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sábado, 7 de octubre de 2017

LOS INVERSORES PARA ENERGÍA SOLAR



Aquí describiremos el funcionamiento de un inversor monofásico, que usa modulación por ancho de pulsos o PWM (Pulse Width Modulation), que convierte la tensión continua (DC), generada por paneles solares fotovoltaicos, en una tensión alterna sinusoidal (AC) apta para ser entregada a la red pública.

La modulación por ancho de pulsos
Para obtener la señal modulada por ancho de pulsos aplicamos a la entrada de un comparador (Fig.1) una señal portadora triangular (carrier)  y la modulante sinusidal (señal deseada). La modulante sinusoidal será una réplica de la onda de la red, en frecuencia (50 o 60Hz, según el país) y fase (sincronismo). La portadora triangular tendrá una frecuencia alta comparada con la modulante (~ 12 KHz).

Fig.1 – La modulación PWM realizada con un comparador
Cuando la modulante tiene un valor mayor que la portadora, la señal modulada (PWM) tendrá un pulso de valor positivo y cuando sea menor un pulso de valor negativo, como se puede ver en la Fig. 2. Variando la frecuencia de la portadora se varía su período y por lo tanto el ancho de los pulsos de la señal modulada.

Fig.2 – Formas de onda de la modulación PWM
 Esto se hace para poder trabajar en los circuitos con una señal digital (PWM), en lugar de hacerlo con la sinusoidal analógica, lo que sería más complicado. La señal PWM, si la descomponemos mediante la serie de Fourier, veremos que tiene una componente fundamental que es la  modulante sinusoidal de 50Hz/60Hz y muchas armónicas de frecuencias doble, triple, etc. De modo que, en el momento oportuno, podremos recuperar la sinusoide mediante un filtro pasabajos.
El circuito doble puente
El circuito de la Fig.3 es conocido como circuito “doble puente” y también como circuito “puente completo” (full bridge), o “puente H”. Los transistores que se usan son MOSFET, o igbt. También se lo puede encontrar implementado con tiristores (SCR).
Los transistores conducen de a pares: Q1 con Q4 y Q3 con Q2. La conducción de cada par nunca debe ser hecha de manera simultánea con la del otro par.
Si aplicamos un pulso positivo simultaneamente en los gates de Q1 y a Q4, circulará una corriente por estos dos transistores y por la carga RL, lo que producirá un pulso positivo en dicha carga, es decir una tensión positiva en P con respecto al punto Q.
Cuando apliquemos una tensión positiva simultanea en los gates de Q3 y Q2, circulará por la carga RL una corriente de sentido contrario al caso anterior y por lo tanto una tensión sobre ella que tendrá una polaridad opuesta al primer caso, o sea que el punto Q será positivo con respecto al punto P.

Fig.3 – Circuito doble puente
 Si ahora aplicamos la señal PWM de la salida del comparador de la Fig.1 a los gates de los transistores Q1 y Q4, estos dos transistores conducirán simultaneamente con cada uno de los pulsos positivos de dicha señal PWM de la Fig.2 y no conducirán ninguna corriente con los pulsos negativos. De este modo, sobre la resistencia de carga RL tendremos la onda de la Fig.1, pero con la parte negativa recortada, como si la hubíeramos rectificado con un diodo.
Para obtener la onda completa en la resistencia de carga, deberemos seguir aplicando la salida del comparador a los gates de Q1 y Q4, pero además debemos intercalar una compuerta inversora a la señal del comparador antes de aplicarla a los gates de Q3 y Q2 en forma simultánea. Esto nos permitirá transformar los pulsos negativos de la Fig.2 en positivos y podremos hacer que Q3 y Q2 conduzcan solo con esos pulsos y nos permitan obtener una tensión negativa con ellos en la carga (Q positivo y P negativo). Observese que los pulsos positivos de salida del comparador se transformaron en negativos, a la salida de la compuerta inversora y por eso no hacen conducir a Q3/Q2.
De este modo, logramos obtener una réplica de la señal PWM que obtuvimos del comparador, pero la tensión de la carga va a ser mucho mayor, ya que +B es la salida de los paneles solares, que es de donde obtendremos toda la potencia para alimentar nuestras cargas y enviar la que nos sobre a la red.

Fig.4 – Hay que invertir la señal PWM mediante una compuerta inversora, antes de aplicarla a los gates de Q3 y Q2. De esta manera se obtiene la señal PWM completa en la carga.
Para simplificar, llamaremos Vac (t) a la diferencia de potencial entre el punto P y el punto Q. Además representaremos, superpuesta con ella como referencia, a la tensión alterna sinusoidal que deseamos obtener (Fig.5). Esta tensión pulsante es conocida como “forma de onda de dos niveles”  (two – level waveform).

Fig.5 – Forma de onda de dos niveles y sinusoide de referencia superpuesta.
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Si descomponemos la forma de onda de la Fig.5 por medio de la serie de Fourier, lo que podemos hacer sin problemas porque se trata de una onda períodica, con un período T=1/f, donde f es la frecuencia de línea (50/60Hz, según el país de que se trate).
Si hacemos pasar esta onda de dos niveles por un filtro pasabajos LC, podremos eliminar las armónicas de frecuencias superiores a la frecuencia fundamental y obtendremos una onda sinusoidal con muy baja distorsión.
Esto es lo que hicieron los alumnos Ian F. Crowley y Ho Fong Leung, del Instituto Politécnico de Worcester, Massachusetts, bajo la asesoría del profesor Stephen J. Bitar y que mostramos en las Figuras 6 y 7. (Acceso a la nota en referencia [1]). Obsérvense los valores de tensión para el caso de ellos, en EEUU, donde la tensión de línea nominal monofásica es 110V.

Fig. 6 – El espectro de frecuencias de la forma de onda  de dos niveles, antes de pasar por el filtro.

Fig.7 – Onda resultante de la forma de onda de dos niveles, después de filtrar.
 Forma de onda de tres niveles
Si ahora hacemos que el transistor Q4 de la Fig.3 mantenga su gate polarizado positivamente durante todo el semiciclo positivo de la onda sinusoidal, es decir dispuesto para conducir y aplicamos al gate de Q1 la señal de PWM, la carga recibirá corriente durante los pulsos positivos de la señal PWM y durante los pulsos negativos la corriente en la carga será cero. O sea que durante el ciclo positivo de la sinusoide tendremos una tensión Vac (t) constituida por pulsos positivos y pulsos de amplitud cero, en correspondencia con los pulsos positivos y negativos de la señal PWM aplicada, respectivamente.
Durante el semiciclo negativo de la sinusoide, el transistor  Q2 deberá tener condiciones de conducir, o sea su gate positivo y el transistor Q3 deberá tener su gate conectado a la señal PWM invertida por una compuerta inversora. De esta manera, durante el semiciclo negativo de la sinusoide tendremos una señal Vac (t) compuesta por los pulsos negativos y los nulos.
Tendremos así representado el resultado en la Fig.8.

Fig.8 – Forma de onda de tres niveles y sinusoide de referencia superpuesta
Esta forma de onda de tres niveles nos permitirá conseguir una mejor aproximación a una tensión más parecida a una sinusoide perfecta, en la cual el “serruchito” de la onda será mucho menos marcado.
Veamos los resultados que nos muestran Ian F. Crowley y Ho Fong Leung: (Fig.9 y Fig.10)

Fig. 9 – El espectro de frecuencias de la forma de onda  de tres niveles, antes de pasar por el filtro.
Fig.10 – Onda resultante de la forma de onda de tres niveles, después de filtrar.
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Veamos a continuación un diagrama en bloque muy ilustrativo de un inversor publicado por Don Alfano, de Silicon Labs, a través de Electronic Design, en la nota con acceso en la referencia [2]. Ver Fig.11.

Fig.11 – Diagrama en bloques de un inversor monofásico, que usa forma de onda de tres niveles y salida sinusoidal pura. Obsérvese que la corriente antes y después del filtro es sinusoidal y la tensión en cambio, solo es sinusoidal después del filtro.
Observe en la Fig.11 las realimentaciones de tensión desde la red pública (grid), para mentener el sincronismo entre la tensión de la red y la generada por el inversor y la realimentación de corriente a fin de que mediante la variación del ancho de pulsos se pueda regular la corriente generada de acuerdo a la requerida por la carga.

Referencias






jueves, 25 de mayo de 2017

EFECTO FOTOVOLTAICO (PV)



DESCRIPCIÓN ATÓMICA DEL SILICIO
Toda la materia está hecha de átomos. Ellos, a su vez, están compuestos por tres tipos de partículas: protones, neutrones y electrones. Los protones (cargados positivamente) y los electrones (cargados negativamente) se atraen entre sí; los neutrones no son atraídos eléctricamente por ninguno de los dos y se dice que son neutros. Los protones con carga positiva y los neutrones neutros residen en un núcleo, en el centro del átomo, empaquetados de forma cerrada. Los electrones, mucho más livianos que los protones y neutrones, orbitan alrededor del núcleo.
Aunque un átomo contiene partículas cargadas, en general es eléctricamente neutro, porque tiene el mismo número de protones y electrones.
Los diferentes átomos tienen diferentes números de protones. Para cada protón en el núcleo de un átomo, hay un electrón que orbita alrededor del núcleo. Las posiciones orbitales (y el movimiento de los electrones alrededor de su propio eje) están determinados por la energía de los electrones. Los electrones, en particular los más alejados del núcleo, interactúan con electrones de otros átomos y determinan la forma en que los átomos iguales o diferentes se combinan en estructuras más grandes como los sólidos. El átomo de silicio tiene catorce electrones dispuestos de tal manera que los cuatro exteriores pueden ser dados, aceptados, o compartidos con otro átomo. Estos cuatro electrones externos se llaman electrones de valencia.
Un gran número de átomos de silicio, a través de sus electrones de valencia, pueden unirse para formar un sólido. Como un sólido, cada átomo de silicio por lo general comparte cada uno de sus cuatro electrones de valencia con otro átomo de silicio. Cada unidad básica de silicio, formando una disposición tetraédrica, contiene por lo tanto cinco átomos (el átomo de silicio más los otros cuatro con los que comparte electrones). Cada átomo en el sólido de silicio se mantiene en su lugar a una distancia y ángulo fijos con cada uno de los átomos con los que comparte un enlace. Esta formación fija y regular de los átomos de un sólido se denomina red cristalina, o simplemente cristal.

Los sólidos pueden formarse a partir de varias redes cristalinas de forma diferente. Para el cristal de silicio (Figura 1), los átomos se localizan de manera que ocupan el centro y los vértices de un cubo con átomos individuales centrados en cada uno de ellos. La disposición cúbica se repite a través del cristal.

Fig.1 – Representación del cristal de silicio. Los 5 átomos de la unidad básica
cúbica, están señalados con números del 1 al 5. Cada uno de los dos segmentos
que representan el enlace entre dos átomos, incluye un electrón compartido
por cada uno de los dos átomos.
Si la célula fotovoltaica está formada por un único cristal de silicio, se dice que es monocristalina y si está formada por varios cristales, se dice que es policristalina. (Fig.2)

Fig.2 – Célula de silcio policristalina
EL EFECTO DE LA LUZ SOBRE EL SILICIO
Cuando la luz incide sobre un cristal de silicio, puede ser reflejada, absorbida, o puede pasar a través de él. Concentrémonos en la luz que se absorbe. Normalmente, cuando la luz con una energía relativamente baja es absorbida por un sólido, crea calor sin alterar las propiedades eléctricas del material. Es decir, la luz de baja energía que incide sobre un cristal de silicio hace que los átomos de silicio vibren y giren en sus posiciones en los enlaces, pero no se sueltan. De manera similar, los electrones de los enlaces también ganan más energía y se dice que alcanzan un nivel de energía más alto. Dado que estos niveles de energía no son estables, los electrones pronto regresan a sus niveles de energía inferiores originales, emitiendo como calor la energía que habían ganado. La luz de una mayor energía puede alterar las propiedades eléctricas del cristal. Si tal luz incide sobre un electrón de un enlace, el electrón es arrancado de su lugar en el cristal. Esto deja atrás un enlace de silicio al que le falta un electrón y libera un electrón para moverse en el cristal. Un enlace al que le falta un electrón, se dice que tiene un hueco. Se dice que un electrón libre para moverse dentro del cristal está en la banda de conducción del cristal (Figura 3), porque los electrones libres son los medios por los cuales fluye la electricidad. Tanto los electrones de la banda de conducción, como los huecos, juegan un papel importante en el comportamiento eléctrico de las células fotovoltaicas. Electrones y huecos liberados de sus posiciones en el cristal de esta manera, se dice que son pares electrón-hueco generados por luz. Un hueco en un cristal de silicio puede, como un electrón libre, moverse dentro del cristal. El medio por el cual se mueve el hueco es como sigue: Un electrón de un enlace cerca de un hueco puede saltar fácilmente al hueco, dejando atrás un enlace incompleto, es decir, un hueco nuevo. Entonces se puede decir que el viejo hueco, ahora neutralizado por el electrón, “se ha movido” hacia el nuevo hueco producido por la ida del electrón del enlace. Esto ocurre con rapidez y con frecuencia, los electrones de los enlaces cercanos negocian posiciones con huecos, enviando huecos de forma aleatoria y errática a través del sólido. Cuanto más alta es la temperatura del material, más agitados serán los electrones y los huecos y más se mueven. La generación de electrones y huecos por la luz es central en el efecto PV total, pero esto no produce por si mismo una corriente eléctrica. Si no hubiera ningún otro mecanismo involucrado en una célula solar, los electrones generados por la luz y los huecos se moverían en el cristal de forma errática durante un tiempo y luego perderían su energía térmicamente volviendo a las posiciones de valencia. Para aprovechar los electrones y los huecos para producir una fuerza electromotriz  y una corriente, se necesita otro mecanismo: una barrera de "potencial" incorporada.
* La barrera se denomina de "potencial" porque es un fenómeno eléctrico, que tiene que ver con la cantidad de energía que una partícula (electrón o hueco) podría "potencialmente" ganar si esa partícula encuentra la barrera y se acelera.

Fig.3 – Representación esquemática de un cristal de silicio y
el efecto de la luz sobre él, liberando un electrón de un enlace
y produciendo un hueco.
LA BARRERA POTENCIAL
La función de la barrera
Una célula fotovoltaica contiene una barrera que está configurada por cargas eléctricas opuestas enfrentadas entre sí a ambos lados de una línea divisoria. Esta barrera de potencial separa selectivamente los electrones y los huecos generados por la luz, enviando más electrones a un lado de la célula, y más huecos a la otra. Así separados, los electrones y los huecos, es menos probable que se junten y pierdan su energía eléctrica. Esta separación de carga establece una diferencia de potencial entre los extremos de la célula, que se puede utilizar para impulsar una corriente eléctrica en un circuito externo.
Formación de la barrera
Hay varias maneras de formar una barrera de potencial en una célula solar. Una es alterar ligeramente el cristal, de modo que su estructura a cada lado de la línea divisoria sea diferente.
 El dopante donante - portador negativo
Como se ha indicado anteriormente, el silicio tiene cuatro electrones de valencia, todos los cuales son normalmente parte de enlaces en un cristal de silicio. Supongamos que por algún medio introducimos una impureza en un cristal de silicio puro, sustituyendo un átomo de silicio por un átomo como el fósforo, que tiene cinco electrones de valencia. El átomo de impureza ocuparía la misma posición en el cristal que un átomo de silicio normal, suministrando un electrón para cada uno de los cuatro enlaces de silicio. Pero debido a que el átomo de fósforo tiene un electrón de valencia extra, habría un electrón sin ningún enlace que compartir (Figura 4).

Fig.4 – Cuando un átomo de impureza, tal como el fósforo con 5 electrones de
valencia, sustituye a un átomo dentro de un cristal de silicio, este tiene un electrón
extra que no forma parte de ningún enlace
 Comparado con un electrón de enlace, el electrón extra del átomo de impureza es relativamente libre. De hecho, a temperatura ambiente hay suficiente energía térmica en el cristal para sacudir este electrón suelto, a pesar de que dejaría detrás a un átomo de impureza cargado positivamente. * Este electrón libre de la impureza no tiene hueco en el cual puede caer fácilmente, y se comporta como si fuera un miembro permanente de la banda de conducción del cristal, siempre dispuesto a ser parte de una corriente eléctrica. Un cristal de silicio con numerosos átomos de fósforo sustituidos tendría muchos electrones libres de la banda de conducción y un número similar de iones de impureza positivos bloqueados en la estructura del cristal (ya que a los átomos de fósforo les estará faltando el electrón libre). Pero en conjunto, el cristal entero permanecería neutro, puesto que hay apenas tantos iones positivos como electrones libres; pero las propiedades eléctricas del cristal se habrían alterado drásticamente. Las impurezas introducidas de esta manera se llaman dopantes y los dopantes que tienen un electrón de valencia extra (como el fósforo introducido en un cristal de silicio) se llaman donantes porque donan un electrón al cristal. Dicho cristal dopado con donantes se conoce como tipo-N porque tiene cargas negativas libres. Alterar el silicio mediante la introducción de un dopante donante es parte del proceso utilizado para producir la barrera potencial interna. Pero el silicio de tipo-N no puede por sí mismo formar la barrera. Otro silicio ligeramente alterado es también necesario, este tipo con propiedades eléctricas opuestas a las del silicio de tipo-N.  

El dopante aceptor -  portador positivo  
Un material adecuadamente alterado se puede formar sustituyendo átomos del interior del cristal de silicio por átomos de impurezas con un electrón de valencia menos que el silicio. Un átomo de impureza con tres electrones de valencia (como el boro) se ubicaría en la posición del átomo de silicio original, pero uno de sus enlaces con el silicio estaría perdiendo un electrón, es decir, habría un hueco (Figura 5).

Fig.5 – Una mpureza con tres electrones de valencia (tal como el boro)
en un cristal de silicio es normalmente enlazado, pero a uno de sus
enlaces le falta un electrón, es un hueco.
Como vimos antes, los huecos pueden moverse casi tan libremente como los electrones de la banda de conducción. De esta manera, un cristal de silicio dopado con muchos de tales átomos de boro tiene muchos huecos que actúan como si fueran cargas positivas libres que se mueven por toda la red cristalina. Una impureza de tres electrones de valencia en un cristal de silicio se llama aceptor porque sus huecos aceptan electrones (electrones de valencia normalmente enlazados o electrones de banda de conducción) del resto del cristal de silicio. Un material de silicio dopado por aceptor se denomina tipo-P debido a la presencia de cargas positivas libres (los huecos móviles). En un material de tipo-P, las cargas positivas son llamadas portadores mayorítarios (de carga) porque superan en mucho a los electrones libres, que en los materiales de tipo-P se denominan portadores minoritarios. En un material de tipo-N, donde el dopaje se invierte, los electrones (cargas negativas) son los portadores mayoritarios y los huecos son los portadores minoritarios.
La Juntura
Una línea que divide el silicio tipo-N del silicio tipo-P establece la posición de una barrera de potencial esencial para el funcionamiento de una célula solar. Para ver cómo se forma esta barrera, echemos un vistazo a la juntura entre los dos materiales (el área en la proximidad inmediata de las dos superficies). En el material  tipo-P, hay exceso de huecos y en el material  tipo-N, un exceso de electrones (Fig.6a).

Fig.6 - a
Cuando los materiales tipo-N y tipo-P estén en contacto, los electrones libres en el material tipo-N, cercanos a los muchos huecos en el material tipo -P en la juntura, saltarán hacia adentro del material  tipo-P, llenando los huecos. Además, los electrones de valencia de los enlaces en el lado tipo-N pueden también saltar a huecos en el lado de tipo-P adyacente, lo cual es equivalente a un hueco que se mueve hacia el material tipo-N (por simplicidad, esto no se muestra en la Figura 6).

Fig. 6 - b

 Este proceso de transferencia de carga ocurre rápidamente a lo largo de la juntura, enviando enormes cantidades de electrones al lado tipo-P y  huecos al lado tipo-N (Figura 6b).
Fig.6 - c
Esto provoca un desequilibrio inmediato de la carga: más cargas negativas (electrones extra) a lo largo del lado tipo-P de la juntura, más cargas positivas (iones) a lo largo del lado tipo-N (Figura 6c). Cuando los electrones se mueven hacia el material tipo-P durante la formación de la juntura, encuentran huecos en los enlaces de silicio y caen en ellos. De manera similar, los huecos que se transfieren al lado tipo-N se llenan rápidamente por los numerosos electrones adicionales del lado tipo -N. En consecuencia, los portadores que forman la juntura pierden su libertad de movimiento. Por lo tanto, aunque existe un desequilibrio de carga en la juntura, hay muy pocos electrones libres en el lado de silicio tipo-P que se devuelven al lado  tipo-N, y muy pocos huecos libres en el lado de tipo n para ser transferidos de nuevo al material de tipo p. Por lo tanto, el desequilibrio de carga permanece fijo en su lugar.
La barrera.
El proceso de cargas que se mueven a través de la juntura para crear un desequilibrio de carga de la manera descrita anteriormente no continúa indefinidamente. Los portadores cargados que ya han cruzado la juntura establecen un campo eléctrico, que actúa como una barrera que se opone al flujo adicional de los portadores libres. A medida que más portadores cruzan la unión, la barrera se agranda, haciéndo cada vez más difícil que otros portadores puedan cruzar. Eventualmente, se establece un equilibrio donde (estadísticamente hablando) no más electrones o huecos cambiarán de lado. Esto crea una barrera de potencial fija en la juntura (la barrera a la que nos hemos referido desde el principio), con el lado tipo – N adyacente a la juntura cargado positivamente y el lado tipo-P adyacente a la juntura, cargado negativamente. Esto también se puede visualizar, pensando que los electrones acumulados en el lado-P repelerán a nuevos electrones que intenten cruzar al lado-P y que los huecos acumulados del lado-N repelerán a los huecos que intenten cruzar al lado-N. Debe notarse que la "altura" de la barrera (es decir, la fuerza de repulsión del campo eléctrico) depende de la cantidad de dopante en el silicio. Cuanto más dopante, más desequilibrio de carga induce y mayor es la capacidad de la barrera para separar cargas. Resumiendo, la barrera se opone al cruce de los portadores de carga mayoritarios. Es decir, los electrones en el material  tipo-N tendrían que subir la barrera contra el campo  para introducirse en el material tipo - P. De forma similar, los huecos en la región tipo-P se mantienen impedidos de entrar en la región  tipo-N. Obsérvese también que los portadores minoritarios no se ven obstaculizados por la barrera. De hecho, los electrones libres en el lado tipo-P, de los cuales hay muy pocos, siendo el portador minoritario allí, son accionados por el campo de la juntura al lado opuesto  tipo-N. Lo mismo ocurre con los huecos accionados desde el lado tipo-N. Pero normalmente (sin iluminación) hay tan pocos portadores minoritarios en sus respectivos lados, que su movimiento es nulo; y los que hay, son neutralizados por los pocos portadores mayoritarios que aleatoriamente asumen suficiente energía para cruzar la barrera. Esta barrera selectiva en la juntura es el medio de separar las cargas durante la generación de huecos de electrones bajo iluminación. Es la clave para la producción de una corriente eléctrica fotovoltaica.
La Barrera de potencial en acción
A fines ilustrativos, supongamos que la luz que incide sobre la célula fotovoltaica tiene suficiente energía como para liberar un electrón de enlace en el cristal de silicio. Esto crea un par electrón-hueco, un electrón libre y un hueco libre. Supongamos además que el par electrón-hueco se genera del lado del silicio tipo-P de la juntura. Un electrón de un par electrón-hueco tiene sólo un tiempo relativamente corto durante el cual es libre, porque es muy probable que se combine con uno de los numerosos huecos en el lado tipo-P. Pero las células solares están diseñadas para que, con toda probabilidad, el electrón deambulando alrededor del cristal  encuentre la juntura antes de que tenga la oportunidad de combinarse con un hueco. (Si se combinara con un hueco, perdería su energía como calor y sería inútil en lo que respecta a la corriente eléctrica fotovoltaica). Una vez que el electrón libre esté dentro del campo de la juntura (que se limita a la vecindad inmediata de la juntura), el electrón es acelerado a través de la barrera (por el desequilibrio de carga de la barrera) en el silicio tipo-N. Puesto que hay muy pocos huecos en el lado tipo-N de la juntura, el electrón ya no está en gran peligro de recombinación. Además, hay muy pocas posibilidades de que regrese al lado del tipo-p porque tendría que resistir la repulsión del campo de la juntura (subir la barrera), gastando energía que usualmente no tiene. El hueco socio de este par electrón-hueco, sin embargo, permanece en el lado tipo-P de la juntura porque es repelido por la barrera en la juntura. No está en peligro de recombinación porque ya hay un predominio de huecos en el lado tipo-P.
Una situación similar ocurre cuando los pares electrón-hueco son generados por la luz en el lado tipo-N de la juntura. Esta vez los electrones liberados permanecen en el lado tipo-N, siendo repelidos por la barrera. Mientras tanto, la mayoría de los huecos encuentran la juntura antes de tener chance de recombinarse. Cruzan la juntura hacia el lado tipo-P mientra que los electrones normalmente enlazados en el lado tipo-P saltaban la juntura y llenan los huecos del lado tipo-N. Una vez en el lado tipo-P, los huecos se mueven sin obstáculos, y hay muy pocos electrones libres disponibles para llenarlos. Debido a que la iluminación y la separación de carga causan la presencia de cargas negativas excesivas no combinadas en el lado tipo-N y huecos en exceso en el lado tipo-P, existe un desequilibrio de carga en la célula.
LA CORRIENTE ELÉCTRICA
Si conectamos el lado tipo-N al lado tipo-P de la celula por medio de un circuito eléctrico externo, la corriente fluye a través del circuito (que responde como si fuera alimentado por una batería) porque esto reduce el desequilibrio de carga inducido por la luz en él. Las cargas negativas fluyen fuera del electrodo en el lado tipo-N, a través de una carga (tal como una lámpara incandescente), y realizan un trabajo útil en esa carga (tal como calentar el filamento de la lámpara incandescente para que ilumine).  Los electrones entonces fluyen hacia el lado  tipo-P, donde se recombinan con huecos cerca del electrodo (Figura 7). La energía de la luz incidente, originalmente absorbida por los electrones, es usada por los electrones para alimentar el circuito externo. Entonces  se mantiene un equilibrio: La luz crea continuamente más pares electrón-hueco y, por lo tanto, más desequilibrio de carga, el desequilibrio de carga es aliviado por la corriente, que cede la energía para la realización de trabajo.
La cantidad de luz incidente en la célula crea una cantidad casi proporcional de corriente. La cantidad de energía que se necesita para elevar un electrón a la banda de conducción es la cantidad de energía que la luz suministra originalmente al electrón y es, por tanto, el máximo que puede recuperarse del electrón en el circuito externo. Hemos observado todas las condiciones necesarias para que la corriente fluya: luz incidente para liberar los portadores de carga, una barrera para acelerar los portadores a través de la juntura y mantenerlos en extremos opuestos de la célula, y un desequilibrio de carga para impulsar una corriente (portadores cargados) a través de un circuito.

Fig.7 – La corriente eléctrica generada por la luz en la célula fotovoltaica
 Resumen: las células fotovoltaicas se basan en unir un material tipo-N, con el mismo material tipo-P. Al hacerlo se produce una barrera de potencial en la juntura, que hace que los pares electrón –hueco producidos por la luz, se separen en el cristal, sin posibilidades de recombinarse porque la barrera se lo impide. Cuando incide la luz, produce pares electrón- hueco que va generando electrones libres que pasan al lado-N y huecos que pasan al lado-P, quedando en ambos casos como portadores libres en su lado respectivo sin poder pasar al otro lado y neutralizarse. Al unir ambos lados por medio de un circuito externo con una carga, los electrones libres encuentran un camino libre de barreras que les permite circular por el circuito, atraídos por los huecos del lado-P y recién ahí pueden recombinarse. De este modo entregan energía a la carga del circuito externo. Todos los electrones que circulan por la carga son los liberados por la energía de la luz incidente.

Referencias:




miércoles, 26 de abril de 2017

¿Que es el TEU (Twenty-foot Equivalent Unit)?



El TEU (Twenty-foot Equivalent Unit), que significa “Unidad Equivalente a Veinte Pies”, representa a un contenedor normalizado con dimensiones exteriores de 20 pies (6,1m) de largo x 8 pies (2,4 m) de ancho x 8,5 pies (2,6 m) de alto.  El peso máximo del contenedor es 26.000 kg aproximadamente, pero restando la tara o peso en vacío, la carga en su interior puede llegar a pesar 23.600 kg.

Fig.1  - Contenedor TEU
El TEU se usa como unidad de medida de la capacidad de Buques portacontenedores y   Terminales portuarias para contenedores. No hay que confundir a la Terminal portuario con el Puerto. El Puerto contiene varios terminales portuarios. También hay que tener en cuenta que existen varios tipos de buques y terminales portuarias, además de los buques portacontenedores y de las Terminales portuarias para carga y descarga de contenedores.
Los Buques portacontenedores son buques de carga que transportan la totalidad de su carga en contenedores (Fig.2) y las Terminales portuarias para contenedores (Fig.3), cuentan con instalaciones dedicadas con exclusividad a carga y descarga de contenedores, para lo cual disponen de gruas de muelle en pórtico, adecuadas para esa función.

Fig.2 – Buque portacontenedores
Fig.3 – Terminal portuaria para contenedores, donde se pueden apreciar el buque portacontenedores y las gruas de muelle en pórtico.
Los Terminales portuarios para contenedores cuentan con una amplia zona para mover, acomodar y almacenar los contenedores. En ella operan vehículos pesados, que apilan los contenedores en columnas (Fig.4).

Fig.4 – Apilando los contenedores.
El proceso completo en una Terminal portuaria de contenedores
En la Fig.5 se ha representado, mediante un diagrama en bloque, todo el proceso que se lleva  a cabo en un Terminal portuario de contenedores.

Fig.5 – El proceso completo en una Terminal portuaria de contenedores
Carga y descarga del buque
En la Fig.6 se muestra un esquema de una grúade muelle en pórtico, para carga y descarga de contenedores de un buque. Sobre la pluma de la grúa hay un carro, que se mueve sobre rieles a lo largo de la pluma. La cabina del Operador de la grúa se encuenta sostenida por el carro. También del carro cuelgan varios cables de acero que sostienen en su extremo inferior el “spreader”. El spreader es una pieza con una superficie algo mayor que las caras del contenedor,  que se encarga de “enganchar” al contenedor por sus cuatro puntas mediante pernos que traban al girar.
El Operador de la grua comanda la bajada y subida del spreader soltando y recogiendo los cables de acero. Además, el Operador tambien comanda el movimiento del carro a lo largo de la pluma, desplazando de esta manera el spreader, el contenedor y su propia cabina con él arriba, hasta la posición adecuada para descargar el contenedor del buque y cargarlo sobre el acoplado o chassis de un camión que lo transportará hacia la pila de almacenaje, o hacer la operación inversa cuando se trata de la carga del buque.
Pero para ubicar la grua en la posición necesaria exacta, entre la proa y la popa del buque, el operador dispone el desplazamiento de la grua en forma paralela al buque, que se desplaza sobre rieles en tierra, dispuestos en la dirección perpendicular a la pluma de la grua. Algunas grúas tienen ruedas con neumáticos de goma, en lugar de ruedas de acero como los vagones de ferrocarril y en este caso disponen de mayores grados de libertad.

Fig.6 – Esquema de grua de muelle en pórtico para carga y descarga de contenedores
Ingresando al siguiente link, se podrá ver un video que muestra la operación de la grúa por el operador y las distintas partes de la grúa en funcionamiento: https://www.youtube.com/watch?v=aFwzvIsl6Lo
Transporte interno y apilado de contenedores
Uno de los vehículos más utilizados para el transporte interno desde la grúa hacia la pila de contenedores y viceversa es el camión de la Fig. 7. La grúa deposita los contenedores que extrajo del buque sobre el chassis del camión y luego este los transporta hasta las cercanías de la pila. Luego, mediante las máquinas como las mostradas en la Fig. 4, o en la Fig.8, los contenedores son extraídos del camión y colocados en la pila. Para la carga de los contenedores en el buque, el proceso es exactamente inverso.

Fig.7 – Camión portacontenedores para tráfico interno
Fig.8 - Straddle carrier. Su mecanismo es similar al de la grúa en pórtico
de muelle: arriba la cabina del operador. 
Transporte por tren o camión
Para cargar los contenedores sobre el chassis de camiones semiremolques, se suele usar la máquina de la Fig.8, como se muestra en la Fig.9, o bien la máquina de la Fig.10.

Fig. 9 – Cargando un semirremolque con la máquina de la Fig.8


Fig.10 – Cargando un semirremolque para sacar los contenedores del puerto
Los vagones de ferrocarril tienen el aspecto mostrado en la Fig.11, cuando son cargados con contenedores. Para cargarlos se pueden usar las máquinas de las Figuras 4 y 10.

Fig. 11 – Vagón de ferrocarril portacontenedores
Accediendo a los siguientes links, se podrán ver tres videos que muestran a estas máquinas operando en una terminal de contenedores:
Capacidad de una terminal portuaria de contenedores
Definiremos la capacidad de una terminal portuaria de contenedores como el tráfico máximo de TEUs que puede operar la terminal durante un año.
Tráfico de contenedores en el Puerto de Buenos Aires, Argentina
El tráfico de contenedores, durante el año 2015, en el puerto de BsAs, expresado en TEUs, fue de 965.200 TEUs y en el año 2014 de 997.700 TEUs.
El FEU (Forty-foot Equivalent Unit)
Existe también un contenedor estandarizado con igual ancho y alto que el TEU, pero con el doble de largo, es decir de 40 pies (12,2 m), que equivale a una unidad equivalente de cuarenta-pies (en inglés: Forty-foot Equivalent Unit, FEU). En el transporte de carga (se consideran que son dos TEU.
Otros tipos de buques y terminales portuarias
Entre otros tipos de buques, se destacan los Buques graneleros que transportan grandes volúmenes de cargas a granel. Estos buques operan con las correspondientes Terminales de graneles: a través de este tipo de terminal se movilizan productos minerales, combustibles, cereales, aceites y otros. Como ejemplo tenemos las conocidas “terminales cerealeras” , que cuentan con instalaciones especiales para la manipulación de la carga y su posterior carga al buque. Las terminales cerealeras modernas, como es el caso de las radicadas en la zona de Rosario, en Argentina, poseen elevadores de cintas de provisión múltiples con un ritmo de carga de entre 1.000 y 1500 tn/hora, silos de almacenamiento, con capacidades que superan las 250.000 Tn; además generalmente están provistas de equipos automáticos para pesar y despachar la carga. Otros ejemplos de buques graneleros, son los petroleros que transportan petróleo crudo y los metaneros, que transportan GNL (Gas Natural Licuado).

domingo, 26 de marzo de 2017

¡No hay tiempo que perder!

El mundo está cada vez más competitivo. Los jóvenes de los países asiáticos no corren, vuelan adquiriendo conocimientos y habilidades. La globalización es imparable y no habrá muros que la puedan detener. La calidad y la eficiencia se introducen en todas partes y la única manera de enfrentarlas es produciendo con más calidad y eficiencia. ¿Están los jóvenes latinoamericanos preparándose para enfrentar esta realidad?


La realidad
Cada vez hay más máquinas haciendo tareas que hasta hace poco eran realizadas por seres humanos. En las fábricas, los robots, dotados de inteligencia artificial, realizan cada vez mas trabajos y con mayor velocidad y eficiencia que los seres humanos. Además, los robots no se cansan, ni tienen dolores de cabeza, ni exigen derechos, solo trabajan sin parar y sin quejarse.
Se estima que el 80% de las tareas en la fabricación de un automóvil son realizadas actualmente por robots.
Dentro de un programa para simplificar la comunicación de humanos con robots, actualmente en el MIT (Massachusetts Institute of Technology) (Instituto Tecnológco de Massachusetts) ya están logrando que las personas se comuniquen con los robots por telepatía, utilizando las ondas cerebrales obtenidas mediante un encefalógrafo. De esta forma, la comunicación de las personas para darles órdenes e instrucciones a los robots, será tan amigable que ya no serán necesarios programadores para esas funciones.




Con computadoras cada vez más rápidas y con softwares cada vez más especializados en las distintas disciplínas, un operador puede reemplazar a varios operadores que antes realizaban tareas solo dotados de papel y lápiz.
Las tareas de supervisión en la agricultura, ganadería, grandes obras en campo abierto, que hasta hace poco eran realizadas por capataces que, pegados al asiento de una camioneta, recorrían de manera intensiva las instalaciones, están siendo reemplazados por la información que suministran satélites y drones.
Hoy se discute la necesidad de que los profesores  transmitan  información teórica a sus alumnos, con la idea de que esta acción se realice a través de internet, desde servidores que dispongan de esa información, reservando la función de los profesores a las actividades prácticas únicamente.
Estamos en medio de una revolución diferente a la revolucilon industrial del siglo 19, que consistía en reemplazar la fuerza realizada por seres vivos, como personas, caballos y bueyes, por la fuerza de  las máquinas. Hoy en día se tiende a reemplazan todas las tareas, incluyendo a las más delicadas, por máquinas que las hacen con mayor confiabilidad y rapidez.
Algo de historia
El reemplazo del hombre por la máquina es algo que algunos visionarios ya veían venir en la década de 1960 y algunos de nosotros asistíamos a sus conferencias sobre cibernética algo incrédulos y desconfiados de sus advertencias. Algunos optimistas intentaban contradecirlos, expresando ideas tranquilizadoras, como que las máquinas solo harían que los seres humanos realizáramos tareas más dignas, ya que el trabajo indeseable quedaría a cargo de las máquinas, mejorando la situación. En esa época todavía usábamos computadoras analógicas, de las cuales la hermana menor era la regla de cálculo, que nos permitía hacer los cálculos de manera aproximada con gran esfuerzo. Las computadoras digitales eran una curiosidad y cada una de ellas ocupaba una habitación.
A fines de la década de 1970, trabajando en un laboratorio de AEG - Telefunken en Brasil, recibí la orden de dirigirme a la línea de producción en serie de los transceptores de VHF a colaborar con el robot que realizaba el test de los equipos terminados, que consistía en medirles todas las especificaciones, tales como sensibilidad, selectividad, etc. Cuando un equipo no cumplía con las especificaciones, el robot simplemente lo rechazaba. En este caso, el robot había rechazado todo el lote de los equipos y yo debía encontrar la causa. Mediante mediciones convencionales, encontré que la causa eran varios capacitores defectuosos en la etapa del amplificador de radiofrecuencia. A medida que los fui reemplazando, debí pasar nuevamente los equipos por la computadora, para que los fuera aprobando. Ese día sentí la sensación de que la computadora, no solo reemplazaba el trabajo de los técnicos de línea, que antes medían los equipos, sino que también era mi jefa!
Recién en la década de 1980 las computadoras digitales dejaron de ser máquinas aritmética aisladas, para comenzar a comunicarse entre sí, mediante la transmisión de paquetes de datos. Los canales de comunicación eran ruidosos y constituían un obstáculo más a vencer en la transmisión de datos. En la década de 1990 pasamos de los esquemas centralizados de grandes máquinas como el AS-400, que alimentaba cantidades enormes de terminales bobos, que funcionaban usando la inteligencia de la máquina central, a las LAN y WAN que consistían en computadoras personales (PC) interconectadas entre sí, con inteligencia propia y usando servidores que colaboraban con las redes en temas específicos.
Pero a medida que la tecnología iba avanzando, también avanzaban las velocidades de los datos transmitidos (bits/seg), el ancho de banda (Hz) y la complejidad y el precio de los equipamientos utilizados. Entonces la transmisión de datos, que realizábamos mediante cables telefónicos y modems con equipos de radio monocanales y multicanales analógicos, ya no podían ser vendidos e instalados por los técnicos independientes y el servicio quedaba cada vez más en manos de las multinacionales. Nuestro trabajo quedó obsoleto y tuvimos que reinventar nuestra función. Comenzamos a instalar radios digitales que transmitieran tramas E1 (2Mbits/seg), con modulantes PCM (Pulse Code Modulation), en frecuencias de 23GHz dentro de las ciudades y algo más bajas para distancias algo mayores. Ahora en el mismo haz de radiofrecuencia transmitíamos una trama E1 para voz (30 canales telefónicos) y otra para datos. Antes, los mono y multicanales, y los cables telefónicos, eran fabricados en Argentina, pero ahora los radios digitales era necesario importarlos. Las telefónicas, privatizadas en Argentina, competían con nosotros, los independientes, ofreciendo el mismo servicio por fibra óptica o radiofrecuencia, pero con el pago de un monto considerable para la instalación, más un abono mensual por el servicio. Como sus precios eran altos, pudimos competir con ellas, que tenían a su favor el respaldo que les daba su nombre y muchos usuarios no tuvieron el coraje suficiente para prescindir de ellas.
Tuvimos que aprender sin internet, porque todavía no estaba suficientemente desarrollado, muchos protocolos como el X25, los nuevos cableados para las redes de datos, primero con coaxiles y luego con UTP. Eran los libros, revistas, folletos y conferencias, nuestras fuentes de información. A nuestro favor solo estaban la necesidad de seguir dentro del mercado y nuestra voluntad por aprender.
A medida que internet se fue haciendo más accesible, devorábamos la información que nos ofrecía, por supuesto en inglés si queríamos leer algo de calidad. Hoy en día también es necesario buscar textos en inglés y en lo posible originados en EEUU, si queremos encontrar información de calidad.
Los jóvenes del siglo XXI
Los jóvenes del siglo XXI, tienen a disposición varias puertas por donde acceder a situaciones futuras que les permitirán vivir dentro del mundo y no fuera de él. Las llaves de todas esas puertas son el conocimiento y habilidades que adquieran.
Muchos profesores, de varios países latinoamericanos, se quejan de que los alumnos del secundario van a clase a perder el tiempo, sin el menor interés por aprender y que les faltan el respeto. También algunos se quejan de que reciben órdenes, o presiones para aprobar a sus alumnos aunque no sepan.
Recientemente, en una Universidad argentina se comprobó que muchas tesis de los alumnos universitarios fueron compradas a “especialistas” en fabricarlas a pedido.
En las escuelas primarias y secundarias de Argentina, muchos docentes son agredidos por los padres de los alumnos, cuando sus hijos son aplazados o amonestados.
En Argentina existe una disconformidad permanente de los maestros y profesores sobre el salario que reciben.
Por su parte, muchos alumnos se quejan de que sus profesores no les suministran una enseñanza acorde con lo que necesitan aprender en el siglo XXI.
Es probable que se esté produciendo también una realimentación de fallas. Muchos docentes podrían no estarse sintiendo incentivados a mejorar sus clases, debido al desinterés de los alumnos por aprender. Por otra parte, el desinterés de los alumnos se podría producir, al menos en parte, por la falta de habilidad y conocimiento de los profesores para entusiasmarlos y enseñarles.
Algunos análisis sobre los malos resultados en el aprendizaje de nuestros jóvenes centran el problema en diferencias económicas, entre distintas clases sociales.
En las Pruebas Pisa (Programme for International Student Assessment) (Programa para la Evaluación Internacional de Estudiantes), que se realiza a los jóvenes de 15 años, los países de América Latina están ubicados en  las peores posiciones.
Es probable que todo lo dicho hasta ahora influya sobre los pobres resultados de nuestros jóvenes, pero hay más causas probables: 1) El nivel cultural medio del ambiente familiar ha ido drásticamente en descenso en los últimos años, influyendo en los niños desde temprana edad; 2) El nivel cultural de las poblaciones es actualmente muy bajo, incentivado por programas masivos de TV, por ejemplo, donde se transmite incultura a manos llenas; 3) Hace algunas décadas, se aconsejaba a los jóvenes leer los diarios, a fin de informarse sobre los distintos temas y mejorar su cultura general. Hoy en día, con el bajo nivel de conocimiento del periodismo en América Latina, constituyen una verdadera fuente de confusión y desinformación; 4) El pésimo mal ejemplo que dan los gobernantes, que muestran errores de concepto y hasta de expresión en su propio idioma.
BBC Mundo invitó a una de las autoridades mundiales en educación, el chileno José Joaquín Brunner, a compartir su visión con los lectores, respecto a como mejorar la educación en América Latina y obtener mejores resultados en las pruebas PISA y esta fue una de las frases que expresó:
“En primer lugar, es posible mejorar resultados del aprendizaje, pero para lograrlo se requiere un esfuerzo concertado de la nación: del gobierno y los colegios, de las familias y autoridades locales, de los empresarios y universidades, de la sociedad civil y organizaciones no gubernamentales y, prioritariamente, de los docentes y sus alumnos. Se requieren políticas de largo plazo, estables, coherentes y dotadas de suficientes recursos.”
Conclusión
Creo que hasta que todo esto se concrete, lo más práctico será explicar a los mayores interesados la realidad, o sea a los jóvenes, que no hay tiempo que perder en cuanto a la adquisición de conocimientos y habilidades. Ellos podrán compensar, con voluntad y sacrificio, todas las falencias que puedan existir en el sistema y en los maestros y profesores. De esa manera podrán llegar a tener chances de equilibrar a la competencia que tendrán que enfrentar, proveniente de los países asiáticos.