FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
TESIS
“MODELAMIENTO MATEMÁTICO DEL PANEL FOTOVOLTAICO PARA EL ANÁLISIS DE SU COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO
FRENTE A LA IRRADIANCIA Y TEMPERATURA”
CÓDIGO CTI : 0303 0001 Sistemas de energía solar fotovoltaica para uso doméstico y productivo
CÓDIGO UNESCO : 3306.05 Energía Solar
PRESENTADO POR:
Bach. Miguel Bryan COLLAZOS ACOSTA
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO ELECTRICISTA
HUANCAYO - PERÚ
2021
ASESOR
M. Sc. Manuel Dacio Castañeda Quinte
DEDICATORIA
A mis Dedico mi trabajo de tesis a mi familia y a mis compañeros de estudios de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad Nacional del Centro del Perú.
AGRADECIMIENTOS
Agradecimientos infinitos a los docentes universitarios de nuestra la Escuela Profesional de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la FIEE-UNCP que por cinco años académicos me guiaron, soy el producto de toda la familia institucional.
Índice
Resumen ... X Abstract ... XI
Introducción ... 1
Capítulo I ... 3
Planteamiento del Problema ... 3
1.1 Caracterización del Problema ... 3
1.2 Formulación del Problema... 4
1.2.1 Problema general ... 4
1.2.2 Problemas específicos. ... 4
1.3 Objetivos de la Investigación ... 4
1.3.1 Objetivo general ... 4
1.3.2 Objetivos específicos. ... 4
1.4 Justificación del Estudio ... 5
1.4.1 Justificación teórica ... 5
1.4.2 Justificación metodológica ... 5
1.4.3 Justificación social... 5
1.5 Limitaciones del Estudio ... 6
Capítulo II ... 7
Marco Teórico ... 7
2.1 Antecedentes ... 7
2.2 El sol y la radiación solar ... 8
2.2.1 La constante solar ... 8
2.2.2 Distribución espectral solar ... 9
2.2.3 Efectos atmosféricos sobre la radiación solar ... 10
2.2.4 Radiación solar terrestre ... 10
2.2.5 Medición de la radiación solar terrestre ... 13
2.3 Principios de operación de la célula fotovoltaica ... 17
2.3.1 Características eléctricas de la célula fotovoltaica ideal ... 20
2.3.2 Características de la célula fotovoltaica en la práctica ... 22
2.3.3 Condiciones de prueba estándar ... 23
2.3.4 Temperatura de célula de funcionamiento normal ... 24
2.4 Paneles fotovoltaicos ... 25
2.4.1 Conexiones en serie y en paralelo en paneles fotovoltaicos ... 26
2.4.2 Parámetros del módulo fotovoltaico ... 28
2.4.3 Pruebas de por vida de paneles fotovoltaicos ... 30
2.4 Modelamiento de la célula fotovoltaica... 32
2.4.1 Modelado de paneles fotovoltaicos utilizando el modelo de diodo único ... 32
2.4.2 Método Newton-Raphson de resolución de ecuaciones ... 38
2.4.3 Programación del módulo fotovoltaico ... 39
2.5 Conceptos Básicos ... 41
2.6 Hipótesis ... 42
2.6.1 Hipótesis general ... 42
2.6.2 Hipótesis específicas ... 42
2.7 Operacionalización de Variables ... 43
Capitulo III ... 44
Metodología de la Investigación ... 44
3.1 Tipo de Investigación ... 44
3.2 Nivel de Investigación ... 44
3.3 Diseño de Investigación... 44
3.4 Población y Muestra ... 45
3.5 Instrumento de Recopilación de Datos ... 45
3.6 Procedimientos de Recopilación de Datos ... 45
3.7 Procedimientos de Análisis de Resultados ... 45
Capitulo IV ... 46
Resultados de la investigación ... 46
4.1 Presentación de Datos y Resultados ... 46
4.1.1 Datos ... 46
4.1.1.1 Parámetros característicos del módulo Kyocera KC200GT ... 46
4.1.1.2 Parámetros de irradiancia y temperatura ... 47
4.1.2 Resultado de la elaboración de los programas ... 47
4.1.2.1 Programa de corriente-tensión con irradiancia constante ... 47
4.1.2.2 Programa de corriente-tensión con temperatura constante ... 48
4.1.2.3 Programa de potencia-tensión con irradiancia constante ... 49
4.1.2.4 Programa de potencia-tensión con temperatura constante ... 50
4.1.3 Resultados de la simulación ... 53
4.1.2.1 Efecto de la variación de la temperatura del modulo ... 53
4.1.2.2 Efecto de la variación de la irradiancia del modulo ... 55
4.2 Discusión de Resultados ... 56
Conclusiones ... 58
Recomendaciones ... 60
Referencia Bibliográfica... 61
Lista de figuras Distribución espectral de la radiación solar. ... 9
Representación de la hora solar pico ... 12
Piranometro Eppley Model PSP ... 15
Pirheliómetro ... 16
Estructura de la célula fotovoltaica de silicio cristalino ... 17
Célula fotovoltaica de arseniuro de galio ... 18
Estructura de una célula fotovoltaica de silicio amorfo de unión simple típica ... 19
Las estructuras típicas de las células fotovoltaicas basadas en semiconductores compuestos de: (a) diselenuro de cobre, indio, galio y (b) teluro de cadmio ... 19
Circuito equivalente de una célula fotovoltaica ideal ... 20
Característica I-V de una célula fotovoltaica ideal y la potencia producida ... 21
Principio de superposición para células fotovoltaicas ... 22
Efecto del segundo diodo en la curva I-V para tres valores de la relación I02/I01 ... 23
Efecto de las resistencias sobre la curva I-V de la célula fotovoltaica ... 23
Célula, módulo y panel fotovoltaico ... 25
Matriz fotovoltaica ... 25
Conexión en serie y conexión en paralelo de células fotovoltaicas ... 26
Curva corriente-tensión de conexiones en serie y paralelo ... 27
Paneles fotovoltaicos de 36 células con dos tipos de conexiones ... 28
Esquema del circuito equivalente de la célula fotovoltaica ... 33
Curva característica I-V de una célula fotovoltaica... 36
Curva I–V con dos valores de irradiancia y misma temperatura ... 37
Curva I–V con dos valores de temperatura y misma irradiancia ... 37
Predicción de la raíz en el método de Newton-Raphson ... 38
Diagrama de bloques de variables y parámetros del módulo. ... 40
Corriente versus voltaje del módulo con cuatro valores de temperatura ... 54
Potencia versus voltaje del módulo con cuatro valores de temperatura. ... 54
Corriente versus voltaje con cinco niveles de irradiación ... 55 Potencia versus voltaje con cuatro niveles de irradiación ... 55
Lista de Tablas
Tabla 1. Operacionalización de variables ... 43 Tabla 2. Rendimiento eléctrico en condiciones de prueba estándar (STC) de Kyocera
KC200GT ... 46 Tabla 3. Rendimiento eléctrico a 800 W/m2, NOCT, AM1,5 de Kyocera KC200GT ... 47
Resumen
Los paneles fotovoltaicos se han convertido en alternativas magníficas como fuentes de energía comunes debido a su excelente robustez mecánica y alta eficiencia de conversión de energía, que pueden cumplir con los requisitos humanos de fuentes de electricidad ecológicas, económicas y portátiles. El presente trabajo se ha desarrollado para contribuir con la comprensión de como varían los parámetros eléctricos en un panel fotovoltaico frente a la irradiancia del lugar de su ubicación y la temperatura de éste.
Se realizó el modelamiento matemático del circuito equivalente de la célula fotovoltaica en base al diodo de Shockley, en seguida se elaboró un algoritmo con el que se desarrolló una function que nos determina mediante el método Newton-Raphson la corriente de salida del panel fotovoltaico y cuatro programas para graficar las curvas de corriente-tensión y potencia- tensión del panel fotovoltaico, estas gráficas nos sirve para analizar como varían dichas curvas con la temperatura del panel y la irradiancia que se proyecta el sol sobre la superficie del panel fotovoltaico.
Los datos de entrada de la function son la irradiancia, la temperatura y los parámetros del panel fotovoltaico que se elige para el análisis y sus salidas son la graficas de las curvas características.
Dos programas sirven para graficar las curvas de corriente-tensión, una con irradiancia constante y otra con temperatura constante y otros dos programas sirven para graficar las curvas de potencia-tensión, una con irradiancia constante y otra con temperatura constante. Estos programas llaman a la función para que les entrega la corriente de salida del panel fotovoltaico.
En consecuencia, nuestro trabajo será de gran provecho especialmente para los estudiantes e interesados en este campo de la investigación de energía solar fotovoltaica.
Abstract
Photovoltaic panels have become great alternatives as common energy sources due to their excellent mechanical robustness and high energy conversion efficiency, which can meet human requirements for environmentally friendly, inexpensive and portable electricity sources.
The present has been developed to contribute to the understanding of the electrical parameters in a photovoltaic panel against the irradiance of the place of its location and its temperature.
The mathematical modeling of the equivalent circuit of the photovoltaic cell was carried out based on the Shockley diode, then an algorithm was developed with which a function was developed that determines the output current of the photovoltaic panel using the Newton- Raphson method. and four programs to graph the curves of current-voltage and power-voltage of the photovoltaic panel, these graphs help us to analyze as variable variations with the temperature of the panel and the irradiance that the sun is projected on the surface of the photovoltaic panel.
The input data of the function are the irradiance, the temperature and the parameters of the photovoltaic panel that is chosen for the analysis and its outputs are the graphs of the characteristic curves.
Two programs are used to graph the current-voltage curves, one with constant irradiance and the other with constant temperature, and two other programs are used to graph the power-voltage curves, one with constant irradiance and the other with constant temperature.
These programs call the function to deliver the output current of the photovoltaic panel.
Consequently, our work will be of great benefit especially to students and interested in this field of photovoltaic solar energy research..
Los recursos de energía renovable se han convertido en un tema muy importante durante los últimos años, muchos investigadores han dedicado su tiempo en el estudio de la eficiencia de los paneles fotovoltaicos, mediante las curvas características de corriente-tensión y potencia- tensión del panel fotovoltaico se puede conocer cómo trabaja cuando recibe una determinada irradiancia sobre su superficie y se encuentra a una determinada temperatura.
Justamente nuestro objetivo es el análisis de las curvas características del panel fotovoltaico frente a la irradiancia y temperatura por ello nuestro trabajo se centró primeramente en el modelamiento del panel fotovoltaico para luego elaborar un programa que fue desarrollado en Matlab que grafique las curvas de corriente-tensión y potencia-tensión de tal forma de comprender su comportamiento de cualquier marca de panel fotovoltaico frente principalmente a la irradiancia sobre su superficie y su temperatura en cualquier lugar que pueda instalarse.
Se pudo concluir que la temperatura del panel fotovoltaico tiene incidencia en su eficiencia, éste disminuye con el aumento de su temperatura debido a que el voltaje del panel disminuye con el aumento de su temperatura. La corriente de salida del panel fotovoltaico es mayor cuando la irradiancia que cae sobre su superficie aumenta, por lo tanto, su eficiencia también aumenta.
En el Capítulo I tratamos todo lo relacionado Planteamiento del Problema de nuestra investigación.
En el Capítulo II se desarrolla el marco teórico o sea las teorías que sirven para explicar, predecir y comprender los fenómenos referentes a los paneles fotovoltaicos. Esta estructura sostiene nuestro estudio de investigación.
El Capítulo III trata sobre la metodología de la investigación, el camino a través del cual hemos realizado la investigación, también muestra cómo se obtuvo el resultado final de nuestra
investigación en armonía con el objetivo del estudio.
El Capítulo IV contiene los datos y los resultados de los cuatro programas y la function que elaboramos para graficar curvas de corriente-tensión y potencia-tensión frente a la irradiancia y temperatura del módulo fotovoltaico que elegimos como ejemplo para este estudio. También se presentan las curvas con las cuales se analizó el comportamiento de eléctrico del panel fotovoltaico.
Planteamiento del Problema 1.1 Caracterización del Problema
El desarrollo continuo de la población y en particular del sector industrial impulsa la demanda de energía eléctrica y hace que el papel de la energía sea cada vez más importante y sea un elemento indispensable en la vida. Sin embargo, las formas actuales de energía primarias utilizadas son de los combustibles fósiles (petróleo y gas) y se agotan, escasean y tienen un impacto negativo en el medio ambiente y la salud de las personas, entonces se hace de necesidad usar otro tipo de energías como la fotovoltaica por ser renovable, tienen un impacto mínimo sobre el medio ambiente, es inagotable, está disponible en todo el planeta y aptas para zonas rurales como también para urbanas.
La electricidad producida por las células fotovoltaicas es limpia y silenciosa debido a que transforman la luz solar en electricidad, los sistemas fotovoltaicos no liberan ninguna contaminación dañina del aire o del agua al medio ambiente, no agotan los recursos naturales ni ponen en peligro la salud animal o humana, casi todos los satélites que circulan en la Tierra son alimentados por energía fotovoltaica y funciona de manera confiable durante largos períodos de tiempo prácticamente sin mantenimiento.
La energía solar es un recurso renovable disponible localmente, no necesita ser importado de otras regiones del país o de otros países, esto reduce los impactos ambientales asociados con el transporte y también reduce nuestra dependencia del petróleo importado, a diferencia de los combustibles que se extraen y cosechan, cuando usamos energía solar para producir electricidad, no agotamos ni alteramos el recurso. Un sistema fotovoltaico se puede implementar de distintas dimensiones en función de los requisitos de energía de la carga.
Los sistemas fotovoltaicos están compuestos de células fotovoltaicas y para conocer su comportamiento eléctrico es necesario utilizar un modelo matemático que lo representen.
1.2 Formulación del Problema 1.2.1 Problema general
¿Qué modelo matemático nos servirá para desarrollar un algoritmo para elaborar un programa que simule la célula de un panel fotovoltaico específico para analizar su comportamiento eléctrico conociendo los valores de sus propios parámetros, la temperatura y la irradiancia solar de la ubicación del panel?
1.2.2 Problemas específicos.
• ¿Qué modelo matemático nos servirá para desarrollar un algoritmo que simule la célula de un panel fotovoltaico?
• ¿Qué software se debe utilizar para elaborar un programa basado en el algoritmo desarrollado con el fin de obtener el comportamiento de corriente-tensión y potencia- tensión de un panel fotovoltaico específico con datos de entrada de sus propios parámetros, su temperatura y la irradiancia solar de la ubicación del panel?
1.3 Objetivos de la Investigación 1.3.1 Objetivo general
Desarrollar un algoritmo en base a un modelo matemático de la célula fotovoltaica y con ello elaborar un programa en Matlab para analizar las características tensión-corriente y potencia-corriente de un determinado panel fotovoltaico utilizando como datos sus propias características, temperatura e irradiancia solar.
1.3.2 Objetivos específicos.
• Desarrollar un algoritmo en base al modelo del diodo simple que simule el comportamiento de una célula fotovoltaica.
• Elaborar un programa en el software Matlab basado en el algoritmo desarrollado, que trace las gráficas de corriente-tensión y potencia-tensión de un panel fotovoltaico específico teniendo como datos de entrada a sus propios parámetros, rango de valores
de temperatura y rango de valores de irradiancia solar de su ubicación y con eso realizar el análisis de su comportamiento eléctrico.
1.4 Justificación del Estudio 1.4.1 Justificación teórica
El presente trabajo de investigación será el punto de partida para otros trabajos que involucran paneles fotovoltaicos, porque la ecuación que involucra la generación de energía eléctrica por parte de los paneles fotovoltaicos basados en sus parámetros y variables intervienes es exponencial y con este trabajo se da solución a este aspecto.
1.4.2 Justificación metodológica
El objetivo del trabajo de investigación es la elaboración de un programa que como resultado me arroje la potencia generada instantánea de cualquier marca de panel fotovoltaico con los datos de entrada de los parámetros propios del panel elegido, la irradiancia solar y la temperatura ambiente del lugar donde estará instalado el generador fotovoltaico.
Para llegar a este propósito desarrollaremos un algoritmo en base a la ecuación del modelo matemático de la célula fotovoltaica y luego aplicaremos el método de solución de ecuaciones no lineales de Newton-Raphson para la solución de la ecuación exponencial generada por la ecuación del modelo matemático de la célula fotovoltaica.
1.4.3 Justificación social
La solución al problema del cambio climático son las fuentes de energía renovables también conocidas como energías no convencionales que incluyen la energía solar, energía eólica, biomasa, bioenergía, biocombustibles, y energía de las mareas son las más comúnmente utilizadas para satisfacer las necesidades de energía y consideradas como las soluciones fundamentales para crisis de la energía y las preocupaciones ambientales. Estas fuentes de energía renovables limitan la emisión de gases de efecto invernadero y retarda el agotamiento de los combustibles fósiles.
Aparte de las otras fuentes de energía renovables, la generación de energía a partir de la energía solar mediante paneles fotovoltaicos es uno de los recursos renovables más prometedores ya que requiere menos mantenimiento, sin desgaste ni deterioro, no hay contaminación directa, reduce las emisiones y el consumo de energía producida por el petróleo y gas, y no tiene partes móviles.
En estos días todo el mundo se enfrenta a muchos desafíos para controlar la dificultad de la crisis energética. Como la energía es una de las necesidades básicas de la actividad humana, que actúa como un motor para el desarrollo social, así como para el desarrollo económico. Sin embargo, debido al rápido crecimiento de la población y la industrialización exige un aumento en la cantidad de energía eléctrica, por tanto, la energía renovable juega un papel clave para cumplir con la crisis de energía y la energía en el mundo actual.
La energía renovable solar ocupa actualmente un papel preponderante en el cuidado del medio ambiente y la solución de la crisis energética, como en todo conocimiento que se tiene a la mano siempre hay que dar soluciones a ciertos problemas y para ello se recurre a la investigación, el presente trabajo de investigación a realizar es propuesta de solución al problema de conocer el comportamiento eléctrico de un determinado modulo fotovoltaico en base a los propios parámetros, la irradiación solar y la temperatura ambiental.
1.5 Limitaciones del Estudio
En el presente estudio se ha utilizado el modelo de un solo diodo para representar la célula fotovoltaica, puesto que con esta representación es suficiente para llegar a nuestro objetivo, esto trae como consecuencia que no representamos el efecto de la recombinación de los portadores porque para ello el modelo de la célula sería de dos diodos, tampoco tuvimos en cuenta la influencia de los límites de grano y la gran corriente de fuga a través de las periferias porque estas últimas influencias se consideran al analizar la célula con el modelo de tres diodos.
Marco Teórico 2.1 Antecedentes
Sauer, K., Roessler T. & Hansen C. (2014). En el artículo científico titulado “Modelado de la irradiancia y la dependencia de la temperatura de los paneles fotovoltaicos en PVsyst”
presentado en la revista de fotovoltaica de la IEEE llega a concluir que, para simular de manera confiable el rendimiento energético de los sistemas fotovoltaicos (PV), es necesario tener un modelo preciso de cómo funcionan los paneles fotovoltaicos con respecto a la irradiancia y la temperatura de la célula. Sobre la base de un estudio anterior que aborda la dependencia de la irradiancia, desarrolla dos enfoques para ajustar la dependencia de la potencia del panel de la temperatura en el software PVsyst y aplica datos recientes de irradiancia y temperatura para un tipo de panel fotovoltaico Yingli Solar estándar. Los resultados demuestran que es posible coincidir la irradiancia medida y la dependencia de la temperatura de los paneles fotovoltaicos en PVsyst. Las mejoras en la predicción del rendimiento energético utilizando los modelos optimizados en relación con el modelo estándar PVsyst se consideran importantes para las decisiones sobre la financiación del proyecto.
Chandrasiri, S. (2017). En su tesis titulada “Efecto de Temperatura en la Generación de Energía Fotovoltaica Solar” presentada y disertada en la Universidad de Sri Jayewardenepura de Sri Lanka, tuvo como objetivo de investigación identificar el efecto de la temperatura en la generación de energía solar fotovoltaica y explorar las formas de minimizar el efecto de la temperatura. En sus conclusiones nos informa que las células fotovoltaicas sufren una caída en la eficiencia a medida que aumenta su temperatura de operación, especialmente bajo altos niveles de insolación y el enfriamiento es beneficioso. En la investigación observa dos paneles solares policristalinos de uso comercial de 225 y 315 W, las ubicaciones de estos son Colombo 07 (Autoridad de Energía Sostenible de Sri Lanka) y Hambanthota (planta de energía solar).
Los parámetros característicos de los paneles fotovoltaicos seleccionados son la corriente de cortocircuito (Isc), el voltaje de circuito abierto (Voc) y la potencia máxima (Pmax). Este parámetro lo determina variando la temperatura del panel al rociar agua a temperatura ambiente cuando la irradiación es constante. El resultado compara con la condición de prueba estándar (STC) y los valores teóricamente pronosticados. Al observar el sistema anterior, identifica que, cuando la temperatura de los paneles fotovoltaicos disminuye, la eficiencia general de la potencia de salida del panel fotovoltaico aumenta. A partir de los datos recopilados, propone y diseña un sistema enfriamiento activo automatizado en base a la placa Arduino UNO para paneles solares. Con el sistema de enfriamiento, la eficiencia del panel solar puede aumentar hasta un 12% de la potencia de salida medida. El sistema de enfriamiento activo sugerido aumenta la eficiencia del panel solar. Otra ventaja de usar el sistema propuesto es que limpia y aumenta la vida útil del panel solar. Concluye que estas técnicas contribuirán a aplicaciones más amplias de los sistemas fotovoltaicos debido a la mayor eficiencia general.
2.2 El sol y la radiación solar 2.2.1 La constante solar
El sol es una estrella, una gran masa esférica de hidrógeno y helio en proporción 3:1 en peso; La proporción de otros elementos es inferior al 1% de la masa total (1,9·1030 kg). Se estima que la temperatura en su región interior central es muy alta ~ 2106 K, en consecuencia, el proceso de fusión nuclear genera una gran cantidad de energía termonuclear en el núcleo central. La energía radiante que sale del sol es de 3,7·1026 watts. Este flujo de energía corresponde a una tasa de agotamiento de la masa solar de 4,1·106 toneladas por segundo o 1%
de la masa total en mil de millones de años. La energía solar disponible fuera de la atmósfera terrestre se llama radiación solar extraterrestre. La cantidad de esta energía que cruza en unidad de tiempo a través del área unitaria colocada perpendicular a la dirección del flujo de energía se denomina flujo de energía solar. A la distancia sol-tierra, este flujo es esencialmente
constante y se llama constante solar. Debido a la variación de la distancia solar-tierra, la constante solar varía ligeramente con el día del año de la siguiente manera:
I∝=Ics[1+0,033cos (360n
365)] (1)
donde Iα = radiación extraterrestre, Ics = constante solar y n = número de días del año. El valor esperado de la constante solar es de 1367 W/m2.
2.2.2 Distribución espectral solar
Cada cuerpo caliente emite energía radiante que es característica de la temperatura corporal, el tamaño y la naturaleza de sus superficies. El espectro de la radiación solar también es característico de la temperatura del sol. Sin embargo, dado que la energía del sol se genera en su centro, que tiene una temperatura de millones de grados, el núcleo central caliente termina en una superficie relativamente más fría llamada fotosfera. Para el espectro solar y la temperatura correspondiente del sol, siempre consideramos la temperatura de la fotosfera.
Figura 1
Distribución espectral de la radiación solar.
Como se ve fuera de la atmósfera terrestre, el espectro de radiación solar es característico del emitido desde una superficie negra a una temperatura de 5762 K. Esto implica que la irradiancia espectral solar varía entre la región de longitud de onda de 200 a 2000 nm y
tiene una región de luz invisible máxima a 480 nm (figura 1). El brillo del disco solar también varía desde su centro hasta los bordes. Sin embargo, para los cálculos de ingeniería, a menudo se supone que el disco tiene una densidad uniforme.
2.2.3 Efectos atmosféricos sobre la radiación solar
El sol es una esfera de diámetro 1,39·106 km situada a una distancia de 1,5·108 km.
Subtiende un ángulo de 32 minutos en la superficie de la tierra. Entonces, el haz de radiación del sol fuera de la atmósfera de la Tierra es casi paralelo. Durante su paso por la atmósfera, se ve afectado por el proceso de reflexión, absorción (selectiva y continua) y dispersión debido a las nubes, partículas y moléculas de gas. Todos los procesos dependen de la longitud de onda y las magnitudes de los efectos dependen del grosor de la atmósfera penetrada. Una medida del grosor atmosférico es la masa de aire que se expresa por la relación del grosor óptico de la atmósfera a través del cual los rayos directos del sol pasan al grosor óptico si el sol estaba en cenit (incidencia vertical) y se da de la siguiente manera:
𝑚 = (𝑐𝑜𝑠𝜃𝑧)−1 (2)
donde θz es el ángulo cenital.
El efecto atmosférico neto es que la radiación recibida en la superficie de la Tierra consta de dos componentes: (a) radiación del haz: la radiación recibida del sol sin cambio de dirección y (b) radiación difusa: la radiación recibida de todas las direcciones. La suma del haz y la radiación difusa se conoce como radiación total o radiación global.
2.2.4 Radiación solar terrestre
En el espacio, la radiación solar es prácticamente constante; en la Tierra, varía según el día del año, la hora del día, la latitud y el estado de la atmósfera. En ingeniería solar, las superficies que capturan o redirigen la radiación solar se conocen como colectores solares. La cantidad de radiación solar que golpea a los colectores solares depende también de la posición de la superficie y del paisaje local.
La radiación solar se puede convertir en formas útiles de energía, como calor y electricidad, utilizando una variedad de tecnologías térmicas y fotovoltaicas, respectivamente.
Los sistemas térmicos se utilizan para generar calor para agua caliente, cocción, calefacción, secado, fusión y máquinas de vapor, entre otros. La energía fotovoltaica se utiliza para generar electricidad para sistemas conectados a la red o independientes. También hay aplicaciones donde la energía solar ultravioleta se usa en reacciones químicas.
Cuando un objeto absorbe las ondas electromagnéticas, la energía de las ondas se convierte típicamente en calor. Este es un efecto muy familiar porque la luz solar calienta las superficies que irradia. A menudo, este fenómeno se asocia particularmente con la radiación infrarroja, pero cualquier tipo de radiación electromagnética calentará un objeto que lo absorba.
Las ondas electromagnéticas también pueden reflejarse o dispersarse, en cuyo caso su energía también se redirige o redistribuye.
La radiación solar total incidente en un plano horizontal (H) o inclinado (I) consta de tres componentes: haz, radiación difusa y reflejada. A medida que la luz solar atraviesa la atmósfera, parte de ella es absorbida, dispersada y reflejada por las moléculas de aire, vapor de agua, nubes, polvo y contaminantes. La radiación solar difusa es la porción que se dispersa hacia abajo desde la atmósfera que llega a la superficie de la Tierra y la energía reflejada en la superficie desde los alrededores. Para una superficie horizontal, esto se expresa como Hd y para una inclinada como Id. La radiación solar que llega a la superficie de la Tierra sin ser modificada en la atmósfera se llama radiación solar de haz directo; Hb para una horizontal y Ib para una superficie inclinada. Las condiciones atmosféricas pueden reducir la radiación del haz directo en un 10% en días claros y secos y, en casi un 100% durante los días oscuros y nublados. Las mediciones de energía solar generalmente se expresan como radiación solar total en una superficie horizontal o inclinada y se calculan a partir de la relación
I = Ib + Id (3)
H = Hb + Hd (4) Al diseñar y dimensionar sistemas de energía solar, la cuantificación de la cantidad de energía solar que ingresa a los colectores solares puede representarse como irradiación e insolación. La irradiancia es el incidente de potencia radiante instantánea en una superficie, por unidad de área. Por lo general, se expresa en vatios por metro cuadrado (W/m2). La integración de la irradiancia durante un período de tiempo especificado corresponde a la insolación. Por lo general, la integración representa datos por hora, diarios, mensuales y anuales.
Otra definición útil de cantidad de energía corresponde a las horas solar pico (HSP).
Esta definición es igual a la potencia recibida por una superficie horizontal de 1 m2 durante las horas totales de luz diurna con el número hipotético correspondiente de horas para las cuales la irradiancia habría sido constante a un kW/m2. La figura 2 es una representación de la HSP recibida en un día despejado. El HSP es un valor útil para comparar las diferencias de energía recibidas diariamente, mensualmente, estacionalmente y anualmente para un sitio, y también para evaluar diferentes ubicaciones. Es común encontrar un mapa de recursos solares con valores de HSP anuales o promedio.
Figura 2
Representación de la hora solar pico
Siendo realistas, la desventaja de los sistemas de energía solar es que el suministro de energía no es continuo y constante durante el día y también varía de un día a otro durante todo el año. La HSP es uno de parámetros de energía al dimensionar sistemas fotovoltaicos; los criterios varían de (1) el mes con la máxima demanda de energía, (2) el mes con la HSP más baja, o (3) la HSP promedio anual. Las decisiones de diseño reflejan los sistemas de inversión, respaldo, cogeneración y almacenamiento seleccionados.
La masa de aire (m) es una indicación de la longitud del camino que recorre la radiación solar a través de la atmósfera. Al nivel del mar, m = 1 significa que el Sol está directamente sobre el cenit y la radiación viaja a través del grosor de 1 atm (es decir, mediodía solar). Para ángulos cenitales θz de 0 a 70° a nivel del mar, la ecuación 2 es una aproximación cercana para calcular la masa de aire.
Para ángulos cenitales más altos, el efecto de la curvatura de la Tierra se vuelve significativo y debe tenerse en cuenta. Los gases atmosféricos de la Tierra dispersan la luz azul más que el rojo en una masa de aire. Para un observador en la Tierra al amanecer o al atardecer, cuando el camino de la luz solar es más largo a través de la atmósfera, los colores naranja y rojo dominan porque la mayor parte de la luz violeta, azul, verde y amarilla está dispersa. Este cambio de color se produce porque los rayos del sol deben atravesar mucha más atmósfera. La refracción a medida que el Sol se pone a veces puede incluso verse como un "destello verde"
durante los últimos segundos justo antes de que el Sol caiga por debajo del horizonte (por ejemplo, sobre el agua en regiones tropicales).
2.2.5 Medición de la radiación solar terrestre
Los datos de radiación solar son necesarios para la evaluación de recursos, el desarrollo de modelos, el diseño de sistemas y las pruebas de colectores, entre otras actividades en ingeniería solar e investigación. Las medidas básicas de radiación solar son los componentes de radiación de haz, difuso y global. El gasto de las estaciones radiométricas y el alto
mantenimiento hacen imposible el mapeo espacialmente continuo de la radiación solar. Debido a la escasez de datos reales, el uso de sitios representativos donde se miden o modelan datos de irradiancia ha sido una práctica común para los cálculos de ingeniería. En los Estados Unidos, The National Solar Radiation Database incluye datos de muchas ubicaciones que pueden utilizarse para simular sistemas en todo el país. También hay una red mundial de organizaciones meteorológicas mundiales.
Sin embargo, mientras que esta práctica puede ser aceptable para los cálculos de energía estándar, la extrapolación del sitio cercano puede resultar muy inexacta cuando se necesitan datos específicos del sitio o del tiempo; Esto es particularmente cierto para las aplicaciones de concentración de energía solar (CES) donde se requiere radiación solar directa normal. Además de las técnicas estadísticas clásicas, se han investigado nuevos métodos como las técnicas basadas en satélites. Aunque son menos precisos que las mediciones en tierra, pueden ser más adecuados para generar datos específicos del sitio o el tiempo en lugares y tiempos arbitrarios.
Los instrumentos más utilizados para medir la radiación solar en la actualidad se basan en los efectos termoeléctricos o fotoeléctricos. El efecto termoeléctrico se logra utilizando una termopila que comprende colecciones de termopares, que consisten en metales diferentes unidos mecánicamente entre sí. Producen una pequeña corriente proporcional a su temperatura.
Cuando las termopilas se colocan y recubren adecuadamente con un acabado negro mate, sirven como detectores de cuerpo negro casi perfectos que absorben energía en todo el rango del espectro solar. La unión caliente está unida a un lado de una placa metálica delgada. El otro lado de la placa está ennegrecido para ser altamente absorbente cuando se expone a la radiación solar. La unión fría está expuesta a una cavidad fría dentro del instrumento. La salida se compensa eléctricamente por la temperatura de la cavidad. La cantidad de insolación está relacionada con la temperatura elevada alcanzada por la unión caliente y la fuerza electromagnética generada. La respuesta se linealiza y calibra para que el voltaje de salida se
pueda convertir fácilmente al flujo radiativo. Los sensores fotovoltaicos son más simples y tienen una respuesta instantánea y una buena estabilidad general. El efecto PV ocurre cuando la radiación solar incide en un detector sensible a la luz; Los átomos en el detector absorben parte de la energía de los fotones. En este estado excitado, que puede ser producido solo por la luz en un rango específico de longitudes de onda, los átomos liberan electrones, que pueden fluir a través de un conductor para producir una corriente eléctrica. La corriente es proporcional a la intensidad de la radiación que golpea el detector. La principal desventaja de estos sensores es que su respuesta espectral no es uniforme en la banda solar.
Los instrumentos utilizados para medir la transmisión de la luz solar a través de la atmósfera de la Tierra se dividen en dos categorías generales: instrumentos que miden la radiación de todo el cielo e instrumentos que miden solo la radiación solar directa. Dentro de cada una de estas categorías, los instrumentos se pueden subdividir en aquellos que miden la radiación en una amplia gama de longitudes de onda y aquellos que miden solo longitudes de onda específicas. Los instrumentos de cielo completo necesitan una vista despejada de 360° del horizonte, sin obstáculos significativos. Los instrumentos de cielo completo se llaman radiómetros o, en el caso de los monitores solares, piranómetros (figura 3). Los de buena calidad suelen tener unos 15 cm de diámetro.
Figura 3
Piranometro Eppley Model PSP
El sensor está debajo de una o dos cúpulas de cristal hemisféricas. El vidrio está especialmente formulado para transmitir radiación solar en una amplia gama de longitudes y
está aislado térmicamente del sensor. El piranómetro está diseñado para usarse en la posición horizontal montada permanentemente para la cual está calibrado.
Los coeficientes absolutos de calibración para piranómetros en unidades de microvoltios por W/m2 deben ser trazables a una referencia internacionalmente aceptada, como la que se mantiene en el World Radiation Center (WRC).
Aunque se requieren detectores de banda ancha para medir la radiación solar total, una alternativa económica es usar detectores fotovoltaicos como las células fotovoltaicas basadas en silicio. Su principal desventaja es que su respuesta espectral es diferente del espectro solar.
Por lo general, responden a la luz solar en el rango de 400 a 1100 nm, con una respuesta máxima en el infrarrojo cercano, alrededor de 900 nm. En condiciones normales de luz solar al aire libre, esto introduce un error potencial de un pequeño porcentaje. Los piranómetros comerciales que usan sensores basados en silicio son mucho menos costosos que los piranómetros basados en termopila.
Figura 4 Pirheliómetro
La radiación solar directa se mide con pirheliómetros (Figura 4). Están diseñados para ver solo la luz que proviene directamente del sol. El incidente de radiación en el detector está restringido a un cono estrecho del cielo para evitar la luz dispersa. El sensor está ubicado en la base de un tubo equipado con diafragmas anulares donde solo alcanza la radiación incidente casi normal. Los tubos que albergan el detector en la parte inferior tienen aproximadamente 50
cm de largo. Este instrumento rastrea automáticamente el Sol bajo control de la computadora;
el disco solar subtiende aproximadamente 0,5°.
2.3 Principios de operación de la célula fotovoltaica
La conversión de energía fotovoltaica en células fotovoltaicas consta de dos pasos esenciales. Primero, la absorción de luz genera un par de agujeros de electrones. El electrón y el agujero están separados por la estructura del dispositivo (electrones en el terminal negativo y agujero en el terminal positivo) generando así energía eléctrica.
Este proceso se ilustra en las Figura 5, 6 y 7, que muestra las características principales de las células fotovoltaicas típicas en uso hoy en día. Cada célula se representa de dos maneras.
Un diagrama muestra la estructura física del dispositivo y los procesos dominantes de transporte de electrones que contribuyen al proceso de conversión de energía.
Figura 5
Estructura de la célula fotovoltaica de silicio cristalino
La célula fotovoltaica típica de la figura 4, en uso hoy en día. La mayor parte de la célula está formada por una base gruesa de tipo p en la que se absorbe la mayor parte de la luz incidental y se genera la mayor parte de la energía. Después de la absorción de la luz, los portadores minoritarios (electrones) se difunden a la unión donde son barridos por el fuerte
campo eléctrico incorporado. La energía eléctrica es recogida por los contactos metálicos en la parte frontal y posterior de la célula.
Figura 6
Célula fotovoltaica de arseniuro de galio
La célula fotovoltaica de la figura 5, tiene lo que a veces se denomina estructura heteroface, en virtud de la delgada capa pasivante de GaAlAs que cubre la superficie superior.
La capa de "ventana" de GaAlAs evita que los portadores minoritarios del emisor (electrones) lleguen a la superficie y se recombinen, pero transmite la mayor parte de la luz incidente a la capa del emisor donde se genera la mayor parte de la energía. El funcionamiento de esta célula fotovoltaica de unión p n es similar en muchos aspectos al funcionamiento de la célula fotovoltaica de silicio cristalino en (a), pero debe notarse la diferencia sustancial en el grosor.
La célula fotovoltaica de la figura 6, está basado en la unión p y n, esta célula contiene una capa de semiconductor intrínseco que separa dos regiones p y n muy dopadas cerca de los contactos. La generación de electrones y agujeros ocurre principalmente dentro de la región de carga espacial, con la ventaja de que la separación de carga puede ser asistida por el campo eléctrico incorporado, mejorando así la eficiencia de la recolección. Los contactos generalmente están formados por un óxido conductor transparente (OCT) en la parte superior de la célula y un contacto metálico en la parte posterior. Las características de captura de luz en OCT pueden
ayudar a reducir el grosor y reducir la degradación.
Figura 7
Estructura de una célula fotovoltaica de silicio amorfo de unión simple típica
El grosor de las células fotovoltaicas a-Si varía típicamente de una fracción de un micrómetro a varios micrómetros.
Figura 8
Las estructuras típicas de las células fotovoltaicas basadas en semiconductores compuestos de: (a) diselenuro de cobre, indio, galio y (b) teluro de cadmio
En este tipo de células fotovoltaicas (figura 8), la parte frontal de la unión está formada por un material de banda ancha (CdS “ventana”) que transmite la mayor parte de la luz incidente a la capa absorbente (Cu(In, Ga)Se2 o CdTe) donde prácticamente todos los pares de agujeros de electrones son producidos. El contacto superior está formado por un óxido conductor transparente. Estas células fotovoltaicas suelen tener un espesor de unos pocos micrómetros.
2.3.1 Características eléctricas de la célula fotovoltaica ideal
Una célula fotovoltaica ideal (líneas completas) puede representarse mediante una fuente de corriente conectada en paralelo con un diodo rectificador, los componentes no ideales se muestran mediante las líneas de puntos, el circuito equivalente se muestra en la Figura 9.
Figura 9
Circuito equivalente de una célula fotovoltaica ideal
La característica I-V correspondiente se describe mediante la ecuación de la célula fotovoltaica de Shockley:
𝐼 = 𝐼𝑝ℎ− 𝐼𝑜(𝑒
𝑞𝑉
𝑛𝑘𝐵𝑇− 1) (5)
donde kB es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta, q (>0) es la carga de electrones y V es el voltaje en los terminales de la célula. Io es la corriente de saturación del diodo, que sirve como un recordatorio de que una célula fotovoltaica en la oscuridad es simplemente un rectificador de corriente semiconductora o diodo. La corriente fotogenerada Iph
está estrechamente relacionada con el flujo de fotones incidente en la célula, y su dependencia de la longitud de onda de la luz se discute con frecuencia en términos de la eficiencia cuántica
o la respuesta espectral. La corriente fotogenerada suele ser independiente del voltaje aplicado, con posibles excepciones en el caso de a-Si y algunos otros materiales de película delgada.
La figura 10 (a) muestra la característica I-V (Ecuación 5). En el caso ideal, la corriente de cortocircuito Isc es igual a la corriente fotogenerada Iph, y la tensión de circuito abierto Voc
viene dada por:
𝑉𝑜𝑐 =𝑛𝑘𝐵𝑇
𝑞 𝑙𝑛 (1 +𝐼𝑝ℎ
𝐼𝑜) (6)
Figura 10
Característica I-V de una célula fotovoltaica ideal y la potencia producida
La potencia P = I·V producida por la célula se muestra en la Figura 10 (b). La célula genera la potencia máxima Pmax a un voltaje Vm y corriente Im, y es conveniente definir el factor de llenado FF por:
𝐹𝐹 = 𝐼𝑚𝑉𝑚
𝐼𝑠𝑐𝐼𝑜𝑐 = 𝑃𝑚á𝑥
𝐼𝑠𝑐𝑉𝑜𝑐 (7)
El factor de relleno FF de una célula fotovoltaica con la característica ideal (ecuación
5) será proporcionado por el subíndice 0. No se puede determinar analíticamente, pero se puede demostrar que FF0 depende solo de la relación voc = Voc/kBT. FF0 se determina, con una precisión excelente, por la expresión aproximada.
𝐹𝐹0 =𝑣𝑜𝑐− 𝑙𝑛(𝑣𝑜𝑐+ 0,72)
𝑣𝑜𝑐+ 1 (8)
Las características I-V de una célula fotovoltaica ideal cumplen con el principio de superposición: la dependencia funcional (ecuación 5) se puede obtener de la característica correspondiente de un diodo en la oscuridad cambiando la característica del diodo a lo largo del eje de corriente por Iph (Figura 11).
Figura 11
Principio de superposición para células fotovoltaicas
2.3.2 Características de la célula fotovoltaica en la práctica
La característica I-V de una célula real difiere en cierta medida de la característica ideal (ecuación 1). A menudo se usa un modelo de dos diodos para ajustar una curva observada, con el segundo diodo que contiene un “factor de idealidad” de 2 en el denominador del argumento del término exponencial. La célula fotovoltaica (o circuito) también puede contener resistencias en serie (Rs) y paralelas (Rp), lo que lleva a una característica de la forma:
𝐼 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼01{𝑒𝑥𝑝 (𝑉 + 𝐼𝑅𝑠
1𝑘𝐵𝑇 )} − 𝐼02{𝑒𝑥𝑝 (𝑉 + 𝐼𝑅𝑠
2𝑘𝐵𝑇 ) − 1} −𝑉 + 𝐼𝑅𝑠
𝑅𝑝 (9)
Donde la corriente generada por la luz Iph puede, en algunos casos, depender del voltaje, como ya hemos señalado. Estas características se muestran en el circuito equivalente de la Figura 8 por las líneas punteadas. El efecto del segundo diodo, y de las resistencias en serie y paralelo, sobre la característica I-V de la célula fotovoltaica se muestra en las Figuras 12 y 13, respectivamente.
Figura 12
Efecto del segundo diodo en la curva I-V para tres valores de la relación I02/I01
Figura 13
Efecto de las resistencias sobre la curva I-V de la célula fotovoltaica
2.3.3 Condiciones de prueba estándar
Condiciones de prueba estándar (STC en inglés: Standard Test Conditions) es la principal condición de prueba de rendimiento de salida del panel solar utilizada por la mayoría de los fabricantes y organismos de prueba.
El rendimiento de salida eléctrica de los módulos fotovoltaicos de película delgada y de silicio cristalino se mide generalmente en condiciones de prueba estándar (STC), lo que
garantiza una comparación y una evaluación de salida relativamente independientes de diferentes módulos fotovoltaicos solares, es un estándar de toda la industria para indicar el rendimiento de los módulos fotovoltaicos y especifica una temperatura de la célula de 25 °C y una irradiancia de 1000 W/m2 con un espectro de masa de aire de 1,5 (AM1,5). Estos corresponden a la irradiancia y el espectro de la luz solar incidente en un día despejado sobre una superficie inclinada hacia el sol a 37 ° con el sol en un ángulo de 41,81 ° sobre el horizonte.
Esta condición representa aproximadamente el mediodía solar cerca de los equinoccios de primavera y otoño en los Estados Unidos continentales, con la superficie de la célula dirigida directamente al sol. Sin embargo, estas condiciones rara vez se encuentran en el mundo real.
Las mediciones de rendimiento basadas en STC se aplican en las pruebas de flash de muchos fabricantes.
2.3.4 Temperatura de célula de funcionamiento normal
La temperatura de célula de funcionamiento normal (NOCT en inglés: Normal Operating Cell Temperature) es un estándar de prueba adaptado a las condiciones de funcionamiento de las células solares, definida como la temperatura alcanzada por las células de circuito abierto en un módulo asumiendo una irradiancia de 800 W/m2, una temperatura ambiente de 20 °C y una velocidad del viento de 1 m/s con el módulo fotovoltaico en un ángulo de inclinación de 45 ° y su parte posterior abierta a la brisa (diferencia de las condiciones en las que los paneles están montados en techos y el calor se acumula debajo del panel).
Las condiciones NOCT son un enfoque para reflejar las condiciones del mundo real. Se aplica para calcular la potencia real disponible en un día promedio y es un parámetro comparativamente más estricto que es requerido por una variedad de estándares de rendimiento de salida y calificación energética. Es la principal alternativa de condición de prueba a las condiciones de prueba estándar (STC) y también se utiliza para pruebas de calidad de rendimiento de paneles solares durante la producción en masa.
2.4 Paneles fotovoltaicos
Antes se presenta diferentes términos. La Figura 14(a) muestra una célula fotovoltaica cristalina. Vamos a considerar solo los paneles que están hechos de este tipo de células fotovoltaicas.
Figura 14
Célula, módulo y panel fotovoltaico
Un módulo fotovoltaico es un dispositivo más grande en el que se conectan muchas células fotovoltaicas, como se ilustra en la figura 14(b).
Figura 15
Matriz fotovoltaica
Los nombres de módulo fotovoltaico y módulo solar a menudo se usan indistintamente.
Un panel solar, como se ilustra en la figura 14(c), consta de varios módulos fotovoltaicos que están conectados eléctricamente y montados en una estructura de soporte.
Finalmente, una matriz fotovoltaica consta de varios paneles solares. Un ejemplo de dicha matriz se muestra en la figura 15. Esta matriz consta de dos cadenas de dos paneles solares cada una, donde la cadena significa que estos paneles están conectados en serie.
2.4.1 Conexiones en serie y en paralelo en paneles fotovoltaicos
Si hacemos un módulo solar a partir de un conjunto de células fotovoltaicas, podemos conectar las células fotovoltaicas de diferentes maneras: primero, podemos conectarlas en una conexión en serie como se muestra en la figura 16(a). En una conexión en serie, los voltajes se suman. Por ejemplo, si el voltaje de circuito abierto de una célula es igual a 0,6 V, una cadena de tres células entregará un voltaje de circuito abierto de 1,8 V. Para las células conectadas en serie, la corriente no se suma, pero está determinada por la fotocorriente en cada célula fotovoltaica. Por lo tanto, la corriente total en una cadena de células fotovoltaicas es igual a la corriente generada por una sola célula fotovoltaica.
Figura 16
Conexión en serie y conexión en paralelo de células fotovoltaicas
En segundo lugar, podemos conectar células fotovoltaicas en paralelo como se ilustra en la figura 16(b), que muestra tres células fotovoltaicas conectadas en paralelo. Si las células
están conectadas en paralelo, el voltaje es el mismo en todas las células fotovoltaicas, mientras que las corrientes de las células fotovoltaicas se suman. Si conectamos tres células en paralelo, la corriente se hace tres veces mayor, mientras que el voltaje es el mismo que para una sola célula, como se ilustra en la figura 16(b).
La figura 17 muestra la curva I-V de las células fotovoltaicas conectadas en serie y en paralelo. Si conectamos dos células fotovoltaicas en serie, los voltajes se suman mientras la corriente permanece igual. El voltaje de circuito abierto resultante es dos veces mayor que el de una sola célula. Si conectamos tres células fotovoltaicas en serie, el voltaje de circuito abierto se vuelve tres veces mayor, mientras que la corriente sigue siendo la misma de una sola célula fotovoltaica. Si conectamos dos células fotovoltaicas en paralelo, las corrientes se suman mientras que el voltaje permanece igual. La corriente de corto circuito es dos veces mayor que el de una sola célula. Si conectamos tres células fotovoltaicas en paralelo, la corriente de corto circuito se vuelve tres veces mayor, mientras que el voltaje de circuito abierto sigue siendo la misma de una sola célula fotovoltaica.
Figura 17
Curva corriente-tensión de conexiones en serie y paralelo
Para un módulo total, por lo tanto, el voltaje y la salida de corriente pueden ajustarse parcialmente a través de las disposiciones de las conexiones de la célula fotovoltaica.
La figura 18(a) muestra un módulo fotovoltaico típico que contiene 36 células fotovoltaicas conectadas en serie. Si una célula fotovoltaica de unión simple tuviera una corriente de cortocircuito de 5 A y un voltaje de circuito abierto de 0,6 V, el módulo total tendría una salida de Voc = 36·0,6V = 21,6V e Isc = 5 A. Sin embargo, si dos cadenas de 18 células conectadas en serie están conectadas en paralelo, como se ilustra en la figura 18(b), la salida del módulo será Voc = 18·0,6V = 10,8V e Isc = 2·5A = 10 A.
En general, para las características I-V de un módulo que consiste de m células idénticas en serie y n células idénticas en paralelo, el voltaje se multiplica por un factor m mientras que la corriente se multiplica por un factor n.
Los paneles fotovoltaicos modernos a menudo contienen 60 (10·6), 72 (9·8) o 96 (12·8) células fotovoltaicas que generalmente están conectadas en serie para minimizar las pérdidas resistivas.
Figura 18
Paneles fotovoltaicos de 36 células con dos tipos de conexiones
2.4.2 Parámetros del módulo fotovoltaico
En pocas palabras, para un módulo fotovoltaico se puede definir un conjunto de parámetros, similar al de las células fotovoltaicas. Los parámetros más comunes son: voltaje de
circuito abierto Voc, la corriente de cortocircuito Isc y el factor de llenado del módulo FF. A nivel de módulo, tenemos que distinguir entre la eficiencia del área de apertura y la eficiencia del módulo. El área de apertura se define como el área de solo piezas activas fotovoltaicas. El área total del módulo se da como el área de apertura más el área muerta que consiste en las interconexiones y los bordes del módulo. Claramente, la eficiencia del área de apertura es mayor que la eficiencia del módulo.
Determinar la eficiencia y el factor de llenado de un módulo fotovoltaico es menos directo que determinar el voltaje y la corriente. En un mundo ideal con células fotovoltaicas perfectamente combinadas y sin pérdidas, uno esperaría que la eficiencia y el factor de llenado en los niveles de módulo y célula sean los mismos. Este no es el caso en la vida real. Como se ha mencionado más arriba. Las células están conectadas entre sí mediante interconexiones que inducen pérdidas resistivas. Además, puede haber pequeños desajustes en las células interconectadas. Por ejemplo, si m·n células están interconectadas, la célula con la corriente más baja en una cadena de m células en serie determina la corriente del módulo.
De manera similar, la cadena con el voltaje más bajo en las n cadenas que están conectadas en paralelo determina el voltaje del módulo. La razón del desajuste entre las células individuales son las faltas de homogeneidad que ocurren durante el proceso de producción. Por lo tanto, en la práctica, el módulo fotovoltaico funciona un poco menos de lo que cabría esperar de las células fotovoltaicas interconectadas y con una combinación ideal. Esta pérdida de rendimiento se traduce en un factor de llenado y una eficiencia más bajos a nivel de módulo. Si la iluminación a través del módulo no es constante o si el módulo se calienta de manera no uniforme, el rendimiento del módulo se reduce aún más.
A menudo, las diferencias entre el rendimiento de la célula y el módulo se mencionan en las hojas de datos proporcionadas por los fabricantes del módulo. Por ejemplo, la hoja de datos de un módulo fotovoltaico ofrece una eficiencia de nivel de célula de 21,6%, pero una
eficiencia de nivel de módulo de solo 19%.
A pesar de todos los avances tecnológicos que se están realizando a nivel de células fotovoltaicas para mejorar la eficiencia, aún se debe hacer mucho a nivel de sistemas fotovoltaicos para garantizar un rendimiento saludable de la energía fotovoltaica. Para el rendimiento de un sistema fotovoltaico, no solo es importante el rendimiento del módulo, sino también el rendimiento del sistema fotovoltaico.
2.4.3 Pruebas de por vida de paneles fotovoltaicos
La vida útil típica de los sistemas fotovoltaicos es de aproximadamente 25 años. En estos, debe requerirse el menor mantenimiento posible en los componentes del sistema, especialmente los paneles fotovoltaicos deben estar libres de mantenimiento. Además, la degradación en los diferentes componentes de que está hecho el panel debería ser pequeña: los fabricantes generalmente garantizan una potencia entre 80% y 90% de la potencia inicial después de 25 años. Durante la vida útil de 25 años o más, los paneles fotovoltaicos están expuestos a diversas tensiones externas de diversas fuentes:
• Cambios de temperatura entre la noche y el día, así como entre invierno y verano,
• Tensión mecánica, por ejemplo, por viento, nieve y granizo,
• Estrés por agentes transportados a través de la atmósfera como polvo, arena, niebla salada y otros agentes,
• Humedad originada por la lluvia, el rocío y las heladas, • humedad originada por la atmósfera,
• Irradiancia que consiste en irradiación directa e indirecta del sol; principalmente la radiación ultravioleta altamente energética es un desafío para muchos materiales.
Antes de que los paneles fotovoltaicos se introduzcan en el mercado, generalmente se prueban exhaustivamente para garantizar su estabilidad frente a estas diversas tensiones. Las pruebas requeridas están ampliamente definidas en los estándares IEC 61215 para paneles
basados en células fotovoltaicas de silicio cristalino y en IEC 61646 para paneles de película delgada. Dado que los paneles no se pueden probar durante un período de 25 años, se deben realizar pruebas de estrés acelerado. Las pruebas requeridas son:
• Ciclos térmicos para estudiar si el estrés térmico conduce a interconexiones rotas, células rotas, falla de enlace eléctrico, adhesión de la caja de conexiones
• Prueba de calor húmedo para ver si los paneles sufren corrosión, delaminación, pérdida de adherencia y elasticidad del encapsulante, adhesión de la caja de conexiones
• Prueba de congelación de humedad para probar la delaminación, la adhesión de la caja de conexiones
• Pruebas UV, debido a que la luz UV puede provocar delaminación, pérdida de adhesión y elasticidad del encapsulante, falla a tierra debido a la degradación de la lámina posterior. Principalmente, la luz UV puede provocar una decoloración del encapsulante y la lámina posterior, lo que significa que se vuelven amarillas. Esto puede conducir a pérdidas en la cantidad de luz que llega a las células fotovoltaicas.
• Cargas mecánicas estáticas para comprobar si los vientos fuertes o las fuertes cargas de nieve provocan fallas estructurales, vidrios rotos, cintas de interconexión rotas o células rotas
• Carga mecánica dinámica, que puede conducir a cristales rotos, cintas de interconexión rotas o células rotas
• Prueba de punto caliente para ver si hay puntos calientes debido a derivaciones en las células o protección inadecuada de diodos de derivación
• Prueba de granizo para ver si el panel puede manejar el estrés mecánico inducido por el granizo
• Prueba térmica de diodos de derivación para estudiar si el sobrecalentamiento de
estos diodos provoca la degradación del encapsulante, la lámina posterior o la caja de conexiones
• Las pruebas de niebla salina para ver si la sal que está presente en la niebla salada o que se usa en agua salada para la eliminación de nieve y hielo conduce a la corrosión de los componentes del panel fotovoltaico
La forma en que se deben realizar estas pruebas se define en otras normas, por ejemplo, IEC 61345 para pruebas UV y IV, 61701 para pruebas de corrosión por niebla salina. Estas pruebas son llevadas a cabo por organizaciones como TÜV Rheinland.
La refinación de los requisitos de la prueba y la comprensión de qué pruebas aceleradas se requieren para garantizar una vida útil de 25 años y más están sujetas a investigación.
2.4 Modelamiento de la célula fotovoltaica
Las células fotovoltaicas se representan utilizando modelos de diodos; modelo de diodo simple, modelo de dos diodos y modelo de tres diodos. El modelo de diodo único es el modelo más utilizado, ya que ofrece un buen compromiso entre simplicidad y precisión en comparación con los otros modelos. En el modelo de dos diodos, se usa diodo adicional para representar el efecto de la recombinación de los portadores. Se utiliza un modelo de tres diodos para tener en cuenta la influencia de los límites de grano y la gran corriente de fuga a través de las periferias.
2.4.1 Modelado de paneles fotovoltaicos utilizando el modelo de diodo único El circuito equivalente más simple de una célula fotovoltaica es una fuente de corriente en paralelo con un diodo. La salida de la fuente de corriente es directamente proporcional a la luz que incide sobre la célula (fotocorriente IL). Durante la oscuridad, la célula fotovoltaica no es un dispositivo activo; funciona como un diodo, es decir, una unión p-n. No produce ni una corriente ni un voltaje. Sin embargo, si está conectado a un suministro externo (gran tensión) genera una corriente ID, llamado corriente del diodo o corriente oscura. El diodo determina las características I-V de la célula.
Figura 19
Esquema del circuito equivalente de la célula fotovoltaica
Para el diodo se utiliza el modelo del diodo de Shockley como equivalente de una célula fotovoltaica que se muestra en la figura 19. Para aumentar la sofisticación, precisión y complejidad se puede introducir en el modelo lo siguiente:
• Corriente de saturación del diodo Io dependiente de la temperatura.
• Fotocorriente IL dependiente de la temperatura.
• Resistencia en serie RS, que da una forma más precisa entre el punto de máxima potencia y el voltaje de circuito abierto. Esto representa las pérdidas internas debido al flujo de corriente.
• Resistencia en derivación Rp, en paralelo con el diodo, lo que corresponde a la corriente de fuga a la tierra y habitualmente es obviado.
• O bien permitiendo que el factor de calidad del diodo n para convertirse en un parámetro variable (en lugar de ser fijado en 1 o 2) o la introducción de dos diodos en paralelo con las corrientes de saturación fijadas libremente.
En una célula solar ideal, se supone que RS = 0 y Rp = , que es una suposición relativamente común. Para el presente trabajo, se utilizó un modelo de complejidad moderada.
La corriente neta de la célula es la diferencia entre la fotocorriente IL, y la corriente normal del diodo ID, que viene dada por:
