Energía Solar Fotovoltai - Universidad de Costa Rica

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
Guía del curso
“Energía Solar Fotovoltaica”
Profesor:
Ing. José Antonio Conejo Badilla
IE-1103 Grupo 003
I-2011
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Cuarta parte
EL EFECTO FOTOVOLTAICO Y LA CELDA SOLAR
Los dispositivos donde se lleva a cabo la transformación de luz solar en electricidad se
llaman generadores fotovoltaicos y a la unidad mínima en la que se realiza dicho efecto se le
llama Celda Solar.
A la integración de generadores fotovoltaicos y aparatos consumidores de electricidad
(cargas eléctricas) se les llama Sistemas Fotovoltaicos.
El Efecto Fotovoltaico se puede definir corno la generación de una fuera electromotriz
en los terminales de un dispositivo, cuando éste es iluminado. Si a los terminales del
dispositivo se le conecta una carga eléctrica, ésta se activará debido a la corriente eléctrica
que pasa a través de él. Esta es la evidencia física del efecto fotovoltaico. La celda solar
representa la unidad mínima de conversón de potencia eléctrica en un generador fotovoltaico.
La corriente y el voltaje eléctricos generados son del tipo directo (corriente directa, CD); no de
corriente alterna (CA).
Las celdas solares se fabrican a partir de materiales semiconductores y metales,
presentando analogías eléctricas comunes con otros dispositivos electrónicos de estado
sólido tales como los diodos, transistores y circuitos integrados. Se puede decir que una celda
solar es un dispositivo semiconductor optoelectrónico que convierte la Iuz en electricidad.
La generación de potencia eléctrica en las celdas solares es pequeña, lo cual hace
necesario que se tengan que interconectar varias entre sí, para incrementar la potencia,
formando así los módulos fotovoltaicos.
LOS MATERIALES SEMICONDUCTORES
Primero se debe considerar que el efecto fotovoltaico se manifiesta cuando los fotones
inciden sobre ciertos materiales semiconductores. Los materiales semiconductores se
caracterizan por tener un comportamiento intermedio entre los materiales conductores como
los metales y los materiales aislantes. Los materiales conductores disponen de electrones
libres y los materiales aislantes carecen de ellos. A la temperatura de 0°K los materiales
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semiconductores se comportan como aislantes, pero mediante una aportación de energía
puede modificarse esta situación, adquiriendo un comportamiento más cercano al de los
conductores. Se trata de elementos del grupo IV de la tabla periódica, o bien combinaciones
de elementos de los grupos III y V, que se caracterizan por tener una resistividad comprendida
entre 10-6 y 108 Ωm y que bajo ciertas circunstancias son capaces de crear una fuerza
electromotriz.
Algunos semiconductores son elementos químicos puros, como por ejemplo el boro, el
silicio y el selenio y, otros son compuestos químicos como el arseniuro de galio. En la
tecnología microelectrónica son de uso común el silicio, el germanio y el arseniuro de galio y
de todos ellos, el más empleado actualmente es el silicio.
En el proceso de conversión de energía solar, la utilización de estos materiales permite
que la luz se convierta en electricidad en forma directa, sin pasar antes por un estado de
energía térmica. Las celdas fotovoltaicas son las únicas que poseen una absorción óptica muy
alta y una resistencia eléctrica lo suficientemente baja como para poder convertir
económicamente, la energía solar en energía útil.
Gracias a la elección de semiconductores con un intervalo de absorción espectral
apropiado, podemos seleccionar un material que abarque el espectro solar. El elemento que
actualmente proporciona el mayor rendimiento es el silicio, gracias a la característica de
respuesta espectral que posee este material, como se muestra en la figura 28.
“Tendencias Tecnológicas y Aplicaciones de Sistemas Fotovoltaicos”, Zilles R.
Figura 28. Distribución espectral de la radiación solar.
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Las celdas fotovoltaicas de silicio monocristalino y policristalino tienen su máxima
reacción espectral en la zona infrarroja del espectro solar, mientras que las celdas de silicio
amorfo tienen su máxima reacción en el espectro de luz visible, tal como se aprecia en la
siguiente figura.
“Taller Techo Solar”, Linsenmeyer Aswin, SUNSET Energietechnik GmbH
Figura 29. Reacción espectral de las celdas fotovoltaicas de silicio.
En relación a la máxima eficiencia teórica del proceso de conversión de la energía solar
fotovoltaica para los diferentes materiales disponibles en la actualidad, el silicio podría lograr
un valor máximo inferior al 30%.
Otros materiales como el Arseniuro de Galio o el Telurio de Cadmio tienen los valores
máximos de eficiencia, cercanos al 32%. La expectativa de las investigaciones y desarrollos
que actualmente se realizan, permite estimar que muy probablemente dentro de 10 años se
pueda alcanzar una eficiencia de 32% en la fabricación de los dispositivos de conversión de
energía solar fotovoltaica. Esto se describe gráficamente en la figura 30.
Entonces resulta importante comprender el fenómeno fotovoltaico en relación al
proceso que sucede dentro de un semiconductor. Cuando se aplica un voltaje entre los
extremos de un material, dentro de este se crea un campo eléctrico que provoca una fuerza
sobre los electrones ubicados en la órbita exterior del átomo de ese material.
En materiales conductores como el cobre, el aluminio o el grafito, los electrones de la
banda externa tienen mucha movilidad; aún a la temperatura ambiente están brincando
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electrones de átomo a átomo. Bajo la acción de un campo eléctrico, su fuerza pone en
movimiento a dichos electrones.
“Taller Techo Solar”, Linsenmeyer Aswin, SUNSET Energietechnik GmbH
Figura 30. Eficiencias fotovoltaicas teórica máxima.
En materiales aislantes, como el vidrio, el diamante o la porcelana, la fuerza que se
ejerce sobre los electrones de la órbita externa no es suficiente para desplazarlos y establecer
una corriente, aún con elevados valores del campo eléctrico. Esto se debe a que la su
movilidad es prácticamente nula.
La estructura atómica de la sustancia es la que determina la movilidad de las cargas en
la misma, o sea la conducción o no-conducción del material.
En substancias como el germanio y el silicio los electrones de la capa exterior del
átomo son compartidos por átomos adyacentes formando una estructura cristalina, cuyos
electrones carecen de movilidad. Por esta razón estas sustancias en estado puro son
aislantes.
Sin embargo, estas sustancias cristalinas se pueden convertir en semiconductores si a
se le incorporan átomos de otras substancias o impurezas, aún en proporciones muy
pequeñas, provocando que la conductividad de estos materiales varía drásticamente.
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Si la impureza que se introduce tiene la capacidad de aportar o ceder electrones, éstos
se convierten en la carga mayoritaria en esa zona. Si, por el contrario, los átomos de la
substancia que se introduce son ávidos de electrones, la mayoría de los átomos en esta zona
tendrán cargas positivas libres, también conocidas como “huecos” (lugares vacíos dejados por
los electrones al emigrar éstos a otras posiciones).
Se identifican entonces dos tipos de semiconductores según su capacidad para ceder o
retener electrones, los de tipo N y los de tipo P. Al ponerse en contacto un cuerpo cristalino
semiconductor de tipo N con otro de tipo P se crea una unión P-N, la cual posee unas
propiedades especiales. Tanto los electrones en exceso del semiconductor N como los
huecos del P tienden a difundirse a través de la superficie común de separación, penetrando
un poco al otro lado de dicha frontera.
“Taller Techo Solar”, Linsenmeyer Aswin, SUNSET Energietechnik GmbH
Figura 31. Región de carga en la unión N-P.
BANDA DE VALENCIA Y BANDA DE CONDUCCION
Como se muestra en la figura 28, el silicio tiene una respuesta al espectro de la
radiación solar tal que permite un aprovechamiento del 80% de esa energía para convertirla
en electricidad fotogenerada. Esta característica junto con su abundante disposición en la
superficie terrestre, hacen que este material sea muy utilizado en el desarrollo de celdas
fotovoltaicas.
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Esta respuesta se relaciona con el comportamiento de la radiación electromagnética
tanto como una serie de ondas y que como un haz o flujo de partículas, llamadas fotones.
Esta dualidad onda-corpúsculo hace que cada fotón tenga una energía directamente
proporcional a la frecuencia de la onda asociada, dada por la relación de Planck:
[6]
donde E es la energía del fotón, h es la constante de Planck y f es la frecuencia de la onda. El
valor de la constante de Planck es:
Así mismo, considerando la radiación electromagnética como onda, la longitud de onda
λ y la frecuencia de oscilación f están relacionadas por una constante, la velocidad de la luz
en el medio (c en el vacío):
En consecuencia, a mayor longitud de onda menor frecuencia y menor será la energía
según la relación de Plank. De lo anterior podemos establecer que la energía de un
componente determinado de longitud de onda es inversamente proporcional a la longitud de
onda y está dada por la siguiente relación:
[7]
En la siguiente figura se puede apreciar la relación que existe entre la energía del
espectro de radiación solar y la respuesta de silicio para captar dicha energía y liberar sus
electrones de la banda de valencia. Los componentes de la radiación solar con longitudes de
onda menores a 1.1 µ tienen la energía suficiente para excitar los electrones de la banda de
valencia del átomo de silicio y provocar su salto a la banda de conducción.
La banda de valencia se define como el más alto de los intervalos de energías
electrónicas que se encuentra ocupado por electrones en el cero absoluto. En los materiales
semiconductores y aislantes existe una banda prohibida o gap por encima de la banda de
valencia, seguida por una banda de conducción a energías aún mayores. En los metales, por
el contrario, no hay ningún intervalo de energías prohibidas entre las bandas de valencia y de
conducción.
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“Tendencias Tecnológicas y Aplicaciones de Sistemas Fotovoltaicos”, Zilles R.
Figura 32. Relación entre el espectro de la radiación solar y la energía necesaria para
generar el salto del electrón.
Las propiedades de la banda de valencia explica la baja conductividad eléctrica de
semiconductores y aislantes. En estos se da la circunstancia de que el número de electrones
es exactamente el mismo que el número de estados disponibles o “huecos” en la banda de
valencia. En la banda prohibida, evidentemente, no hay estados electrónicos disponibles. Esto
significa que cuando se aplica un campo eléctrico los electrones no pueden incrementar su
energía (es decir, no pueden ser acelerados) al no haber estados disponibles donde puedan
moverse.
Los materiales aislantes se caracterizaban por poseer una Banda Prohibida muy ancha,
la cual impide el paso de electrones de la Banda de Valencia a la de Conducción. En los
materiales semiconductores, la Banda Prohibida es mucho menos ancha que en los aislantes.
Por lo general, a 0º K los materiales semiconductores se comportan como aislantes.
Pero a medida que aumenta la temperatura aumenta también su capacidad de conducción, ya
que este aporte de energía sirve para que los electrones puedan saltar de la Banda de
Valencia a la de Conducción.
La anchura de la Banda Prohibida condiciona la energía que debe aportarse a los
electrones para que pasen de la Banda de Valencia a la de Conducción, saltando la Banda
Prohibida. El aporte de energía debe superar los 0,785 eV (Electrón - Voltios) en el caso del
germanio y los 1,21 eV para el silicio. Al saltar de la Banda de Valencia a la de Conducción,
los electrones dejan un hueco, por lo tanto, se establecen dos corrientes: una producida por
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los electrones situados en la Banda de Conducción y otra originada por los huecos (en el
proceso de recombinación). Además, los estados disponibles o huecos que dejan los
electrones en la banda de valencia contribuyen también a la conductividad del material, al
permitir cierta movilidad al resto de electrones de la banda de valencia.
“Tendencias Tecnológicas y Aplicaciones de Sistemas Fotovoltaicos”, Zilles R.
Figura 33. Esquema del proceso de la corriente fotogenerada
Cuando un fotón de energía superior a la de la banda prohíbida (1.21 eV en el silicio)
choca contra contra la región tipo P, puede excitar un electrón de la banda de valencia a la
banda de conducción, dejando un hueco en la banda de valencia, la cual ya es rica huecos.
Algunos electrones liberados por lo fotones se recombinarán con los huecos, pero otros
emigrarán a la unión. Desde allí serán acelerados a la region tipo P debido al campo eléctrico
de la región comprendida entre la doble capa de carga, lo cual originará un exceso de carga
negativa en la región tipo N y un exceso de carga positiva en la región tipo P.
Como cada semiconductor es su totalidad un cuerpo eléctricamente neutro, esta
difusión dé electrones y huecos, debida a la diferente concentración de unos y otros en cada
lado de la superficie, hará que el semiconductor N se cargue positivamente y el P
negativamente. Como resultado se tiene una diferencia de potencial entre las dos regiones de
algunas décimas de voltio (de unos 0.6 V en la práctica), dando lugar a un campo eléctrico
que restablece el equilibrio y evita que continúe el flujo de los electrones y huecos. Este
proceso se representa esquemáticamente en la figura 33.
El campo eléctrico interno es creado al unir íntimamente a un semiconductor fabricado
con exceso de electrones (semiconductor negativo ó tipo N) con otro fabricado con deficiencia
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de electrones (semiconductor positivo ó tipo P). La unión P-N entre estos dos
semiconductores se le conoce como diodo rectificador de corriente.
“Tendencias Tecnológicas y Aplicaciones de Sistemas Fotovoltaicos”, Zilles R.
Figura 34. Disposición de los materiales semiconductores tipo N y tipo P que forman
una celda fotovoltaica.
Las impurezas comúnmente utilizadas para dopar el material de silicio de la celda
fotovoltaica son el Fósforo para el semiconductor tipo N y el Boro para el tipo P. La celda
fotovoltaica estaría completa cuando se conecte un conductor para cerrar un circuito externo,
obteniéndose así una corriente eléctrica para su utilización práctica. Está claro que esta
energía eléctrica proviene de los fotones de la luz, por lo que la corriente cesará en cuanto la
luz se elimine.
HISTORIA DE LA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA
1839: Como punto de partida se considera a Edmund Bequerel, físico francés que descubre
el efecto fotovoltaico cuando experimentaba con dos electrodos metálicos en una
solución conductora, al notar un aumento de la generación eléctrica con la luz.
1873: Willoughby Smith descubre el efecto fotovoltaico en materiales sólidos, en el selenio.
1877: W.G. Adams y R.E. Day producen la primera célula fotovoltaica de selenio.
1904: Albert Einstein publica su artículo sobre el efecto fotovoltaico, al mismo tiempo que un
artículo sobre la teoría de la relatividad
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1921: Einstein gana el premio Nobel por sus teorías de 1904 explicando el efecto fotovoltaico
(recibe el premio y lee el discurso en Gotemburgo-Suecia, en 1923)
1954: Los investigadores D.M. Chaplin, C.S. Fuller y G.L. Pearson de los Laboratorios Bell en
Murray Hill, New Jersey, producen la primera célula de silicio, publican el artículo “A
New Silicon p-n junction Photocell for converting Solar Radiation into Electrical Power” y
hacen su presentación oficial en Washington (26 abril).
1955: Se le asigna a la industria americana la tarea de producir elementos solares
fotovoltaicos para aplicaciones espaciales. Hoffman Electronic, empresa de Illinois
(EE.UU.) ofrece células del 3% de 14mW a 1.500 $/Wp)
1958: El Vanguard I inaugura el uso espacial de células solares. El Spunik III le sigue tres
semanas después.
1954: Pearson, Chaplin y Fuller (Laboratorio de Bell Telephone)
Celda de Si; eficiencia > 5%; 286 $/W
1957: Hoffman Electronic alcanza el 8 % de rendimiento en sus celdas
1958: El 17 de marzo se lanza el Vanguard I, el primer satélite alimentado con energía solar
fotovoltaica. El satélite lleva 0,1 W en una superficie aproximada de 100 cm2, para
alimentar un transmisor de respaldo de 5 mW, que estuvo operativo 8 años. La Unión
Soviética, muestra en la exposición Universal de Bruselas sus células fotovoltaicas con
tecnología de silicio.
1959: Hoffman Electronic alcanza el 10 % de rendimiento en sus celdas comerciales.
1962: Se lanza el primer satélite comercial de telecomunicaciones, el Telstar, con una
potencia fotovoltaica de 14W.
1963: Sharp consigue una forma práctica de producir módulos de silicio. En Japón se instala
un sistema de 242 W en un faro, el más grande en aquellos tiempos.
1964: El navío espacial Nimbus se lanza con 470 W de paneles fotovoltaicos.
1966: El observatorio astronómico espacial lleva 1 kW de paneles solares.
1977: La producción de paneles solares fotovoltaicos en el mundo es de 500 kW.
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1980: ARCO Solar (después Siemens, después Shell Solar) es la primera empresa con una
producción industrial de 1 MW de módulos al año. BP entra en el mercado fotovoltaico
este año.
1983: La producción mundial excede los 20 MW.
1994: Se celebra la primera Conferencia Mundial fotovoltaica en Hawai.
1998: Se celebra la segunda Conferencia Mundial fotovoltaica en Viena. Se alcanza un total
de 1000 MWp de sistemas fotovoltaicas instalados.
2002: Se producen más de 500 MWp de generadores fotovoltaicos en un año.
2003: Se celebra la tercera Conferencia Mundial fotovoltaica en Japón y continúa el desarrollo
sostenido, al contar con el apoyo de la sociedad y las administraciones de los países
desarrollados.
2008: Se producen 7900 MW de generadores fotovoltaicos en un año.
TIPOS DE CELDAS FOTOVOLTAICAS
Los materiales que se usan normalmente en el proceso de obtención de electricidad
fotovoltaica son el silicio, el selenio y el galio, aunque también comienzan a utilizarse otros
materiales diversos monocristalinos, policristalinos e incluso amorfos.
El mercado actual está basado en las celdas solares de silicio cristalino (obtenido a
partir de arena), debido a que Ia tecnología de elaboración de éste semiconductor es muy
conocida y se considera madura y confiable. Las celdas solares y módulos fotovoltaicos
elaborados con silicio cristalino han mostrado una vida útil mayor de 20 años, alcanzándose
una eficiencia máxima de conversión en una celda solar de silicio monocristalino 24.7%. Para
reducir los costos de fabricación de los módulos fotovoltaicos de silicio cristalino se han
substituido las celdas solares monocristalinas de silicio por celdas policristalinas, debido a que
el proceso de elaboración de este material es más económico que los mononocristales,
aunque su eficiencia sea un poco menor.
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Película delgada (Thin Film)
Actualmente se tiene una amplia variedad materiales semiconductores fabricados en
película delgada, cuyas características ópticas y eléctricas los califican como buenas opciones
para construir celdas solares. Un fuerte impulso ha recibido la investigación y desarrollo
tecnológico del silicio amorfo, debido a lo cual se encuentra en el mercado celdas solares en
película delgada basadas en silicio amorfo, material que es más barato producirlo en
comparación con el silicio cristalino, pero con una eficiencia de conversión que apenas llega al
10%. El inconveniente de este material es que sufre debido un efecto de degradación
progresiva de su eficiencia. Su uso es muy común y se puede encontrarlas en relojes,
calculadoras, sistemas de señalización y hasta módulos de 64W de potencia.
Otros compuestos semiconductores en película delgada que han sido considerados
para aplicaciones fotovoltaicas son el telurio de cadmio (CdTe) y el cobre-Indio-diselenio
(CulnSe2). Las celdas solares elaboradas con estos compuestos podrán satisfacer la
combinación requerida de bajo costo y eficiencia de conversión aceptable.
Existen otras clases de celdas solares basadas en monocristales de compuestos
semiconductores tales como el arseniuro de galio (GaAs) ó fosfuro de indio (InP), materiales
cuya elaboración es muy cara pero que satisfacen los requerimientos de alta eficiencia y bajo
peso, características que las hacen ideales para las aplicaciones espaciales. Para este tipo de
aplicaciones donde se busca bajo peso y alta eficiencia, la relación costo/beneficio es
pequeña.
PROCESOS DE FABRICACION
La tecnología de elaboración de celdas solares puede elaborarlas en película delgada
del orden de 1 µm de espesor, o gruesas del orden de cientos de micras de espesor.
Las celdas solares comerciales se fabrican con lingotes de silicio de alta pureza. El
lingote es rebanado en forma de placas delgadas llamadas obleas. El espesor típico usado es
del orden de 300 µm (0.3 mm). La celda solar es un diodo rectificador de corriente y está
formada por la unión íntima de dos capas de silicio, una con exceso de electrones (capa tipo
N ó negativa) y la otra con deficiencia de electrones (capa tipo P o positiva).
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Una parte muy pequeña del espesor de la oblea (del orden de 0.5µm) es contaminada
con átomos de fósforo, elemento que al sustituir al silicio cede electrones al material,
formando la capa tipo N. El resto de la oblea es contaminado con átomos de boro, induciendo
deficiencia de electrones formando la capa tipo P, Estas capas forman dentro de la oblea y
cerca de la superficie que recibirá la luz solar, un campo eléctrico interno, el cual es el
responsable de separar las cargas fotogeneradas positivas (huecos) y negativas (electrones).
Sobre la cara de la oblea expuesta la luz, se coloca un enrejado metálico muy fino
(titanio/paladio/plata) para colectar los electrones fotogenerados y extraer la corriente
eléctrica. Este es el terminal negativo donde se encuentran acumulados los electrones
fotogenerados. Sobre este enrejado se conecta uno de los conductores del circuito exterior.
Bajo la cara posterior se coloca una capa metálica, usualmente de aluminio/plata que
corresponderá al terminal positivo, donde se acumulan las cargas positivas. Sobre esta capa
se conecta el otro conductor del circuito exterior.
La superficie se texturiza y se recubre la celda con una película antireflejante para
disminuir Ia reflexión superficial y atrapar más luz. Las celdas solares de silicio monocristalino
presentan un color negro a la reflexión debido al proceso de texturización. Las celdas
policristalinas no se pueden texturizar, y el color que reflejan con la luz del día es debido al
antirreflejante.
“Energías Renovables. Tema Energía Fotovoltaica”, Carlos Oreamuno
Figura 35. Corte transversal de una celda comercial de silicio cristalino.
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Para la producción de celdas de silicio monocristalina se requiere un material
semicondutor de alta pureza. Lingotes monocristalinos de silicio son extraidos de silicio
fundido luego cortados en rodajas semiconductoras. Este complejo proceso de producción
asegura una eficiencia relativamente alta. Las celdas monocristalinas también garantizan
estabilidad de potencia nominal a largo plazo. La potencia nominal de las celda se mantiene
casi igual durante su vida útil. Las celdas monocristalinas suministran un rendimiento de
energía más alto que otros tipos de celdas bajo condiciones de luz difusa, por ejemplo con
cielo nublado.
La producción de celdas policristalinas de silicio es más rentable. El silicio líquido es
vertido en bloques que posteriormente es cortado en rodajas semiconductoras. Cuando el
bloque se solidifica se forman estructuras cristalinas de diferentes tamaños. Las variaciones
de la estructura cristalina resultan en un rendimiento de las celdas un poco más bajo. Por su
forma cuadrada, las celdas solares aprovechan mejor el espacio disponible en los módulos
solares. Por lo tanto, los módulos solares policristalinos pueden alcanzar casi el mismo
rendimiento por área que los módulos monocristalinos.
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Las celdas solares se llaman celdas amorfas o celdas de película delgada cuando una
película de silicio es aplicada al vidrio o algún otro sustrato. La película delgada tiene un
grosor de menos de 1µm (el grosor de un pelo del ser humano es de 50 – 100 µm), así que
los gastos de producción se reducen por ser menores los gastos de material. Las celdas
solares amorfas utilizan una variedad diferente del espectro solar, lo cual las hace efectivas
aún en condiciones de baja luz. En combinación con el coeficiente de temperatura
excepcionalmente bajo, eso resulta en rendimientos anuales de energía comparables o
superando a los de los módulos de silicio cristalino, dependiendo por supuesto del clima en el
lugar de instalación. Especialmente en climas calientes, muchas veces la celdas amorfas
pueden se utilizadas en una gran variedad de diseños y aplicaciones interesantes.
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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- CURSO CAPEV 08, 2009
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