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Práctica Nº 1
Energía solar fotovoltaica
1. Conceptos implicados
Semiconductores, unión p-n, célula solar, eficiencia fotovoltaica, instalaciones fotovoltaicas.
2. Objetivos
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•
•
Estudiar la corriente de una placa fotovoltaica en corto-circuito.
Estudiar el voltaje de una placa fotovoltaica 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
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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 los
electrones con los 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 Periodica, 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). En
definitiva, se crea un exceso de electrones. Los materiales dopados con impurezas donadoras se
denominan tipo n, en ellos los portadores mayoritarios son negativos, los 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 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, básicamente, en la unión de un semiconductor tipo n con otro tipo
p. Cuando se juntan ambos semiconductores, la 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 así algunos de los huecos con los electrones llegados y dejando un conjunto de átomos
ionizados. Los átomos de impurezas ionizados, que no tienen posibilidad de moverse al formar
parte de la red cristalina, crean una región de carga 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
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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 se expulsados fuera del
semiconductor a través del circuito eléctrico. Se produce así 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%.
Nótese que en ningún momento el material semiconductor almacena energía eléctrica, sino lo único
que hace es generarla, darle una mayor energía potencial eléctrica a los electrones usando energía
radiante, en un proceso similar a subir un peso una cierta altura, proporcionándole mayor energía
potencial gravitatoria.
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
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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 lo que se denomina 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 traves 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 se muestra la curva característica de una placa fotovoltaica. Nótese que disminuye la
tensión en los terminales del panel cuando aumenta la demanda (consumo de intensidad) al que es
sometido.
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En la presente práctica vamos determinar la curva característica del mini-panel del que disponemos
en el laboratorio. La curva característica 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 figura vemos la curva
correspondiente a un panel comercial.
4. Procedimiento experimental y tareas
Primera parte
El montaje a realizar se muestra en la figura 1. 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 utilizara un termopar sobre el que proyectaremos la luz emitida desde una lámpara. Se
supone que el termopar recibe toda la radiación a través de una apertura circular de 2.5 cm de
diámetro. La distancia entre la lámpara y el termopar debe ser, como mínimo, de 50 cm. para evitar
efectos térmicos indeseados. Hay que tener en cuenta que la tensión máxima que es capaz de
suministrar el amplificador es de 10 V. Iremos variando la distancia entre la lámpara y la célula y
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mediremos la tensión que proporciona el polímetro. Dada la sensibilidad del termopar (0.16
mV/mW ), y a partir de los datos de la tabla, podremos obtener una recta que nos proporcione la
radiación de la lámpara a cualquier distancia, incluso menor de 50 cm.
Distancia (cm)
50
70
80
100
V (mV)
mW
W/m2
Nota: ojo, para pasar de mW a W/m2 hay que suponer que toda la radiación entre al
termopar por una apertura de diámetro 2.5cm.
Tarea: Represente la radiación en W/m2 frente a la distancia, según los datos de la tabla
anterior, y obtenga la recta de regresión.
Segunda parte
En la segunda parte vamos a obtener la curva característica de la fotocélula bajo diferentes
condiciones de trabajo. Nuestra panel esta compuesto por cuatro células conectadas en serie con
aproximadamente 2 voltios de tensión sin carga (circuito abierto).
En primer lugar fijaremos la distancia de la lámpara, que nos simula la radiación solar. Una
vez fijada, con la ayuda del reostado modificamos la resistencia de carga y obtenemos la curva
característica. Repetiremos el procedimiento para tres distancias: D1, D2, D3= 20 cm, 60 cm, 80
cm, a las cuales corresponderán sendas intensidades.
Tarea:
1) Calcule las intensidades correspondientes a las anteriores distancias.
2) Complete la tabla de abajo para las tres intensidades.
3) Una vez completadas, representa la curva característica para dichas tres intensidades y
determine las la corriente en cortocircuito y la tensión en circuito abierto.
Distancias=D1,D2,D3
Intensidades= …, …, ...
I (mA)
W
V (Volt)
0
0.5
0.75
0.75
1
1.25
1.5
1.6
1.7
1.8
1.85
1.9
..
..
..
1.95
2
2.5
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Tercera parte
En este apartado se evaluará el rendimiento de la célula, esto es, la relación entre la potencia
luminosa que incide en el panel y la potencia eléctrica que se obtiene. La potencia 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, en ese punto la resistencia de la carga coincide
con el valor de la resistencia interna de la célula. La potencia máxima se suele dar cuando la
intensidad es el 90% de intensidad en circuito Im=0.9Isc. En concreto, la potencia máxima es el
producto de esta corriente máxima por la tensión correspondiente Vm. Utilizando la anterior
aproximación, complete la tabla de abajo y obtenga el rendimiento del panel en las tres
intensidades. Para ello tenga en cuenta el área de la célula es de 50 cm2.
Distancia
Intensidad
W/m2
Potencia
Radiativa
Isc
Im=0.9Isc
Vm
Potencia
Eléctrica
Pm=Im*Vm
Rendimiento
20
60
80
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, usando una incidencia de radiación de 424 W/m2 (misma que apartado c)
Distancia= 20 cm , I=
W/m2
Normal
Con cristal difusor Calentando con
ventilador (T= )
V (Volt) I (mA) V (Volt) I (mA) V (Volt) I (mA)
0
0
0
0.5
0.5
0.5
0.75
0.75
0.75
0.75
0.75
0.75
1
1
1
1.25
1.25
1.25
1.5
1.5
1.5
1.6
1.6
1.6
1.7
1.7
1.7
1.8
1.8
1.8
1.85
1.85
1.85
1.9
1.9
1.9
..
..
..
1.95
1.95
1.95
2
2
2
2.5
2.5
2.5
Tarea: Represente las tres curvas a la vez y discuta los resultados obtenidos. Nota, mida
primero el efecto del cristal difusor.
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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 de dichos aparatos vienen datos en la siguiente tabla, así
como su uso diario. Toda la instalación opera a 24 Voltios.
Diseñe la instalación fotovoltaica, integrada por células como las de la práctica, 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
-Considere que la tensión y corriente de operación de la célula es la que corresponde al
punto de máxima potencia con distancia d=20 cm.
En particular, calcule:
a) Calcule la capacidad de la batería necesaria (en Ah) (notese que la energía para la vivienda se
toma de las baterías, no directamente de los paneles).
b) Indique el número y la configuración (serie paralelo) de células necesarias para que, operando en
las condiciones dadas, se pudieran cubrir las necesidades de dicha viviendo rural. ¿Cuántos metros
de paneles hacen falta?
c) Compare los resultados con los de la práctica 3.
d) Realice los cálculos del apartado c) 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.
f) A partir del apartado 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 7000 Euros por 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 con un crédito a 30 años al 5%
de interés.
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5. Bibliografía adicional
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Alcor-Cabrerizo, E. Instalaciones solares fotovoltaicas. Progensa, 1995.
Jarabo, F y Elortegui, N. Energías renovables. SAPT, 2000.
Lorenzo E. Araujo G. Cuevas A. Egido M. Muñano J. Zilles R. Solar Electricity engineering
of photovoltaic Systems. James & James, 1994
Markvart T. Solar Electricity. John Wiley & Sons, Chichester, 1994.
Ortega, M. Energías renovables. Paraninfo, 2000
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