Energía solar fotovoltaica - A

Práctica Nº 3

Energía solar fotovoltaica - A

1. Conceptos implicados

Semiconductores, unión p-n, célula solar, eficiencia fotovoltaica, instalaciones fotovoltaicas.

2. Objetivos

 Estudiar la corriente de una placa fotovoltaica en cortocircuito y el voltaje en circuito abierto  Estudiar la dependencia con la temperatura de la corriente en cortocircuito y el voltaje en

circuito abierto.

 Obtener las características tensión-intensidad de una placa fotovoltaica para distintas intensidades de la radiación solar.

 Estudiar el rendimiento de una célula fotovoltaica.

Figura 1. Montaje de la práctica.

3. Introducción

La producción de electricidad en los paneles fotovoltaicos está basada en el efecto fotovoltaico. En esencia, consiste en la conversión de la energía que transportan los fotones de luz que inciden en un material semiconductor en energía eléctrica capaz de impulsar los electrones a través de un circuito eléctrico exterior.

La clave para producir una corriente eléctrica útil consiste en lograr “extraer” del material los electrones liberados por la incidencia de la radiación de fotones antes de que estos vuelvan a recombinarse con los llamados “huecos”: los electrones, al absorber un fotón y liberarse, dejan un espacio, un nivel energético, llamado hueco. La tendencia es que el electrón liberado pierda su energía y vuelva a su estado energético original (a este proceso se le llama recombinación de electrones y huecos).

Para evitar que suceda lo anterior se introducen en el material semiconductor impurezas, dando lugar a las células fotovoltaicas. Una célula solar es, básicamente, una unión p-n. Este tipo de uniones se forman poniendo en contacto un semiconductor dopado con impurezas donadoras del grupo V de la Tabla Periódica, habitualmente el fósforo, con un semiconductor dopado con

impurezas aceptoras del grupo III de la Tabla Periódica, habitualmente el boro. Recordemos que el Silicio, el semiconductor de uso más habitual, tiene cuatro electrones en la banda de valencia, que comparte con otros silicios formando una estructura cristalina. Si sustituimos algunos silicios por átomos de impurezas donadoras como fósforos, entonces, al tener un electrón más que el silicio, quedan algunos electrones libres para conducir la corriente (Banda de Conducción BC) (exceso de electrones). Por el contrario, las impurezas aceptoras como el boro, al tener un electrón de enlace menos que el silicio, solo pueden unirse a otros tres átomos de silicio, dejando un hueco donde existiría el cuarto electrón de enlace. Esto es, dejan huecos en la Banda de Valencia (BV). Los semiconductores dopados con impurezas aceptoras se llaman tipo p y en ellos los portadores mayoritarios son positivos, los huecos.

Notemos que en ambos casos la carga neta en el cristal es cero, lo que existe es un conjunto de cargas distribuidas por el cristal que no están ligadas a los átomos y que se pueden mover si se aplica un campo eléctrico.

Una célula fotovoltaica consiste en la unión de un semiconductor tipo n con otro tipo p. Cuando se juntan ambos, hay diferencia de concentraciones de electrones y huecos en las zonas n y p, los electrones se difunden en la zona p y los huecos en la zona n, se ocupan algunos de los huecos con los electrones llegados y dejan un conjunto de átomos ionizados. Estos átomos, que están fijos en su red cristalina, forman una zona cargada en la que se genera un campo eléctrico. La diferencia de potencial que aparece por efecto de este campo se denomina barrera de potencial de la unión UD,

e impide que el proceso de paso continúe indefinidamente. En el silicio, la barrera de potencial UD

se sitúa entre 0,5 V y 0, 7 V y la distancia entre la Banda de Valencia y la Banda de Conducción corresponde con una energía E = 1, 1 eV. La célula se completa con unos contactos metálicos en sus extremos para extraer la corriente eléctrica. Nótese que el contacto superior debe tener forma de rejilla para dejar pasar la radiación solar incidente (habitualmente dejan pasar mas del 90%). En estas condiciones, cuando incide un haz de luz sobre la unión p-n, algunos fotones comunican energía a los electrones, creándose pares electrón-hueco. Algunos de estos electrones tendrán energía suficiente para atravesar la barrera de potencial y son expulsados fuera del semiconductor a través del circuito eléctrico, formando una corriente eléctrica. Los electrones, tras recorrer el circuito externo, vuelven a entrar al semiconductor por la cara opuesta.

No todos los fotones del espectro solar son capaces de proporcionar suficiente energía a los electrones para que estos puedan pasar de la banda de valencia a la de conducción, y con ello saltar la barrera de potencial. Sólo aquellos con energía superior a 1.1 eV. Sólo un 50% de la radiación solar cumple con este límite. Este hecho, unido a que no toda la energía del fotón es aprovechada por el electrón, sino que parte se pierde en forma de calor, limita bastante el rendimiento energético de las células fotovoltaicas, a valores del orden del 12 – 20 %.

En definitiva una célula fotovoltaica puede verse como un pequeño generador o pila eléctrica que funciona en tanto en cuanto exista incidencia de radiación solar. En condiciones

estándar una célula fotovoltaica comercial, unos 75 cm2, proporciona una potencia eléctrica de entre 1 y 1.5 W, que corresponden a una tensión de 0.5-0.6 V y una intensidad de 25 mA/cm2

Notemos que se trata de valores relativamente pequeños que hacen necesario agrupar un conjunto de células de forma que proporcionen las características eléctricas necesarias en una instalación determinada. Así, tradicionalmente las instalaciones fotovoltaicas se diseñan incluyendo sistemas de acumulación eléctrica que operan a 12 V (en otros casos también a 24 voltios). Para obtener 12 V, se realizan agrupaciones serie de 24 a 26 células, constituyendo lo que se denominan paneles fotovoltaicos. Estos paneles suelen tener una forma rectangular con superficies del orden de

0.5 m2, aunque los hay mucho mayores. La interconexión en serie y paralelo de las células

individuales proporciona, finalmente, las características eléctricas, en términos de tensión e intensidad deseadas para la instalación. La combinación en serie proporciona la misma intensidad y la suma de tensiones, mientras que la agrupación paralela proporciona la misma tensión y la suma de intensidades.

Habitualmente, en el diseño de instalaciones fotovoltaicas, se suelen adquirir paneles individuales de tensión nominal dada (12 o 24 voltios) y combinarlos en paralelo de forma que la intensidad total, y con ello la potencia total, sea la deseada.

Curva característica

Las características de un panel fotovoltaico vienen dadas a través de la llamada curva característica. Al contrario que un generador convencional, que están caracterizados por una tensión e intensidad y que suministran potencia con la única limitación de que la carga no supere un límite determinado (consumo), las características de las células fotovoltaicas como generadores de electricidad no son uniformes, ya que dependen de la radiación solar que reciben y la carga aplicada. La relación entre la intensidad eléctrica que suministra el generador y la diferencia de potencial entre sus extremos, cuando se varía la carga externa, recibe el nombre de curva característica. En la citada curva se localizan las siguientes características eléctricas del panel:

1) Corriente en cortocircuito. Se trata de la intensidad máxima que proporciona el panel bajo unas condiciones normalizadas. Se mide a través de un amperímetro entre los bornes del panel sin ninguna resistencia adicional, de ahí el nombre de corto circuito. Se denomina con Icc (o Isc siglas en inglés short-circuit).

2) Voltaje en circuito abierto. Se trata del voltaje máximo que proporciona la célula y se podría medir con un voltímetro de resistencia infinita, esto es, sin permitir que circule corriente alguna por el panel (condiciones de circuito abierto). Se denomina Vca (Voc siglas ingles tensión open-circuit).

3) Potencia máxima Pm. Decimos que un panel trabaja en condiciones de potencia máxima

cuando la resistencia del circuito externo es tal que determina unos valores de intensidad

máxima Im y potencia máxima Vm tales que su producto es máximo. Normalmente un panel

no trabaja en condiciones de potencia máxima, ya que la resistencia exterior está fijada por las características del propio circuito.

4) Eficiencia del panel. Es el cociente entre la potencia eléctrica producida por éste y la potencia de la radiación incidente sobre el mismo.

En la figura vemos la curva característica de una placa fotovoltaica. Nótese que disminuye la tensión en los terminales del panel cuando aumenta la demanda de intensidad al que es sometido.

En esta práctica vamos determinar la curva característica de un mini-panel que presenta, obviamente, una dependencia con la intensidad de radiación incidente. Adicionalmente, la curva característica de un panel también presenta una dependencia con la temperatura de operación o temperatura ambiente, especialmente en lo que se refiere al comportamiento en circuito abierto. Por todo ello, y de cara a establecer una características nominales de comportamiento de los paneles fotovoltaicos, se establecen una norma estándar, que son proporcionar los parámetros del panel bajo incidencia normal de la radiación con una intensidad de 1000 W/m2 y a una temperatura ambiente de 25 ºC. En la siguiente figura vemos la curva correspondiente a un panel comercial.

4. Procedimiento experimental

Primera parte

En primer lugar será necesario medir la intensidad luminosa que incide sobre el panel procedente de la bombilla, que hará las veces de sol. Para ello, se utilizará un termopar sobre el que se proyecta la luz emitida. Se supone que el termopar recibe toda la radiación a través de una apertura circular de 2.5 cm de diámetro. Iremos variando la distancia entre la lámpara y el termopar y mediremos la tensión que proporciona el polímetro. Con la sensibilidad del termopar, cada 0.16 mV corresponden a 1 mW, se obtiene la radiación incidente. Con los datos de la tabla, podremos obtener una recta que nos proporcione la radiación de la lámpara a cualquier distancia.

Nota: para pasar de mW a W/m2 suponemos que toda la radiación entra al termopar por el área circular de su apertura de diámetro 2.5cm.

Represente la radiación en W/m2 frente a la distancia, según los datos de la tabla anterior, y obtenga la recta de regresión por mínimos cuadrados. Obtenga también el error de la potencia a partir del error instrumental del polímetro.

Segunda parte

En la segunda parte vamos a obtener la curva característica de la fotocélula bajo diferentes condiciones de trabajo. Nuestro panel esta compuesto por cuatro células conectadas en serie con aproximadamente 2 voltios de tensión sin carga (circuito abierto).

Tomaremos tres distancias de la lámpara:

D1, D2, D3

= 50 cm, 65 cm, 80 cm. con la ayuda del reostato modificamos la resistencia de carga y obtenemos la curva característica. Repetiremos el procedimiento en cada distancia.

Tareas:

1) Complete la siguiente tabla para las tres distancias.

2) Una vez completadas, represente la curva característica para dichas intensidades y determine la corriente en cortocircuito y la tensión en circuito abierto.

Distancia (cm) V (mV) mW W/m2 20 50 65 80 100 Distancias = , , Radiación = , ,

Volt. (v) I (mA) P (w) I (mA) P (w) I (mA) P (w)

0 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.6 1.7 1.8 1.85 1.9 1.95 2 Máx.

Tercera parte

Ahora se evaluará el rendimiento de la célula, esto es, el cociente entre la potencia luminosa que incide en el panel y la potencia eléctrica obtenida. La potencia eléctrica se obtiene como el producto de la tensión por la intensidad y existe un punto de operación donde ésta es máxima, que se sitúa en el punto de inflexión de las curvas, donde la resistencia de carga coincide con el valor de la resistencia interna de la célula. Sea Isc la mayor corriente de una columna, la potencia máxima se

suele dar cuando la intensidad sea el 90% de Isc, Im = 0.9·Isc. En concreto, la potencia máxima será el

producto de esta Im por su tensión correspondiente Vm. Con esta aproximación, complete la tabla y

obtenga el rendimiento del panel en los tres casos. Tenga en cuenta el área de la célula es de 50 cm2.

Distancia Intensidad W/m2 Pot. (W) Radiativa Isc Im=0.9 Isc Vm P. Eléctrica Pm=Im*Vm Rendimiento (P.Eléc./P.Rad.) 50 65 80

Calcule los errores de la potencia eléctrica y del rendimiento.

*Cuarta parte

Estudio del efecto térmico y del tipo de radiación. Como se ha comentado, el rendimiento de la célula depende de la temperatura de trabajo. También depende del tipo de radiación, en particular, en días despejados, con menos radiación difusa, el rendimiento es mejor que en días parcialmente nubosos con mucha radiación difusa. Vamos a estudiar el efecto de estos dos fenómenos en el rendimiento de la célula utilizando un ventilador para calentar la placa y un cristal para simular un día parcialmente nuboso. Se medirá la temperatura de operación de la célula con un termómetro, teniendo cuidado de no tocar la célula. Obtenga la curva característica en las dos situaciones comentadas.

Represente estas dos curvas en la misma gráfica junto con los datos de la misma distancia de la segunda parte y discuta los resultados obtenidos. Nota, mida primero el efecto del cristal difusor.

Distancia = 65 cm , I = W/m2 Con cristal difusor Calentando con ventilador

(T= ) V (Volt) I (mA) V (Volt) I (mA)

0 0 0.5 0.5 0.75 0.75 1 1 1.25 1.25 1.5 1.5 1.6 1.6 1.7 1.7 1.8 1.8 1.85 1.85 1.9 1.9 1.95 1.95 2 2 2.5 2.5

Actividades complementarias.

1.- Explique las razones por las que el rendimiento de la célula varía con la temperatura y la presencia del cristal difusor.

2.- Se pretende diseñar una instalación fotovoltaica para suministrar energía a una vivienda rural. Los consumos eléctricos diarios vienen datos en la siguiente tabla. Toda la instalación opera a 24 Voltios.

Diseñe una instalación fotovoltaica (número de metros cuadrados), que sea capaz de suministrar la energía que diariamente se necesita. Para ello considere que:

- el rendimiento de la fotocélula con luz solar es del 10%

- que opera 5 horas cada dos días con una radiación de 1000 W/m2

a) Calcule la capacidad de la batería necesaria (en Ah) (nótese que la energía para la vivienda se toma de las baterías, no directamente de los paneles).

b) Indique el tamaño de las placas fotovoltaicas necesarias para que, operando en las condiciones dadas, se pudieran cubrir las necesidades de dicha vivienda rural.

c) Compare los resultados con los de la práctica de Energía Eólica simulación. (Aquellas personas

que la hayan realizado).

d) Realice los cálculos para su propia vivienda habitual. Para ello compruebe en su factura de la luz el consumo mensual y divídalo por el número de días para obtener el consumo promedio diario. e) Quiere usted realizar una instalación fotovoltaica en su casa. Antes de hacerlo, debe usted comprobar el precio del kW·h en comparación con el que actualmente paga en su factura. Calcule este coste teniendo en cuenta que:

1) El coste de una instalación fotovoltaica es de aproximadamente 2000 Euros/kWp instalado de potencia.

2) La radiación incidente en el sur de España es de aproximadamente 1800 kWhm-2 al año. 3) La instalación tiene una vida de 30 años y la va a financiar la mitad con un crédito a 30 años al 5% de interés simple. ¿Es rentable?, ¿lo sería sin añadir el interés del prestamo?.

5. Bibliografía adicional

 Alcor-Cabrerizo, E. Instalaciones solares fotovoltaicas. Progensa, 1995.  Jarabo, F y Elortegui, N. Energías renovables. SAPT, 2000.