Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE-1117 Energía Solar Fotovoltaica Prof: Ing. José Antonio Conejo Badilla I semestre 2015 Informe de laboratorio 1 La célula fotovoltaica Por: Francisco Rivas Zúñiga, B05208 12 de junio de 2015
Experimento 2 Objetivo específico Implementar una célula solar como transformador de energía Procedimiento Para la realización de este experimento, el montaje del equipo fue el mostrado en la Figura 1. Figura 1: Montaje del equipo para el experimento 2. Análisis de resultados Al cambiar la polaridad de las conexiones se observó una inversión en el sentido de giro del eje del motor. Además, al realizar aumentos en la intensidad de la lámpara se obtuvieron aumentos en su velocidad de giro. Por el contrario, ante la disminución en la intensidad de la lámpara se presentaron decrementos en la velocidad de giro. Los procesos de transformación energética tomando como referencia el sistema mostrado en la Figura 1 fueron los siguientes: a) Lámpara incandescente: En este elemento se realizó la transformación de energía eléctrica en energía luminosa y calor, por el efecto de incandescencia. b) Célula solar: En este elemento se realizó la transformación de energía luminosa en energía eléctrica de modo directo, por el efecto fotovoltaico. c) Motor eléctrico: En este elemento se realizó la transformación de energía eléctrica en energía mecánica y en menor proporción calor, por el efecto de inducción electro magnética.
Experimento 3 Objetivo específico Implementar una célula solar como transformador de energía y diodo. Procedimiento Para la realización del experimento el montaje del equipo fue el mostrado en la Figura 2. Figura 2: Montaje del equipo para la realización del experimento 3. Análisis de resultados I) Al realizar la primera prueba sin chapa de sombreado con la polaridad (A) de la Figura 3, la célula fotovoltaica y el capacitor se encuentran con la misma polaridad de ahí que su modelo eléctrico equivalente sea el de dos fuentes de tensión en serie, por lo que sus potenciales se suman. Como la resistencia de los devanados del motor es constante entonces su corriente de armadura aumenta de modo proporcional a la tensión aplicada, por lo que la velocidad de giro de su eje fue mayor en esta configuración. (A) (B) Figura 3: Circuito equivalente eléctrico del sistema en el experimento 3.
II) En la segunda configuración la polaridad de la célula es la (B) de la Figura 3, por lo que su potencial se resta al potencial del capacitor. En esta configuración la fuente del lazo de tensión es el capacitor y la célula pasa a comportarse como un elemento pasivo, disipando potencia en su unión PN en forma de calor. De este modo la corriente de armadura del motor es menor y por lo tanto su velocidad disminuyó. III) En la tercera configuración la célula se conectó con la polaridad (A) de la Figura 3 con chapa de sombreo. En este caso la célula perdió su papel como elemento activo y se comportó como un diodo polarizado en dirección de conducción, de modo que idealmente se consideró un corto circuito. Por lo tanto la corriente y de manera proporcional la velocidad de giro del eje del motor fue menor que la obtenida en la prueba I, pero mayor que la obtenida durante la prueba II. IV) En la cuarta configuración la célula se conectó con la polaridad (B) de la Figura 3 con chapa de sombreo. El comportamiento presentado por la célula fue el de un diodo polarizado en condición de bloqueo. De modo que la corriente de armadura del motor fue cero y su eje se mantuvo estático.
Experimento 4 Objetivo especifico Analizar el comportamiento de la tensión en vacío de una célula solar ante cambios en el grado de sombreo. Procedimiento El montaje del equipo se realizó siguiendo el esquema de conexión mostrado en la Figura 4. Figura 4: Montaje del equipo para la realización del experimento 4. Obteniéndose los resultados mostrados en la Tabla 1 para cada una de las configuraciones especificadas en la guía. Tabla 1: Resultado obtenidos del experimento 4. Superficie radiada 0 1/2 3/4 1 Tensión en vacio 21 mv 502 mv 514 mv 523 mv Análisis de resultados. En la Figura 5 se observa la curva característica de la tensión en vacío en función de la superficie radiada, de ella se puede concluir que la variación del potencial generado en función del porcentaje de sombreo es mínimo y no proporcional. Por lo tanto la tensión en vació no depende de modo significativo la superficie radiada y por lo tanto tampoco depende de la cantidad de radiación incidente.
Tensión en vacío [mv] Característica de tensión 600 500 0,5; 502 0,75; 514 1; 523 400 300 200 100 0; 21 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Superficie radiada Figura 5: Característica de tensión de la célula solar.
Experimento 5 Objetivo específico Analizar el comportamiento de la corriente de cortocircuito de una célula solar ante cambios en el grado de sombreo. Procedimiento Para la realización de este experimento, la conexión del equipo se realizó siguiendo el esquema de la Figura 6. Figura 6: Montaje del equipo para la realización del experimento 5. Obteniéndose los resultados mostrados en la Tabla 2 para cada una de las configuraciones especificadas en la guía. Tabla 2: Resultados obtenidos del experimento 5. Superficie radiada 0 1/2 3/4 1 Corriente de cortocircuito 1 ma 106 ma 149 ma 191 ma Análisis de resultados En la Figura 7 se observa la curva característica de la corriente de cortocircuito en función de la superficie radiada, de ella se puede concluir que la variación de la corriente generada en función del porcentaje de sombreo es alto y proporcional. Por lo tanto la corriente de cortocircuito de la célula depende de modo directo de la superficie radiada y por lo tanto de la cantidad de radiación incidente.
Corriente de cortocircuito [ma] Característica de corriente 250 200 150 100 0,5; 106 0,75; 149 1; 191 50 0; 1 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Superficie radiada Figura 7: Característica de corriente de la célula solar.
Experimento 6 Objetivo específico Analizar el comportamiento de la tensión en vacío y la corriente de cortocircuito ante cambios en la intensidad de la radiación incidente. Procedimiento Para la realización de este experimento, la conexión del equipo se realizó siguiendo el esquema de la Figura 8. En el cual se realizó la conexión de dos células en paralelo, principalmente para obtener una mejor definición en el comportamiento de la corriente de cortocircuito al realizar las pruebas. Figura 8: Montaje del equipo para la realización del experimento 6. Obteniéndose los resultados mostrados en la Tabla 3 para cada una de las configuraciones especificadas en la guía. Tabla 3: Resultados obtenidos del experimento 6. Intensidad de la lámpara Tensión en vacío Corriente de cortocircuito [W/m 2 ] [mv] [ma] 136 510 384 109 499 296 87 488 235 61 468 157 57 433 88 17 377 41 7 303 19
Análisis de resultados En la Figura 9 se observan las curvas características de la tensión de circuito abierto y la corriente de cortocircuito en función de la intensidad de la irradiación de la lámpara, de ella se puede concluir que la variación del potencial generado ante cambios en la intensidad de radiación es mínimo y no proporcional. Por lo tanto la tensión en vació no depende de modo significativo de la intensidad de la radiación incidente. Por otro lado, es posible concluir que la variación de la corriente de cortocircuito generada en función del porcentaje de sombreo es alto y proporcional. Por lo tanto la corriente de cortocircuito de la célula si depende de un modo directo de la intensidad de la radiación incidente. 600 500 400 300 7; 303 17; 377 61; 468 57; 433 87; 488 87; 235 109; 499 109; 296 136; 510 136; 384 200 61; 157 100 0 57; 88 Voc 17; 41 7; 19 Icc 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Intensidad de radiación Figura 9: Características de Voc e Icc de la célula fotovoltaica.
Experimento 7 Objetivo específico Analizar la dependencia de la corriente de cortocircuito de una célula fotovoltaica ante variaciones en el ángulo de incidencia la radiación. Procedimiento Para la realización de este experimento, la conexión del equipo se realizó siguiendo el esquema de la Figura 10. Figura 10: Montaje del equipo para la realización del experimento 7. Obteniéndose los resultados mostrados en la Tabla 4 para cada una de las configuraciones especificadas en la guía. Tabla 4: Resultados obtenidos del experimento 7. Ángulo Corriente de cortocircuito [grados] [ma] 90 191 75 158 60 138 45 126 30 95 15 37 0 0 Análisis de resultados En la Figura 11 se observa la curva característica de la corriente de cortocircuito en función del ángulo de insolación, de ella se puede concluir que la variación de la
Corriente de cortocircuito [ma] corriente generada en función del ángulo de incidencia es alto y proporcional. Por lo tanto la corriente de cortocircuito de la célula depende de modo directo de esta variable. 250 Característica de corriente 200 150 45; 126 60; 138 75; 158 90; 191 100 30; 95 15; 37 50 0; 0 0 0 20 40 60 80 100 Ángulo de la radiación incidente [grados] Figura 11: Característica de corriente de la célula solar en función del ángulo de incidencia.
Experimento 8 Objetivo específico Analizar el comportamiento de las células fotovoltaicas conectadas en configuración serie y ante diferentes condiciones de sombreo. Procedimiento Para la realización de este experimento, la conexión del equipo se realizó siguiendo el esquema de la Figura 12. Figura 12: Montaje del equipo para la realización del experimento 8. Inicialmente se realizaron las mediciones de tensión de circuito abierto y la corriente de cortocircuito para cada una de las células fotovoltaicas, obteniéndose los resultados mostrados en la Tabla 5. Tabla 5: Mediciones de Voc e Icc para cada célula fotovoltaica. Célula Tensión Corriente [Número] [mv] [ma] 1 526 159 2 527 179 3 507 192 4 498 137 Seguidamente se realizaron las combinaciones de celdas conectadas en configuración serie, realizando las mediciones de tensión en circuito abierto y corriente de cortocircuito para cada configuración, obteniéndose los resultados mostrados en la Tabla 6. Posteriormente se conservó la configuración en serie de las cuatro células fotovoltaicas, y se fueron aplicando diferentes niveles de sombreado progresivos únicamente sobre la célula número 2. Nuevamente se registraron las mediciones de
tensión de circuito abierto y corriente de corto circuito, obteniéndose los resultados mostrados en la Tabla 7. Tabla 6: Mediciones de Voc e Icc para combinaciones de células fotovoltaicas en serie. Serie Tensión Corriente [cantidad] [mv] [ma] 1 498 137 2 1003 139 3 1520 141 4 2030 144 Tabla 7: Mediciones de Voc e Icc para las células en serie con sombreo sobre la célula 2. Superficie Tensión Corriente [%] [mv] [ma] 100 2030 144 75 2020 142 50 2005 112 0 1633 1 Análisis de resultados En la Figura 14 es posible observar como el comportamiento de la corriente de cortocircuito es casi invariante e igual a la corriente de cortocircuito de una célula independiente, ante aumentos en la cantidad de células conectadas en serie. Por otro lado, en esta misma figura es posible observar como la tensión de circuito abierto del arreglo de células en serie es proporcional a la cantidad de células que lo componen, siendo equivalente a la suma de las tensiones de circuito abierto de cada de célula que conforma el arreglo en cascada. En la Figura 14 se observa como el nivel de tensión del arreglo de células fotovoltaicas es casi invariante e igual a la tensión de circuito abierto del arreglo en serie, ante variaciones en la porción de superficie irradiada de la célula fotovoltaica 2. Sin embargo, tal como se observa en la Figura 14 la corriente de cortocircuito del arreglo en serie si varía de manera considerable en función de la porción de superficie sombreada de la célula fotovoltaica 2. Cabe destacar que en el caso de irradiación nula (totalmente cubierta o sombreada) sobre la célula 2, esta se comporta
como un diodo polarizado en condición de bloqueo, de modo que la corriente de salida del arreglo de células decae de modo abrupto a valores cercanos a cero. Característica de células en serie 2500 2000 1500 1000 500 0 Voc 4; 2030 Isc 3; 1520 2; 1003 1; 498 1; 137 2; 139 3; 141 4; 144 0 1 2 3 4 5 Cantidad de células en serie Figura 13: Característica de Voc e Isc para células fotovoltaicas en conexión serie ante cambios en el número de células. Característica de células en serie 2500 2000 0; 1633 50; 2005 75; 2020 100; 2030 1500 Voc 1000 Isc 500 0; 1 0 50; 112 75; 142 100; 144 0 20 40 60 80 100 120 Superficie irradiada Figura 14: Características de Voc e Isc para células fotovoltaicas en conexión serie ante cambios en la superficie irradiada.
Experimento 9 Objetivo específico Analizar el comportamiento de las células fotovoltaicas conectadas en configuración paralelo y ante diferentes condiciones de sombreo. Procedimiento Para la realización de este experimento, la conexión del equipo se realizó siguiendo el esquema de la Figura 12. Figura 15: Montaje del equipo para la realización del experimento 9. En este caso no fue necesario realizar las mediciones de tensión de circuito abierto y corriente de cortocircuito para cada una de las células fotovoltaicas, ya que se cuenta con la información mostrada en la Tabla 5. Se realizaron las combinaciones de células conectadas en configuración paralelo, realizando las mediciones de tensión en circuito abierto y corriente de cortocircuito para cada configuración, obteniéndose los resultados mostrados en la Tabla 8. Posteriormente se conservó la configuración en paralelo de las cuatro células fotovoltaicas, y se fueron aplicando diferentes niveles de sombreado progresivos únicamente sobre la célula número 2. Nuevamente se registraron las mediciones de tensión de circuito abierto y corriente de corto circuito, obteniéndose los resultados mostrados en la Tabla 9.
Tabla 8: Mediciones de Voc e Icc para combinaciones de células fotovoltaicas en paralelo. Paralelo Tensión Corriente [cantidad] [mv] [ma] 1 498 137 2 498 327 3 506 501 4 507 594 Tabla 9: Mediciones de Voc e Icc para las células en paralelo con sombreo sobre la célula 2. Superficie Tensión Corriente [%] [mv] [ma] 1 507 594 75 505 572 50 502 554 0 494 458 Análisis de resultados En la Figura 16 es posible observar como el comportamiento de la tensión de circuito abierto es casi invariante e igual a la tensión de circuito abierto de una célula independiente ante aumentos en la cantidad de células conectadas en paralelo. Por otro lado, en esta misma figura es posible observar como la corriente de cortocircuito del arreglo de células en paralelo es proporcional a la cantidad de células que lo componen, siendo equivalente a la suma de las corrientes de cortocircuito de cada célula. En la Figura 17 se observa como el nivel de tensión del arreglo de células fotovoltaicas es casi invariante e igual a la tensión de circuito abierto del arreglo en paralelo, ante variaciones en la porción de superficie irradiada de la célula fotovoltaica 2. Sin embargo, tal como se observa en la Figura 17 la corriente de cortocircuito del arreglo en paralelo varía de manera considerable en función de la porción de superficie sombreada de la célula fotovoltaica 2. Cabe destacar que en el caso de irradiación nula (totalmente cubierta o sombreada) sobre la célula 2, esta se comporta como un diodo polarizado en condición de bloqueo, de modo que la corriente de salida
del arreglo de células decae, siendo equivalente a la suma de las corrientes de cortocircuito de las tres células restantes. Característica de células en paralelo 700 600 500 400 300 498 498 506 327 501 594 507 200 100 137 Voc Isc 0 0 1 2 3 4 5 Cantidad de células en paralelo Figura 16: Característica de Voc e Isc para células fotovoltaicas en conexión paralelo ante cambios en el número de células. Característica de células en paralelo 700 600 494 500 458 554 502 572 505 594 507 400 300 200 100 0 Voc Isc 0 20 40 60 80 100 120 Superficie irradiada Figura 17: Características de Voc e Isc para células fotovoltaicas en conexión paralelo ante cambios en la superficie irradiada.
Conclusiones 1) Se Implementó una célula fotovoltaica como transformador de energía y diodo de manera exitosa. 2) Se analizó el comportamiento de la tensión en vacío y la corriente de cortocircuito de una célula solar ante cambios en el grado de sombreo de modo satisfactorio. 3) Se analizó el comportamiento de la tensión en vacío y la corriente de cortocircuito ante cambios en la intensidad de la radiación incidente con éxito. 4) Se analizó el comportamiento de las células fotovoltaicas conectadas en configuración serie y paralelo, y ante diferentes condiciones de sombreo de modo satisfactorio.