SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Y CARACTERIZACIÓN DE CELDAS SOLARES

G. Sánchez PosadaUniversidad de Antioquia, Colombia

gefelectrica @gmail.com

L.F. Gaviria Rodríguez Universidad de Antioquia, Colombia

lfgaviria19@hotmail.com

RESUMEN

La energía solar fotovoltaica está marcando una nueva era en la generación de energía eléctrica, ya que ésta a largo plazo significará la solución a los grandes problemas energéticos sufridos gracias al uso indiscriminado de los combustibles fósiles, por tal motivo en el trabajo se realiza una caracterización de los que se denominan celdas o células solares, las cuales son la componente inicial de la transformación de radiación en energía eléctrica.Las aplicaciones que han surgido actualmente son de considerable importancia, porque nos llevan a pensar que la energía generada a partir de recursos no renovables es posible reemplazarla con recursos renovables e ilimitados brindados por la naturaleza.Las módulos solares constituidos por la conexión de múltiples celdas ya sea en serie, paralelo o mixta nos brindan diferentes parámetros (corriente, voltaje, potencia) que son utilizados de acuerdo a nuestras necesidades.Además, con la caracterización de las células, buscamos obtener a través de medidas realizadas con instrumentos de laboratorio, datos experimentales para la utilización eficiente de los elementos disponibles, los cuales nos ayudarán con nuestra investigación y a mejorar la producción de energía eléctrica a partir de la energía solar.

1. INTRODUCCIÓN

Desde hace unos años se ha considerado la energía solar como una técnica limpia (no contaminante) de producir electricidad, y esta se convierte en una de las mejores alternativas para la solución de los problemas energéticos que enfrentamos actualmente. Dichos problemas son debido al uso indiscriminado de los combustibles fósiles para la generación de energía eléctrica, por tal motivo se considera la energía solar como una fuente de energía renovable poco

convencional, la cual se basa en aprovechar la radiación del sol para la producción de electricidad.El promedio de radiación que recibe la tierra es de aproximadamente 1017 w [1], que al distribuirse por toda su superficie corresponde 170W/m2 lo cual indica que 1 m2 de superficie terrestre recibe alrededor de 4 Kw-h al día. Esta cantidad de radiación solar puede ser utilizable y por tal motivo puede ser transformada en energía eléctrica, por medio de dispositivos fotovoltaicos a través de procesos directos o indirectos, siendo la conversión más eficiente la que se consigue de forma directa por medio de células solares.

Aunque el efecto fotovoltaico fue observado por primera vez en 1839 solo hasta 1956 se inician planes de desarrollo con generadores fotovoltaicos y en 1977 es reportada la primera célula solar en estado sólido [1].

Las células solares o células auto generadoras son elementos técnicos capaces de generar voltajes y corrientes cuando son expuestas a la luz natural o luz artificial, la capacidad de generación del voltaje es proporcional a la cantidad de luz que incida sobre ella [2], estas celdas son fabricadas generalmente de silicio, las cuales proporcionan una eficiencia próxima del 10% al 15%, siendo la de 15% la celda de silicio mono cristalino, por esta razón se presentan los altos costos en la generación fotovoltaica.

Para optimizar los costos del sistema, actualmente se le brinda a dichos dispositivos mayor tiempo de investigación, lo cual ha llevado a una nueva generación de células que pueden competir en eficiencia y costos con las celdas de silicio. Entre los desarrollos más recientes se encuentran las celdas híbridas y orgánicas, las cuales nos llevan a pensar que se está alcanzando el objetivo de un sistema fotovoltaico, el cual es poder generar electricidad con una alta eficiencia y con bajos costos.

Entre las características y ventajas más importantes del sistema de generación se encuentran:

La fuente básica de energía es ilimitada y está disponible en todos los lugares de la tierra.

Es una energía renovable y que no genera contaminación ambiental, no produce ruidos y es una fuente de energía muy sostenible y amigable con el planeta ya que reduce el uso de combustibles.

Los sistemas pueden ser portables.

Tiene bajos costos de funcionamiento.

La energía no auto consumida puede ser añadida a la red, es decir, puede ser vendida al sistema de redes de las compañías eléctricas para que otros usuarios la consuman, este proceso se denomina “Net-metering” [3].

Su capacidad modular permite desarrollar sistemas de potencia desde mW hasta MW utilizando prácticamente la misma tecnología.

Como las células solares generan voltaje DC, el sistema de generación fotovoltaica desde los módulos hasta su utilización está compuesto por otras componentes como lo son: las baterías de almacenamiento de la energía eléctrica entregada por las celdas, los reguladores de carga, los inversores y por supuesto la carga que es quien utilizará la energía eléctrica generada.

Las posibles aplicaciones de la energía solar fotovoltaica son un campo muy numeroso en donde las más destacadas son:

Electrificación e iluminación de cercas y de viviendas rurales.

Equipos de comunicación y de tele medida.

Señalización en las calles, aeropuertos y vías férreas.

Protección catódica de gasoductos y oleoductos.

Iluminación pública.

Sistemas de seguridad y sistemas de emergencia.

Cargadores de baterías.

Bombeo de agua y sistemas de regadío.

Satélites.

Calculadoras, teléfonos móviles y en algunos equipos electrónicos.

Centrales eléctricas solares para la producción a gran escala de energía eléctrica.

A partir del desarrollo de los sistemas y de los dispositivos fotovoltaicos modernos, la energía solar se ha consolidado como la fuente de energía que suplirá las necesidades energéticas a largo plazo, teniendo expectativas muy considerables para las generaciones futuras [1][3][4].

2. EL SOL COMO FUENTE DE ENERGÍA

Figura1. Un panel recibiendo la radiación del sol.

El sol es la estrella que se encarga de iluminar nuestro planeta y que hasta ahora hemos visto esta función como única, pero también podemos tomar otras funciones de esta radiación solar, como la que podemos ver en la figura 1, donde el sol irradia sobre un panel solar.

En el sol ocurre un proceso de fusión la cual consiste en la unión de cuatro átomos de hidrógenos para convertirse en un átomo de helio, en esta transformación se diría que pierde masa, pero esta se transforma en energía la cual por procesos la podemos transformar en electricidad por medio de sistemas fotovoltaicos, pero antes de ver cómo funcionan estos sistemas veamos de que tipos de luz nos provee el sol y cuál es la que vamos a aprovechar

3. TIPOS DE LUZ PROVENIENTES DEL SOL

Primero tenemos el tipo de radiación directa la cual se define así “es la que incide sobre cualquier superficie con un ángulo único y preciso”, la radiación solar viaja

en línea recta, pero los gases y partículas en la atmósfera pueden desviar esta energía lo que se llama dispersión y esto explica que un área con sombra o una pieza sin luz este iluminada y a esto es lo que conocemos como radiación dispersa o difusa y el tercer tipo de energía es la radiación albedo es la fracción reflejada por la superficie de la tierra o cualquier otra superficie [5].

4. SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO

4.1 PANELES SOLARES

Figura 2. Algunos tipos de células.

Es el elemento fundamental de cualquier sistema solar, figura 2, su principal función es capturar la mayor parte de energía solar y convertirla en corriente por medio de los electrones de valencia del silicio, que al desprenderse con la radiación solar forman una corriente eléctrica.

Los paneles solares los podemos conectar de acuerdo a nuestras necesidades:

La primera posibilidad es conectarlos en serie la cual consiste en conectar el terminal positivo de un módulo con el negativo de un módulo siguiente y así sucesivamente hasta completar la serie. Los beneficios que tenemos al conectar los módulos en serie es que podemos aumentar la tensión, la tensión total será la suma de la tensión de cada módulo, pero la corriente será la que nos proporcione un solo panel, lo que implica que si falla un solo panel puede fallar toda la serie.

La segunda posibilidad es conectar los paneles en paralelo la cual consiste en conectar por un lado los terminales positivos de todos los paneles y por otro lado los terminales negativos, lo cual genera una salida del terminal positivo común para todo el sistema y una terminal negativa común para todo el sistema. El

beneficio mayor que tiene este tipo de conexión es que la intensidad de corriente será la suma de todas las intensidades de cada módulo pero la tensión dependerá de la que nos proporcione un solo módulo.

4.2 BATERÍAS

Elementos que almacenan energía. Con su ayuda, los consumidores pueden usar la energía acumulada durante periodos de mal tiempo, como puede ser en un día nublado, un día con nieve o en la noche .otra función de las baterías es proporcionar una intensidad de corriente superior a la que nos puede generar un panel fotovoltaico [5].

4.3 REGULADORES DE CARGA

Un regulador es el equipo que se encarga de gestionar el consumo directo de células, las baterías, y la carga evitando sobrecargas o descargas profundas, alargando así la vida útil de las componentes del sistema [5].

Los inversores se deben desconectar del generador cuando las baterías están cargadas completamente y deben interrumpir la alimentación a la carga cuando las baterías alcanzan un nivel mínimo de seguridad [5].

4.4 INVERSORES DE FRECUENCIA

El sol nos proporciona corriente en forma directa (DC) y algunos electrodomésticos de nuestro hogar se nutren de energía (AC) es ahí donde entra la aplicación de un inversor de frecuencia, el cual nos transforma la energía proporcionada por el sol (corriente DC a corriente AC) y así poderla consumir cuando sea necesario.

4.5 CABLES Y PROTECCIONES

Esta parte es muy importante en la instalación de un sistema fotovoltaico, puesto que tiene que cumplir con una normatividad establecida para instalaciones eléctricas y además, brinda más seguridad a la hora de un óptimo funcionamiento.

Cuando hablemos de protecciones nos podemos referir a diodos, fusibles, interruptores y demás elementos que nos puedan ayudar a la protección tanto del sistema como de las personas que lo utilizan.

4.6 SOPORTE

A la hora de buscar una máxima eficiencia, los soportes juegan un papel importante; ya que el ángulo con que incide los rayos del sol en los paneles solares, darán una mayor o menor intensidad de corriente.

Entre los tipos de soportes que podemos tener en un panel solar se encuentran el soporte fijo, soporte ajustable, soporte automático.

Los soportes fijos son aconsejables usarlos en lugares donde la latitud permite elegir un ángulo de inclinación fijo (latitud más 15°) cuyo valor incrementa las horas de generación en los días de invierno; los soportes ajustables son muy parecidos a los soportes fijos, la diferencia es que estos soportes pueden graduar su ángulo de inclinación y por ello son los más usados, los soportes automáticos permiten seguir la trayectoria que realiza el sol durante todo el año desde el amanecer hasta el atardecer [5].

En la figura 3. se puede ver el sistema solar fotovoltaico con cada una de sus componentes.

Figura 3 Sistema de energía solar fotovoltaica.

5. CARACTERIZACIÓN DE LAS CELDAS SOLARES

La caracterización de una celda solar es la relación entre la corriente y el voltaje bajo condiciones de iluminación u oscuridad.

Cuando la celda es iluminada comienza a generar corrientes las cuales son proporcionales a la radicación a la cual es sometida. La curva característica de la célula es denominada curva corriente vs voltaje (IxV).

Esta gráfica permite visualizar el comportamiento del voltaje y la corriente a diferentes cargas.

Figura 4. Curvas características (IxV)

La figura 4. muestra el comportamiento de una celda solar sometida a diferentes intensidades de luz.

Los parámetros característicos de las células solares son:

Voc: Voltaje de circuito abierto, este se encuentra cuando la carga es muy grande lo cual permite que la corriente sea igual a cero.

Isc: Corriente corto circuito, esta se encuentra cuando la carga aplicada es muy pequeña (teoricamente cero), en este punto la corriente es máxima y el voltaje es cero.

Pmax: Punto en el que se alcanza la mayor potencia entrega por la celda.

6. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

El objetivo de realizar la caracterización de las celdas solares es encontrar la potencia máxima que la célula es capaz de entregar, conocer las capacidades que posee, identificar las características y cambios que esta puede presentar en diferentes medios y temperaturas. Los comportamientos que la célula puede presentar dependen tanto de las condiciones del ambiente como de las condiciones de fabricación de la misma, ya que si esta se encuentra defectuosa su vida útil puede disminuir y no entregará los parámetros para los cuales fue diseñada. Para encontrar experimentalmente una curva característica se deben realizar varios ensayos a diferentes temperaturas, diferentes ambientes y diferentes iluminaciones. Los ensayos realizados, demuestran la gran ventaja de la utilización de los

módulos fotovoltaicos, ya que estos dependen de las condiciones atmosféricas. Los ensayos fueron realizados con luz natural y luz artificial a temperatura ambiente (entre 18º y 23º) [6].

La caracterización de las celdas solares se realizó con los siguientes equipos:

Micro amperímetro UNI-T UT803 Multimetro Fluke 77 series Trimer 0.5 Ω a 99.5 KΩ Resistencias 330 KΩ, 390 KΩ, 560 KΩ. Luxómetro LX-105 Celda solar ZT-60x60mm.

El circuito realizado para la caracterización y medición del voltaje y la corriente se muestra en la figura 5, donde al trimer se le hacen variaciones de media vuelta.

Figura 5. Circuito y curva característica.

Las curvas mostradas en la figura 6. se realizaron en base a 40 muestras tomadas a 430 lux, a 290 lux y a 115 lux, en donde las tres últimas muestras se tomaron con resistencias de 330 KΩ, 390 KΩ y 560 KΩ.

0 200 400 600 800 10000

50

100

150

200

VOLTAJE (mV)

CORR

IENT

E (µ

A)

GRÁFICA A 290 LUXGRÁFICA A 430 LUXGRÁFICA A 115 LUX

Figura 6. Curvas obtenidas experimentalmente.

Las curvas IxV y PxV, mostradas en la figura 7. fueron hechas en base a 35 muestras tomadas a 25º, donde la máxima potencia de la celda se encuentra en el punto señalado en la figura, con una corriente de de 4200 microamperios y una voltaje 1392 mili voltios. Se halla que su corriente de corto circuito Isc=4990µA , su voltaje de circuito abierto Voc=1863mV y su potencia máxima Pmax=5.846 mW.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20

1

2

3

4

5

6x 10-3

V

I,P

Isc

Voc

Pmax

Figura 7. Curva IxV y PxV

Las figuras 6. y 7. fueron realizadas en base a las muestras tomadas en diferentes ambientes, las figuras fueron hechas en MATLAB, estas gráficas indican el comportamiento de una célula de silicio mono cristalino sometida a diferentes rangos de radiación. El comportamiento de sus voltajes y corrientes es como se esperaba y aunque su potencia máxima es de 5.846 mW, posiblemente haya células que muestren una potencia mayor a la encontrada en esta, ya que se pueden encontrar mejores condiciones atmosféricas a las cuales fue sometida la celda caracterizada. La poca potencia suministrada por la celda solar es debido a que esta es de pequeñas dimensiones, hay que tener en cuenta que es un poco vieja y permanecía guardada en

condiciones poco apropiadas. Hay que recordar que las muestras fueron tomadas solo a una celda y no a un conjunto, el cual probablemente suministraría más potencia.Aunque en el mercado existen software para caracterizar celdas solares quisimos tener un acercamiento experimental y así apropiarnos de lo que es la conversión de la energía solar en energía eléctrica, por tal motivo tuvimos el atrevimiento de realizar la muestras manualmente y de esta manera poder concluir como es el comportamiento que puede presentar una célula solar sometida a diferentes iluminaciones. Por lo anterior se debe tener presente que los datos obtenidos no son exactos y que estos presentan un error en cada una de las mediciones realizadas.

6. CONCLUSIONES

La energía solar se ha convertido en una de las fuentes de energía alternativa más importantes de la actualidad, ya que sus características de funcionamiento y generación no producen contaminación ambiental, su fuente de energía es ilimitada y la capacidad que poseen los sistemas se basa principalmente en convertir radiación directa y difusa en energía eléctrica.

La conversión de energía solar en energía eléctrica se realiza por medio de sistemas constituidos por módulos fotovoltaicos, los cuales son el resultado de una arreglo de células solares, además de poseer equipos capaces de mejorar la eficiencia y la calidad de la energía eléctrica generada de tal manera que pueda ser usada por cualquier tipo de carga, ya sea que esta utilice corriente alterna o directa.

La energía solar fotovoltaica puede ser utilizada en un futuro como el complemento de otros tipos de energía en los países que no poseen una buena calidad de la energía hidroeléctrica, en viviendas rurales donde a largo plazo la energía solar fotovoltaica puede ser mas económica que otro tipo de energía, ya que estas se encuentran distantes de los centros de distribución.

La eficiencia de un sistema de generación fotovoltaico depende no solo de las condiciones atmosféricas, porque en esta influyen otros factores como son las pérdidas en las células, las pérdidas por la mala orientación del panel, las pérdidas en el banco

de baterías, las pérdidas en el inversor, las pérdidas en los controladores de carga y las pérdidas que produce una instalación eléctrica debido a los cables, las protecciones y a los equipos de medición.

El comportamiento general de una celda fotovoltaica se describe en una curva característica (IxV) la cual nos indica que a una mayor carga hay menor corriente y mayor voltaje, este comportamiento depende de las condiciones ambientales, de la radiación, de la temperatura y de los parámetros de fabricación.

La corriente generada aumenta linealmente con la intensidad luminosa, la potencia máxima de la célula se encuentra donde el producto de la corriente y el voltaje generado sea máximo, esta potencia depende de la eficiencia de la celda, del la temperatura y la radiación que la célula sea capaz de convertir en energía eléctrica. Aunque la potencia obtenida en la caracterización es pequeña hay que tener presente que es posible alcanzar una potencia mayor mejorando los equipos, la iluminación y las condiciones ambientales.

La realización de este articulo y de los experimentos fue gracias a la asesoría y acompañamiento de Cristian Yesid Urrea (Estudiante de ingeniería eléctrica UdeA) quien se desempeño como nuestro tutor y a Giovanni Posada (Estudiante de maestría UdeA) quien nos asesoro en el manejo de algunos de los equipos utilizados.

7. REFERENCIAS

[1] “Revista de la academia colombiana de ciencias exactas, físicas y naturales”, Vol.22 Nº823 junio 1988, pág. 203-211, Conversión fotovoltaica de la energía solar, Gerardo Gordillo, Bogotá.[2] “Células solares y fotocélulas”, Rufus P. Turner, España; Marcombo 1982, 103 pág.[3] “Universidad tecnológica del choco Diego Luis córdoba”, Nº17 julio – dic. 2002 pág. 47-50, Energía solar fotovoltaica, Gonzalo Aragón Cardona, William murillo López, Gabriel Valois Gómez. [4] “Mundo eléctrico colombiano’’, vol. 9 Nº 19 abril 1995 pág. 61, Generador fotovoltaico, Gentil Fajardo, Bogotá.[5] “Energía solar fotovoltaica’’, Miguel Ángel Sánchez masa, México; limusa 2008, 314 pág.

[6] “Desenvolvimiento de um sistema normal de ensaio de módulos fotovoltaicos’’ Cesar Wilhelm Massen Prieb, Universidade Federal do Rio Grande Do Sul.