Aplicaciones de la energía solar fotovoltaica: pilas de combustible

APLICACIONES DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA: PILAS DE COMBUSTIBLE
OBJETIVOS
El objetivo de ésta práctica es obtener las curvas características de una célula solar y de una pila de combustible realizando diferentes experimentos.
FUNDAMENTO TEÓRICO
Células solares
Una célula fotoeléctrica es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía luminosa en energía eléctrica medianteel llamado efecto fotovoltaico. Estas células están compuestas de un material que presenta este efecto: absorben fotones de luz y emiten electrones. Cuando los electrones libres son capturados, se produce una corriente eléctrica que puede utilizarse como electricidad. Al grupo de células fotoeléctricas que se usan para producir energía solar se le llama panel fotovoltaico, consistente en una redde células solares conectadas como circuitos en serie para aumentar la tensión de salida hasta el valor deseado a la vez que se conectan varias redes como circuito paralelo para aumentar la corriente eléctrica que puede proporcionar el dispositivo. El tipo de corriente eléctrica que proporcionan es corriente continua.
En un semiconductor expuesto a la luz, un fotón de energía arranca un electrón,formando al pasar una especie de hueco. Entonces el electrón encuentra rápidamente otro hueco para volver a llenarlo y la energía proporcionada por el fotón se disipa. Pero en una célula solar los electrones y los huecos son obligados a avanzar hacia el lado opuesto del material en lugar de recombinarse en él, así se produce una diferencia de potencial y tensión entre las dos partes del material,del mismo modo que sucede en una pila. Para ello se crea un campo eléctrico permanente, a través de una unión PN, entre dos capas dopadas respectivamente, P y N:
- La capa superior está formada por silicio dopado de tipo N. Hay un número superior de electrones libres que en una capa de silicio puro y la red cristalina está cargada negativamente.
- La capa inferior de la celda se compone desilicio dopado del tipo P. Hay un número inferior de electrones libres que en una capa de silicio puro y la red cristalina está cargada positivamente.
Ahora los electrones irán de la capa N a la capa P y se recombinan los huecos en la región P y se formará un campo eléctrico entre las dos capas, de N hacia P. Este campo eléctrico hace un diodo, que solo permite el flujo de corriente en una dirección.En resumen, una célula fotovoltaica equivale a un generador de energía al que hemos añadido un diodo. Para que la célula funcione y produzca la potencia máxima de corriente se le añade la banda prohibida de los semiconductores a nivel de energía de los fotones.
Pila de combustible
Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico de conversión de energía parecido a una batería, pero sediferencia en que esta pila produce electricidad de una fuente externa de combustible y de oxígeno de contraposición a la capacidad limitada de almacenamiento de energía que posee una batería. Además los electrodos en una batería reaccionan y cambian según cómo esté de cargada o descargada, en cambio, en una celda de combustible los electrodos son catalíticos y relativamente estables.
Losreactivos más utilizados en una pila de combustible son hidrógeno en la parte del ánodo y oxígeno en la parte del cátodo (es el caso de las pilas de hidrógeno). Una pila electrolítica de hidrógeno funciona de la siguiente forma:
Una membrana polimérica conductora de protones, separa el lado del ánodo del lado del cátodo. En el lado del ánodo, el hidrógeno que llega al ánodo catalizador se disocia enprotones y electrones. Los protones son conducidos a través de la membrana al cátodo, pero los electrones están forzados a viajar por un circuito externo (produciendo energía) ya que la membrana está aislada eléctricamente. En el catalizador del cátodo, las moléculas del oxígeno reaccionan con los electrones y protones para formar agua. En la pila de hidrógeno el único residuo es vapor de agua o...