejo de la Reserva de la Biosfera Banco Chinchorro. Instituto Nacional de Ecología, SEMARNAP, México, 2000.

  

Planteamiento

  Hasta hace poco tiempo la humanidad había dado la energía como un hecho, siempre estaba ahí, -¿por qué molestarse en saberse qué es o de donde viene?- Pero en la actualidad la gente esta preocupada. De pronto descubrimos que hemos estado agotando importantes fuentes de energía (petróleo, gas natural y carbón) con demasiada rapidez. Debemos pensar seriamente: ¿de dónde vendrá nuestra energía en el futuro?. Pues no hay nada en el mundo que no esté afectado por la energía o falta de ella.

  Este es un tema que esta probando la inteligencia y el ingenio de algunas de las personas más brillantes del mundo. A sí es como debe ser, ya que la disponibilidad de la energía en los años, siglos por venir conformará el futuro de la humanidad. Existen muchas oportunidades para proporcionar energía una vez que las reservas de petróleo, gas y carbón comiencen a agotarse. El Sol, la Biomasa, el Mar e incluso el agua de la lluvia, de los ríos y hasta la que se utiliza para riego pueden ayudar a satisfacer las necesidades mundiales de energía.

  Por estas razones en este trabajo se estudiará los principios fundamentales de la conversión fotovoltaica, como aplicación de la energía solar, ya que este tipo de energía representa una oportunidad para desarrollar un ideal: extraer energía de una fuente natural, inagotable y no contamina.

  

Justificación

  Hoy en día, para el aprovechamiento con racionalidad de los recursos naturales en nuestro país constituye un gran reto muy prometedor para salvaguardar nuestros tesoros naturales y aún nuestra propia existencia. Asimismo, la calidad de vida depende también de la medida en como cuidemos nuestra tierra, aguas, aire y en general nuestros recursos naturales.

  Por estas razones, el propósito principal de la realización de esta tesis es presentar y dar a conocer una de las alternativas para la solución ideal de estos problemas, que en este caso será la energía solar fotovoltaica, ya que ésta usa como fuentes de energía, el sol, que constituye una alternativa con todas esas propiedades deseables para su explotación en beneficio del hombre: no cuesta, no contamina el medio ambiente, es de fácil manejo y su potencia

  2 disponible es alta (1000 Watts/m ).

  Además, en esta tesis se estudiará y se analizará una de las aplicaciones de gran importancia de la energía solar fotovoltaica, que es el sistemas de bombeo solar de agua. Estos tipos de sistemas pueden dar solución a los problemas que se presentan en las zonas donde no se dispone de un suministro de energía convencional, o esta no es fiable. También estos sistemas presentan grandes cualidades en su utilización, por ejemplo, tiene una larga vida útil, un mantenimiento reducido, alto rendimiento, fiabilidad y costos de funcionamiento bajos.

  Por éstas razonemos nosotros como ingenieros en energía, debemos de conocer y estudiar con detalle estos problemas, para que en un futuro propongamos algunas alternativas para la solución y control de estos problemas.

  

Universidad Autónoma Metropolitana Objetivos

Objetivo General

  El principal objetivo de la realización de esta tesis, es conocer y estudiar el funcionamiento de los sistemas fotovoltaicos, con el fin de realizar una aplicación de la energía solar fotovoltaica, que en este caso será el Bombeo Solar de Agua, ya que uno de los problemas que se presenta para el desarrollo de las áreas rurales aisladas, está estrechamente vinculada a la disponibilidad de energía eléctrica, con el fin, de abastecer las necesidades del productor agrario, ganadero y otras.

  Además con esta aplicación se podrá realizar un Balance Energético en un Sistema de Bombeo Fotovoltaico, presentando los principios fundamentales tanto teóricos y prácticos para su realización. Con ésta información ayudará a determinar si el bombeo solar de agua representa la solución ideal para el aprovisionamiento de agua en todos los sitios donde la red eléctrica es ausente.

  

Universidad Autónoma Metropolitana Objetivos

Objetivos Particulares

  1. Proponer y establecer las bases fundamentales para el estudio, análisis e importancia de los semiconductores, ya que éstos materiales presentan una propiedad muy importante para la conducción eléctrica, es decir, que son capaces de conducir la corriente eléctrica cuando se les aplica una diferencia de potencial, conocido como el efecto fotovoltaico.

  2. Dar a conocer el uso e importancia de los semiconductores para la fabricación y clasificación de las celdas fotovoltaicas.

  3. Presentar las características, aplicaciones y recursos de la energía solar fotovoltaica, con el propósito de verificar, que la importancia de la energía solar fotovoltaica en las zonas donde no se dispone de la red eléctrica convencional, la convierte en una fuente alterna de energía ideal y significativa para el bienestar y desarrollo de las personas. En este sentido es importante presentar el impacto ambiental que tiene la energía solar fotovoltaica, considerando sus importantes ventajas como fuente de energía alterna y renovable.

  4. Se pretende realizar un análisis energético para un sistema de Bombeo fotovoltaico, bajo el criterio de realizar un balance de materia y energía para el Análisis Hidráulico en un Sistema de Bombeo solar de Agua, con el fin de establecer las condiciones bajo las cuales se desempeña mejor el sistema de bombeo (Carga Dinámica Total y número de litros producido por día) y obtener modelos matemáticos para calcular el flujo de agua en función de la radiación, en los diferentes valores de la Carga Dinámica Total.

  

Universidad Autónoma Metropolitana Resumen

Resumen

  Se realizó un análisis para la producción de la energía eléctrica a partir de los rayos del sol, que esta basada en el fenómeno físico denominado “Efecto Fotovoltaico”, que básicamente consiste en convertir la luz solar en energía eléctrica por medio de unos dispositivos semiconductores denominados celdas fotovoltaicas.

  Estas celdas están elaboradas a base de silicio puro con adición de impurezas de ciertos elementos químicos (boro y fósforo), y son capaces de generar cada una corriente de 2 a 4 amperios, a un voltaje de 0.46 a 0.48 Voltios, utilizando como fuente la radiación luminosa. Las celdas se montan en serie o paralelo sobre paneles o módulos solares para conseguir un voltaje adecuado. Parte de la radiación incidente se pierde por reflexión (rebota) y otra parte por transmisión (atraviesa la celda). El resto es capaz de hacer saltar electrones de una capa a la otra creando una corriente proporcional a la radiación incidente. Una capa antirreflejo aumenta la eficacia de la celda. También se analizó que el resto de las energías renovables, la tecnología fotovoltaica es una fuente de energía descentralizada, limpia, inagotable, y además ya es competitiva en la actualidad para electrificar emplazamientos relativamente alejados de las líneas eléctricas, como viviendas rurales, bombeo de agua, señalización, alumbrado público, equipos de emergencia, etcétera. Para una instalación fotovoltaica aislada está formada por los equipos destinados a producir, regular, acumular y transformar la energía eléctrica. Tales equipos son los siguientes:

  Celdas fotovoltaicas. Placas fotovoltaicas. Regulador de carga. Baterías. Un inversor (opcional).

  Se da a conocer que una de las aplicaciones de gran importancia de la energía solar fotovoltaica es el bombeo solar de agua, ya que estos están diseñados para el suministro de agua y riego en áreas retiradas donde no se dispone de un suministro de energía convencional, o esta no es fiable.

  

Universidad Autónoma Metropolitana Resumen

  Con estos sistemas el agua puede ser bombeada durante el día y almacenada en tanques, con lo que estará disponible durante la noche y en los días nublado. La capacidad de almacenar el agua elimina la necesidad de baterías en el sistema. Esta configuración del sistema le da una característica más fiable y económica.

  Además se realizó un análisis energético de un sistema de bombeo solar de agua con una potencia pico de 75 Watts, acoplado a una bomba monofásica, lo que permitió establecer las condiciones bajo las cueles el sistema se desempeña mejor (Carga Dinámica Total y litros producidos por día). Se llevaron acabo mediciones de las variables involucradas en el sistema de bombeo fotovoltaico, tales como: voltaje y corriente consumida por la bomba, irradiancia incidente y el flujo de agua producido por día.

  Bajo condiciones de control de la Carga Dinámica se encontró que la máxima eficiencia del sistema de bombeo es de 20.817 % para una energía hidráulica de 24.3 W-h con una carga dinámica de 6.37 m (un volumen de agua producido de 1399,15 litros/día). También se determinó que la eficiencia de la bomba esta por arriba del 20 % con un rango de Carga Dinámica entre 5.86 y 7.39 metros.

1.1. Enlaces químicos

  Los enlaces químicos son importantes para el estudio y comportamiento de los materiales llamados semiconductores. Las fuerzas de atracción que mantienen juntos a los átomos en los compuestos se llaman enlaces químicos. Hay tres tipos de enlaces químicos, tales como, el enlace iónico, enlace covalente y el enlace metálico [1, 6, 8].

  Enlace Iónico El primer tipo de enlace químico es el enlace iónico o electrovalente.

  El enlace iónico es el que se forma por la unión de un metal y un no-metal. Es el resultado de la transferencia de uno o más electrones de un átomo o grupo de átomos a otro. El enlace iónico se produce con mayor facilidad cuando los elementos con energía de ionización baja (metales) reaccionan con elementos que tienen alta electronegatividad y mucha afinidad electrónica (no metales). Muchos metales pierden electrones con facilidad, mientras que los no metales tienden a ganar electrones. Un ejemplos de este tipo de enlace se muestra en la siguiente figura, representando la transferencia de electrones de un metal a un no metal de Cloruro de Sodio. (Figura 1-1):

   a) b)

Figura 1-1. a) El sodio (en la derecha) pierde su única valencia de electrones (al cloro a la

derecha); b) Da un ión de sodio cargado positivamente.

  Los compuestos iónicos comparten muchas características en común: Los enlaces iónicos se forman entre metales y no metales.

  Al nombrar compuestos iónicos simples, el metal siempre viene primero, el no metal segundo (por ejemplo, el cloruro de sodio). Los compuestos iónicos se disuelven fácilmente en el agua y otros solventes polares. En una solución, los compuestos iónicos fácilmente conducen electricidad. Los compuestos iónicos tienden a formar sólidos cristalinos con temperaturas muy altas. Esta última característica es un resultado de las fuerzas intermoleculares (fuerzas entre las moléculas) en los sólidos iónicos.

  Enlace Covalentes

  El enlace covalente se define como aquel que se establece dentro de dos átomos que comparten electrones. En esta unión cada átomo aporta un electrón por cada enlace formado. Esto significa que existen dos tipos de enlace covalente.

  Simple. Este enlace se lleva cabo cuando los átomos comparten un par de electrones.

Múltiple. Se comparten un par electrónico. Este enlace también puede ser doble, cuando entre

  los átomos interactúan cuatro electrones enlazantes (dos pares) y triple, si son tres los pares electrónicos involucrados en la unión interatómica.

  

Enlace covalente coordinado, como su nombre lo indica, es un enlace covalente en el que un

solo átomo contribuye con los dos electrones de enlace.

  Enlace Metálico

  Los elementos metálicos sin combinar forman redes cristalinas con elevado índice de coordinación. Hay tres tipos de red cristalina metálica: cúbica centrada en las caras, con coordinación doce; cúbica centrada en el cuerpo, con coordinación ocho, y hexagonal compacta, con coordinación doce. Sin embargo, el número de electrones de valencia de cualquier átomo metálico es pequeño, en todo caso inferior al número de átomos que rodean a un dado, por lo cual no es posible suponer el establecimiento de tantos enlaces covalentes.

  En el enlace metálico, los átomos se transforman en iones y electrones, en lugar de pasar a un átomo adyacente, se desplazan alrededor de muchos átomos. Intuitivamente, la red cristalina metálica puede considerarse formada por una serie de átomos alrededor de los cuales los electrones sueltos forman una nube que mantiene unido al conjunto.

1.2. Efecto Fotoeléctrico

  El efecto fotoeléctrico es la pérdida de electrones que experimenta un metal al ser sometido a la acción de la luz [4, 9]. En éste efecto, el fotón cede toda su energía al electrón desprendiéndolo o arrancándolo de su órbita (Figura 1-2).

  

Figura 1-2. Efecto Fotoeléctrico.

  Existen unas leyes experimentales que explican la producción del efecto fotoeléctrico: a) Para cada metal existe una frecuencia mínima de la radiación luminosa recibida.

  b) El número de electrones emitidos es proporcional a la intensidad luminosa recibida.

  c) Los electrones salen todos con la misma velocidad, no influyendo a la intensidad de la radiación luminosa, sino únicamente su frecuencia.

  d) El efecto fotoeléctrico es instantáneo; es decir, aparece o desaparece con la radiación.

  No obstante, si la intensidad de la radiación luminosa es muy pequeña, la emisión puede tardar un pequeño intervalo de tiempo en producirse. Estas leyes tienen su justificación. Un electrón no puede escapar por sí solo de un metal, pues al hacerlo, el metal se carga de energía positivamente, atrayendo hacia sí dicho electrón y obligándole a volver a él. Por lo tanto, si se quiere que el electrón salga del metal será preciso comunicarle energía para que se libere de la acción atractiva del metal, que está cargado positivamente.

1.3. Semiconductores

  Los semiconductores son unos materiales muy especiales que conducen mejor la electricidad que un aislante pero peor que un conductor[2, 10, 11]. Sus propiedades eléctricas se encuentran entre las de los aisladores y la de los conductores, ya que la densidad de sus

  10

  portadores de carga es intermedia entre dichos materiales, pues, puede contener entre 10 y

  13

  3

  10 electrones de conducción por cm , mientras que los aisladores contienen

  3

  23

  aproximadamente 1 electrón de conducción por cm y los conductores 10 electrones de

  3

  conducción por cm . A demás los semiconductores son materiales cuya resistividad eléctrica

  • 4

  10

  • 4 -6

  está entre 10 y 10 Ω-cm mientras que la resistividad de los metales varia entre 10 y 10 Ω-cm [2]. Estos materiales a bajas temperaturas se comportan como aislantes al aumentar su resistividad pero a altas temperaturas su resistividad baja espectacularmente hasta acercarse a la de los metales. Al aumentar la temperatura, los átomos tendrán mayor energía térmica, es decir, vibraran con mayor intensidad dentro del material, ocasionando que algunos electrones no soporten estas vibraciones y se separen de los átomos a los que normalmente están ligados. La cantidad de electrones (en la unidad de volumen) que se liberan por efecto térmico es pequeña, pero suficiente para que empiece a observar una corriente al aplicar algún voltaje en material [3]. Para estos materiales el carácter de la relación de temperatura de la resistividad ρ y de conductancia σ esta expresada de la siguiente manera.

  β/T

  ρ = ρ e (1.1)

  β/T -

  e (1.2) σ = σ Donde ρ, σ y β son constantes positivas.

  T es la temperatura, en °K. En la teoría de bandas explica que en los materiales sólidos presentan una gran cantidad de átomos, formando una gran cantidad de nuevos niveles de energía, los cuales constituyen una región llamada banda de energía.

  A continuación se explica brevemente las características principales de la estructura que tienen los semiconductores [2, 4, 7]. Los semiconductores están compuestos por pequeñas bandas de energía prohibidas, las cuales se encuentra entre en una banda permitida o banda de valencia y una banda de conducción, como se muestra en la figura 1-3.

  

Figura 1-3. Diagrama de Bandas de Conducción y de Valencia.

  La banda prohibida es aquella energía mínima necesaria para hacer pasar un electrón de una banda a la otra. La Banda de conducción es la mínima energía que puede tener un electrón libre y la Banda de valencia es la energía máxima de los electrones en un enlace completo. Además en un semiconductor se presentan electrones libres y huecos libres, conocido como modelo “par hueco-electrón”, es decir, cuando en un enlace covalente se rompe y un electrón se libera, queda un hueco en el lugar correspondiente, y este también podrá moverse en sentido contrario al movimiento del electrón (figura 1-4).

  

Figura 1-4. Representación del modelo par hueco – electrón. Cuando se le proporciona energía del orden de Eg a un electrón de valencia, este pasa a la banda de conducción, dejando un hueco en la banda de valencia, es decir, supongamos que se aplica un voltaje produciendo la polarización, debido a la presencia de los huecos mencionados, los electrones de valencia que permanecen ligados y vecinos al hueco, al sentir la influencia de la polarización podrá moverse hacia el lugar correspondiente dejando a su ves un hueco en una nueva posición, en donde el hueco se moverá en sentido opuesto al movimiento del electrón por efecto del campo eléctrico [4]. Esto significa, que si no se proporciona a los electrones de valencia una energía mayor o igual que Eg, no podrán generarse pares de electrones y huecos libres.

  Idealmente, los electrones no pueden tener energías entre las bandas de valencia y las bandas de conducción. Por eso se dice que existe una banda de energía prohibida cuyo ancho es Eg. De acuerdo a lo anterior, es importante observar entonces que la conductividad del material aumenta por efecto de absorción de radiación de longitud de onda adecuada (efecto de conductividad). De esta manera se liberan por efecto de la luz los electrones con los cuales se puede generar una corriente. Existe por consiguiente una longitud de onda crítica por debajo de la cual la energía de los fotones no alcanza a producir excitación de electrones de la banda de valencia a la banda de conducción. En los semiconductores a temperaturas de 0 K (Kelvin), todos los electrones se encuentran en la banda de valencia y por esta razón no hay conductividad. Para el Si con una E g de 1.14 eV se tiene una longitud de onda crítica de 1.09 µm. Los Fotones con energías inferiores a 1.14 eV absorbidos por el material, se transforman en calor aumentando su temperatura. Esto quiere decir que tanto la luz visible como el infrarrojo cercano excitan en este material los electrones de la banda de valencia a la de conducción Las energías involucradas en este procesos deben de estar en electrón-volt (eV, siendo 1 eV la energía que gana un electrón al caer a través de una diferencia de potencial de 1 volt). Así pues

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  1 eV = 1.6 X 10 J. Por ejemplo empleando estas unidades, la energía de ionización de Ge es de 0.75 eV y Si 1.14 eV, mientras que para los átomos aislados es de unos 8 eV. En la tabla 1.1 se dan los valores de las energías de ionización de los semiconductores [7].

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