Download Informe de laboratorio 1 La célula fotovoltaica

Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE-1117 Energía Solar Fotovoltaica
Prof: Ing. José Antonio Conejo Badilla
I semestre 2015
Informe de laboratorio 1
La célula fotovoltaica
Por:
Francisco Rivas Zúñiga, B05208
12 de junio de 2015
Experimento 2
Objetivo específico
Implementar una célula solar como transformador de energía
Procedimiento
Para la realización de este experimento, el montaje del equipo fue el mostrado en la
Figura 1.
Figura 1: Montaje del equipo para el experimento 2.
Análisis de resultados
Al cambiar la polaridad de las conexiones se observó una inversión en el sentido de giro
del eje del motor.
Además, al realizar aumentos en la intensidad de la lámpara se obtuvieron aumentos
en su velocidad de giro. Por el contrario, ante la disminución en la intensidad de la
lámpara se presentaron decrementos en la velocidad de giro.
Los procesos de transformación energética tomando como referencia el sistema
mostrado en la Figura 1 fueron los siguientes:
a) Lámpara incandescente: En este elemento se realizó la transformación de
energía eléctrica en energía luminosa y calor, por el efecto de incandescencia.
b) Célula solar: En este elemento se realizó la transformación de energía luminosa
en energía eléctrica de modo directo, por el efecto fotovoltaico.
c) Motor eléctrico: En este elemento se realizó la transformación de energía
eléctrica en energía mecánica y en menor proporción calor, por el efecto de
inducción electro magnética.
Experimento 3
Objetivo específico
Implementar una célula solar como transformador de energía y diodo.
Procedimiento
Para la realización del experimento el montaje del equipo fue el mostrado en la Figura
2.
Figura 2: Montaje del equipo para la realización del experimento 3.
Análisis de resultados
I)
Al realizar la primera prueba sin chapa de sombreado con la polaridad (A) de
la Figura 3, la célula fotovoltaica y el capacitor se encuentran con la misma
polaridad de ahí que su modelo eléctrico equivalente sea el de dos fuentes
de tensión en serie, por lo que sus potenciales se suman. Como la resistencia
de los devanados del motor es constante entonces su corriente de armadura
aumenta de modo proporcional a la tensión aplicada, por lo que la velocidad
de giro de su eje fue mayor en esta configuración.
(A)
(B)
Figura 3: Circuito equivalente eléctrico del sistema en el experimento 3.
II)
En la segunda configuración la polaridad de la célula es la (B) de la Figura 3,
por lo que su potencial se resta al potencial del capacitor. En esta
configuración la fuente del lazo de tensión es el capacitor y la célula pasa a
comportarse como un elemento pasivo, disipando potencia en su unión PN
en forma de calor. De este modo la corriente de armadura del motor es menor
y por lo tanto su velocidad disminuyó.
III)
En la tercera configuración la célula se conectó con la polaridad (A) de la
Figura 3 con chapa de sombreo. En este caso la célula perdió su papel como
elemento activo y se comportó como un diodo polarizado en dirección de
conducción, de modo que idealmente se consideró un corto circuito. Por lo
tanto la corriente y de manera proporcional la velocidad de giro del eje del
motor fue menor que la obtenida en la prueba I, pero mayor que la obtenida
durante la prueba II.
IV)
En la cuarta configuración la célula se conectó con la polaridad (B) de la
Figura 3 con chapa de sombreo. El comportamiento presentado por la célula
fue el de un diodo polarizado en condición de bloqueo. De modo que la
corriente de armadura del motor fue cero y su eje se mantuvo estático.
Experimento 4
Objetivo especifico
Analizar el comportamiento de la tensión en vacío de una célula solar ante cambios en
el grado de sombreo.
Procedimiento
El montaje del equipo se realizó siguiendo el esquema de conexión mostrado en la
Figura 4.
Figura 4: Montaje del equipo para la realización del experimento 4.
Obteniéndose los resultados mostrados en la Tabla 1 para cada una de las
configuraciones especificadas en la guía.
Tabla 1: Resultado obtenidos del experimento 4.
Superficie radiada
0
1/2
3/4
1
Tensión en vacio
21 mV
502 mV
514 mV
523 mV
Análisis de resultados.
En la Figura 5 se observa la curva característica de la tensión en vacío en función de la
superficie radiada, de ella se puede concluir que la variación del potencial generado en
función del porcentaje de sombreo es mínimo y no proporcional. Por lo tanto la tensión
en vació no depende de modo significativo la superficie radiada y por lo tanto tampoco
depende de la cantidad de radiación incidente.
Característica de tensión
600
Tensión en vacío [mV]
0,5; 502
0,75; 514
1; 523
500
400
300
200
100
0; 21
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Superficie radiada
Figura 5: Característica de tensión de la célula solar.
1,2
Experimento 5
Objetivo específico
Analizar el comportamiento de la corriente de cortocircuito de una célula solar ante
cambios en el grado de sombreo.
Procedimiento
Para la realización de este experimento, la conexión del equipo se realizó siguiendo el
esquema de la Figura 6.
Figura 6: Montaje del equipo para la realización del experimento 5.
Obteniéndose los resultados mostrados en la Tabla 2 para cada una de las
configuraciones especificadas en la guía.
Tabla 2: Resultados obtenidos del experimento 5.
Superficie radiada
0
1/2
3/4
1
Corriente de
1 mA
106 mA
149 mA
191 mA
cortocircuito
Análisis de resultados
En la Figura 7 se observa la curva característica de la corriente de cortocircuito en
función de la superficie radiada, de ella se puede concluir que la variación de la corriente
generada en función del porcentaje de sombreo es alto y proporcional. Por lo tanto la
corriente de cortocircuito de la célula depende de modo directo de la superficie radiada
y por lo tanto de la cantidad de radiación incidente.
Corriente de cortocircuito [mA]
Característica de corriente
250
1; 191
200
0,75; 149
150
0,5; 106
100
50
0; 1
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Superficie radiada
Figura 7: Característica de corriente de la célula solar.
1,2
Experimento 6
Objetivo específico
Analizar el comportamiento de la tensión en vacío y la corriente de cortocircuito ante
cambios en la intensidad de la radiación incidente.
Procedimiento
Para la realización de este experimento, la conexión del equipo se realizó siguiendo el
esquema de la Figura 8. En el cual se realizó la conexión de dos células en paralelo,
principalmente para obtener una mejor definición en el comportamiento de la corriente
de cortocircuito al realizar las pruebas.
Figura 8: Montaje del equipo para la realización del experimento 6.
Obteniéndose los resultados mostrados en la Tabla 3 para cada una de las
configuraciones especificadas en la guía.
Tabla 3: Resultados obtenidos del experimento 6.
Intensidad de la lámpara
Tensión en vacío
Corriente de cortocircuito
[W/m2]
[mV]
[mA]
136
510
384
109
499
296
87
488
235
61
468
157
57
433
88
17
377
41
7
303
19
Análisis de resultados
En la Figura 9 se observan las curvas características de la tensión de circuito abierto y
la corriente de cortocircuito en función de la intensidad de la irradiación de la lámpara,
de ella se puede concluir que la variación del potencial generado ante cambios en la
intensidad de radiación es mínimo y no proporcional. Por lo tanto la tensión en vació no
depende de modo significativo de la intensidad de la radiación incidente.
Por otro lado, es posible concluir que la variación de la corriente de cortocircuito
generada en función del porcentaje de sombreo es alto y proporcional. Por lo tanto la
corriente de cortocircuito de la célula si depende de un modo directo de la intensidad de
la radiación incidente.
600
61; 468
57; 433
500
136; 510
109; 499
87; 488
136; 384
17; 377
400
7; 303
109; 296
300
87; 235
61; 157
200
57; 88
100
7; 19
Voc
17; 41
Icc
0
0
20
40
60
80
100
120
Intensidad de radiación
Figura 9: Características de Voc e Icc de la célula fotovoltaica.
140
160
Experimento 7
Objetivo específico
Analizar la dependencia de la corriente de cortocircuito de una célula fotovoltaica ante
variaciones en el ángulo de incidencia la radiación.
Procedimiento
Para la realización de este experimento, la conexión del equipo se realizó siguiendo el
esquema de la Figura 10.
Figura 10: Montaje del equipo para la realización del experimento 7.
Obteniéndose los resultados mostrados en la Tabla 4 para cada una de las
configuraciones especificadas en la guía.
Tabla 4: Resultados obtenidos del experimento 7.
Ángulo
Corriente de cortocircuito
[grados]
[mA]
90
191
75
158
60
138
45
126
30
95
15
37
0
0
Análisis de resultados
En la Figura 11 se observa la curva característica de la corriente de cortocircuito en
función del ángulo de insolación, de ella se puede concluir que la variación de la
corriente generada en función del ángulo de incidencia es alto y proporcional. Por lo
tanto la corriente de cortocircuito de la célula depende de modo directo de esta variable.
Corriente de cortocircuito [mA]
Característica de corriente
250
90; 191
200
75; 158
150
45; 126
60; 138
30; 95
100
15; 37
50
0; 0
0
0
20
40
60
80
100
Ángulo de la radiación incidente [grados]
Figura 11: Característica de corriente de la célula solar en función del ángulo de incidencia.
Experimento 8
Objetivo específico
Analizar el comportamiento de las células fotovoltaicas conectadas en configuración
serie y ante diferentes condiciones de sombreo.
Procedimiento
Para la realización de este experimento, la conexión del equipo se realizó siguiendo el
esquema de la Figura 12.
Figura 12: Montaje del equipo para la realización del experimento 8.
Inicialmente se realizaron las mediciones de tensión de circuito abierto y la corriente de
cortocircuito para cada una de las células fotovoltaicas, obteniéndose los resultados
mostrados en la Tabla 5.
Tabla 5: Mediciones de Voc e Icc para cada célula fotovoltaica.
Célula
Tensión
Corriente
[Número]
[mV]
[mA]
1
526
159
2
527
179
3
507
192
4
498
137
Seguidamente se realizaron las combinaciones de celdas conectadas en
configuración serie, realizando las mediciones de tensión en circuito abierto y corriente
de cortocircuito para cada configuración, obteniéndose los resultados mostrados en la
Tabla 6.
Posteriormente se conservó la configuración en serie de las cuatro células
fotovoltaicas, y se fueron aplicando diferentes niveles de sombreado progresivos
únicamente sobre la célula número 2. Nuevamente se registraron las mediciones de
tensión de circuito abierto y corriente de corto circuito, obteniéndose los resultados
mostrados en la Tabla 7.
Tabla 6: Mediciones de Voc e Icc para combinaciones de células fotovoltaicas en serie.
Serie
Tensión
Corriente
[cantidad]
[mV]
[mA]
1
498
137
2
1003
139
3
1520
141
4
2030
144
Tabla 7: Mediciones de Voc e Icc para las células en serie con sombreo sobre la célula 2.
Superficie
Tensión
Corriente
[%]
[mV]
[mA]
100
2030
144
75
2020
142
50
2005
112
0
1633
1
Análisis de resultados
En la Figura 14 es posible observar como el comportamiento de la corriente de
cortocircuito es casi invariante e igual a la corriente de cortocircuito de una célula
independiente, ante aumentos en la cantidad de células conectadas en serie.
Por otro lado, en esta misma figura es posible observar como la tensión de
circuito abierto del arreglo de células en serie es proporcional a la cantidad de células
que lo componen, siendo equivalente a la suma de las tensiones de circuito abierto de
cada de célula que conforma el arreglo en cascada.
En la Figura 14 se observa como el nivel de tensión del arreglo de células
fotovoltaicas es casi invariante e igual a la tensión de circuito abierto del arreglo en serie,
ante variaciones en la porción de superficie irradiada de la célula fotovoltaica 2.
Sin embargo, tal como se observa en la Figura 14 la corriente de cortocircuito
del arreglo en serie si varía de manera considerable en función de la porción de
superficie sombreada de la célula fotovoltaica 2. Cabe destacar que en el caso de
irradiación nula (totalmente cubierta o sombreada) sobre la célula 2, esta se comporta
como un diodo polarizado en condición de bloqueo, de modo que la corriente de salida
del arreglo de células decae de modo abrupto a valores cercanos a cero.
Característica de células en serie
2500
4; 2030
Voc
2000
Isc
3; 1520
1500
2; 1003
1000
1; 498
500
1; 137
2; 139
3; 141
4; 144
1
2
3
4
0
0
5
Cantidad de células en serie
Figura 13: Característica de Voc e Isc para células fotovoltaicas en conexión serie ante cambios en el
número de células.
Característica de células en serie
2500
50; 2005
75; 2020
100; 2030
2000
0; 1633
1500
Voc
Isc
1000
500
75; 142
50; 112
0; 1
100; 144
0
0
20
40
60
80
100
120
Superficie irradiada
Figura 14: Características de Voc e Isc para células fotovoltaicas en conexión serie ante cambios en la
superficie irradiada.
Experimento 9
Objetivo específico
Analizar el comportamiento de las células fotovoltaicas conectadas en configuración
paralelo y ante diferentes condiciones de sombreo.
Procedimiento
Para la realización de este experimento, la conexión del equipo se realizó siguiendo el
esquema de la Figura 12.
Figura 15: Montaje del equipo para la realización del experimento 9.
En este caso no fue necesario realizar las mediciones de tensión de circuito
abierto y corriente de cortocircuito para cada una de las células fotovoltaicas, ya que se
cuenta con la información mostrada en la Tabla 5.
Se realizaron las combinaciones de células conectadas en configuración
paralelo, realizando las mediciones de tensión en circuito abierto y corriente de
cortocircuito para cada configuración, obteniéndose los resultados mostrados en la
Tabla 8.
Posteriormente se conservó la configuración en paralelo de las cuatro células
fotovoltaicas, y se fueron aplicando diferentes niveles de sombreado progresivos
únicamente sobre la célula número 2. Nuevamente se registraron las mediciones de
tensión de circuito abierto y corriente de corto circuito, obteniéndose los resultados
mostrados en la Tabla 9.
Tabla 8: Mediciones de Voc e Icc para combinaciones de células fotovoltaicas en paralelo.
Paralelo
Tensión
Corriente
[cantidad]
[mV]
[mA]
1
498
137
2
498
327
3
506
501
4
507
594
Tabla 9: Mediciones de Voc e Icc para las células en paralelo con sombreo sobre la célula 2.
Superficie
Tensión
Corriente
[%]
[mV]
[mA]
1
507
594
75
505
572
50
502
554
0
494
458
Análisis de resultados
En la Figura 16 es posible observar como el comportamiento de la tensión de circuito
abierto es casi invariante e igual a la tensión de circuito abierto de una célula
independiente ante aumentos en la cantidad de células conectadas en paralelo.
Por otro lado, en esta misma figura es posible observar como la corriente de
cortocircuito del arreglo de células en paralelo es proporcional a la cantidad de células
que lo componen, siendo equivalente a la suma de las corrientes de cortocircuito de
cada célula.
En la Figura 17 se observa como el nivel de tensión del arreglo de células
fotovoltaicas es casi invariante e igual a la tensión de circuito abierto del arreglo en
paralelo, ante variaciones en la porción de superficie irradiada de la célula fotovoltaica
2.
Sin embargo, tal como se observa en la Figura 17 la corriente de cortocircuito
del arreglo en paralelo varía de manera considerable en función de la porción de
superficie sombreada de la célula fotovoltaica 2. Cabe destacar que en el caso de
irradiación nula (totalmente cubierta o sombreada) sobre la célula 2, esta se comporta
como un diodo polarizado en condición de bloqueo, de modo que la corriente de salida
del arreglo de células decae, siendo equivalente a la suma de las corrientes de
cortocircuito de las tres células restantes.
Característica de células en paralelo
700
594
600
498
506
498
500
507
400
501
327
300
200
137
Voc
100
Isc
0
0
1
2
3
4
5
Cantidad de células en paralelo
Figura 16: Característica de Voc e Isc para células fotovoltaicas en conexión paralelo ante cambios en el
número de células.
Característica de células en paralelo
700
572
505
554
502
600
494
500 458
594
507
400
300
200
Voc
100
Isc
0
0
20
40
60
80
100
120
Superficie irradiada
Figura 17: Características de Voc e Isc para células fotovoltaicas en conexión paralelo ante cambios en la
superficie irradiada.
Conclusiones
1) Se Implementó una célula fotovoltaica como transformador de energía y diodo
de manera exitosa.
2) Se analizó el comportamiento de la tensión en vacío y la corriente de cortocircuito
de una célula solar ante cambios en el grado de sombreo de modo satisfactorio.
3) Se analizó el comportamiento de la tensión en vacío y la corriente de cortocircuito
ante cambios en la intensidad de la radiación incidente con éxito.
4) Se analizó el comportamiento de las células fotovoltaicas conectadas en
configuración serie y paralelo, y ante diferentes condiciones de sombreo de
modo satisfactorio.