IE-1117: Temas Especiales II en Máquinas Eléctricas: Energía Solar Fotovoltaica

Transcripción

1 IE-1117: Temas Especiales II en Máquinas Eléctricas: Energía Solar Fotovoltaica César Andrés Salas Zamora A95664 Primera Sesión Práctica Resumen: En la primera sesión práctica se hicieron diversas pruebas a las celdas de prueba que cuenta la escuela, esta cuenta con varias fotoceldas con placas opacas para poder controlar la radiación entrante a la misma y un bombillo de intensidad ajustable para simular la radiación que puede incidir en esta en el ambiente. Primera Parte Qué sucede so los cables de conexión cambian de polaridad en la celda solar? Debido a que la construcción de la fotocelda es similar al de un diodo, esto significa que el flujo de corriente en esta solo puede ocurrir en una sola dirección, es por esto que al colocar el motor en la posición original este presenta un sentido de giro distinto al que tiene al cambiarle la polaridad de la alimentación, es decir, la fotocelda, esto debido a que en un motor DC es importante el sentido en el que la corriente circula por este, ya que al cambiarle el sentido (o la polaridad) los campos se invierten y de esta manera se invierte su giro Qué le sucede al motor DC al ajusta el regulador de claridad con diferentes intensidades? Debido a que la fotocelda genera un nivel de tensión dependiente de la radiación incidente a esta, al variar la intensidad del bombillo así lo hace la tensión en sus

2 terminales, esto produce que al motor le llegue una corriente distinta dependiendo de dicha intensidad, a mayor sea esta mayor la corriente que produce la celda y por lo tanto, mayor la velocidad y torque generado por el motor. Cual es la transformación de energía que se presenta en la celda solar y en el motor DC? La energía que se presenta en el sistema incurre en varias transformaciones, ya que esta inicialmente empieza como radiación visible, esta al ser incidida sobre la fotocelda se logra transformar en energía eléctrica, la forma de energía que es más fácil de manipular en otras formas de energía, y esta es convertida posteriormente en energía mecánica pr medio de campos magnéticos dentro del motor. Segunda Parte Esta parte consistió en colocar la fotocelda en ambas polaridades posibles sin embargo agregando una placa que limitara la incidencia de fotones sobre esta, se realizaron cuatro casos, en los cuales se le denomina posición A cuando la fotocelda está polarizada a favor, y posición B en contra. Para la segunda parte de la práctica se obtuvieron los siguientes resultados: Configuración Corriente / ma Sin chapa de sombrado montaje A 12 Sin chapa de sombrado montaje B 13,9 Con chapa de sombreado, sin radiación y montaje A 12,2 Con chapa de sombreado, sin radiación y montaje B 5,3 De los datos se puede observar un comportamiento del circuito singular. Los resultados esperados hubieran sido que en la posición A, al estar la fotocelda a favor, cuando esta se encuentra sin la chapa la tensión producida por esta se agregue al aporte de la batería para mover al motor, es decir, sería el caso en el cual existiría una mayor tensión en el circuito, sin embargo los datos no muestran dicho comportamiento sino cuando la fotocelda se encuentra invertida. También se esperaría que al colocar la chapa la corriente

3 del circuito disminuya debido a que la fotocelda no debería ser capas de producir corriente ni tensión por colocar un objeto opaco que se encuentra frío en frente, sin embargo en los datos se observa que la corriente no disminuyó sino que aumentó en 0.2mA, lo cual son resultados no esperados. Para el caso en el que la fotocelda esté colocada en la posición B, era de esperar que debido a que la batería ve a la fotocelda como a un diodo, era de esperar que las tensiones se restaran entre si, el de la batería con el de la fotocelda cuando esta se encontrara conduciendo, si esta era capaz de superar la tensión del acumulador la corriente sería capaz de fluir por el sistema, ya que se abría logrado polarizar correctamente la unión PN de la celda, pero la corriente vista sería de un orden inferior al del caso anterior, no solo esto no ocurrió sino que la corriente vista por el multímetro dio superior que en el caso en que la celda estuviera a favor, lo cual no debió ser posible. En el caso en el que se colocara una placa opaca y que estaba fría (no irradiaba IR) la corriente que debió producir el sistema era nula, esto debido a que la fotocelda al ser una unión PN debió polarizarse inversamente para este caso, oponiéndose completamente al aporte de la batería y dando una corriente neta del circuito de cero, si bien la corriente disminuyó, esta no llegó a cero, esto solo podría significar que la corriente de fuga de la celda es casi un 25% de la corriente de esta al estar completamente irradiada por el bombillo, lo cual es algo singular. El comportamiento del motor no fue determinante debido a que este únicamente cambio su sentido de giro debido al cambio de polaridades y en el único caso significativo donde se vio n cambio en su comportamiento fue en el que se invirtió su polaridad y se colocó la chapa donde se presentó la menor corriente registrada, por lo que el movimiento del motor se vio reducido considerablemente. Tercera Parte Para esta parte se le colocaron chapas a una fotocelda individual se midió la tensión terminal de esta, dependiendo del área que cubría la chapa se esperó que la tensión de esta variara. Los datos obtenidos se muestran a continuación. Superficie irradiada de la celda solar 0 ½ ¾ 1 Tensión en vacío / mv 0,

4 Hasta que punto depende la tensión de vacío con el grado de exposición de la superficie de la celda solar? Es conocido que los materiales semiconductores presentan comportamientos no lineales, este comportamiento se puede ver reflejado en la gráfica presentada, esto debido a que la fotocelda entra a un estado de saturación cuanto más se le expone su superficie a la radiación luminosa. De los datos se puede apreciar que al exponer a la mitad de la celda a la radiación incidente esta se acerca al punto de saturación de aproximadamente 400mV, al aumentar más y más el área expuesta la tensión producida no varía mucho, de esto se puede ver que la tensión de vacío de la fotocelda de práctica no es un factor muy determinante, sin embargo, cabe destacar que la celda probada es un elemento de práctica, es de esperarse que al cambiar la celda se tenga un comportamiento diferente al obtenido. De los datos sin embargo se puede concluir que existe un punto en el que el material de la celda llega a saturarse sin necesidad de exponer completamente toda su área, es decir, los electrones y protones se logran acomodar en la zona sombría hasta cierto grado únicamente con el aporte del área iluminada, al aumentar la radiación se logra excitar otros electrones que no se lograron excitar pero son muy pocos. Esto cuando no se tenga carga en la celda.

5 Cuarta Parte Similar al ejercicio anterior que fue una prueba al vacío (determinación de tensión en terminales sin carga), esta prueba consistió en una prueba de corto circuito, es decir, se le colocó una carga cercana a cero y se midió su corriente terminal. Superficie irradiada de la celda solar 0 ½ ¾ 1 Corriente de cortocircuito /ma 0,2 19,5 27,7 36,1 Hasta que punto depende la corriente de cortocircuito con el grado de exposición de la superficie de la celda solar? En esta prueba se puede observar que la fotocelda se comporta más como una fuente de corriente que como una de tensión, esto debido a que al aumentar la radiación sobre esta la corriente aumenta en forma muy lineal, sin embargo su tensión se está manteniendo constante por el cortocircuito provocado en sus terminales. Por lo que se puede concluir

6 que la corriente de cortocircuito depende completamente del grado de radiación incidente sobre la celda. Cabe destacar que esto sucede para la celda en corto circuito y que se puede esperar que su comportamiento varíe al colocarle una carga. Quinta Parte Esta prueba consiste en una prueba de cortocircuito y de circuito abierto simultaneas, sin embargo en este caso se ajusta la irradiancia al ajustar la intensidad del bombillo. Los resultados se muestran a continuación. Luces encendidas 1mV=1 W/m2 Grado del regulador de claridad Irradiancia / (W/m2) ,5 5,9 5,6 4,9 4,86 Tensión en vacío / mv ,2 102,2 Corriente de cortocircuito /ma 69,1 49,1 25,1 14,7 4,5 2,74 2,48 Luces apagadas 1mV=1 W/m2 Grado del regulador de claridad Irradiancia / (W/m2) 31,2 21,9 76,2 23 2,2 0,1 0,1 0,2 0,1 Tensión en vacío / mv ,6 2,3 5,9 Corriente de cortocircuito /ma 67,2 47, ,1 0,3 0,09 0,13 0,12

7 Debido a que los datos no eran conclusos en la primera tabla se graficaron los datos de la última. Se obtuvieron para tensión y corriente lo siguientes resultados

8 Hasta que punto depende la tensión en vacío y la corriente de cortocircuito de la intensidad de la radiación? Según los datos obtenidos no mucho, debido a que para valores de irradiancia baja se obtuvieron los resultados mayores comparados con los datos de irradiancia máxima obtenidos en el laboratorio, por lo que los datos no con concluyentes. Era de esperarse que conforme la irradiancia aumentara, así lo hiciera la corriente de cortocircuito de el voltaje de circuito abierto, de la misma manera que sucedió en pruebas anteriores, sin

9 embargo se presentó un comportamiento completamente irregular y que no tiene explicación física. Conclusiones De la práctica realizada solo se puede decir que la corriente de cortocircuito presenta un comportamiento lineal conforme se aumenta el área irradiada de luz de la fotocelda, mientras que la tensión de circuito abierto debido a la saturación del material llega a un punto donde no le es posible aumentar su valor de tensión a la celda, dando como resultado que esta tenga un comportamiento más cercano a una fuente de corriente dependiente de la radiación incidente. También se puede concluir que la fotocelda solo produce corriente en un sentido, demostrado por la prueba del motor. De los otros experimentos no es posible sacar conclusiones debido a que los resultados no son ni cercanos a lo esperado ni a lo visto en la teoría, ya que se presentan comportamiento erráticos y sin sentido físico, en los que al aumentar la entrada empieza a bajar valores pero a valores bajos de entrada se presentan los máximos de tensión y corriente, o casos donde el diodo no es llevado a corte ni a saturación y siempre se encuentra conduciendo. Esto solo se puede deber a la mala adquisición de datos o al equipo en si, sin embargo en ambos casos es necesario de hacerse tantos experimentos en una sola sesión dar más tiempo para su realización, debido a que al ser tan corta no existe margen para repetir un experimento para obtener mejores datos.