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UNIVERSIDAD DON BOSCO
FACULTAD DE ESTUDIOS TECNOLÓGICOS
COORDINACIÓN DE ELÉCTRICA Y MECÁNICA
Ciclo I-16
(Fuentes De energías Renovables)
Guía de Laboratorio No. 2
“Obtención de la curva V-I en paneles fotovoltaicos”
I. RESULTADOS DE APRENDIZAJE

Estudio y caracterización de células fotovoltaicas mediante un modelo eléctrico
teórico que contrastaste con los resultados obtenidos experimentalmente.

Análisis de Paneles Fotovoltaicos Comerciales de diferentes tecnologías.(Mono
cristalino, poli cristalino y amorfo)

Determinación de la curva de respuesta en oscuridad de un PFV de diferente
Potencia a temperatura ambiente.

Determinar la curva de respuesta de un panel fotovoltaico en iluminación artificial e
iluminación solar y obtener a partir de la misma la curva de potencia, así como
establecer el punto de máxima potencia.
II. INTRODUCCIÓN
Una célula o un panel fotovoltaico se comportan como un diodo, esto es un elemento que
permite conducir la corriente eléctrica en un solo sentido. En ausencia de excitación
lumínica, la célula o el panel sólo generan corriente de polarización, a partir del punto en
que el voltaje a que se somete la célula supera el potencial de polarización de la misma.
Hasta ese punto la corriente generada tanto por la célula como por el panel es cero. Esta
situación se produce cuando la célula o el panel operan en condiciones ideales. La curva
de respuesta ideal sería del tipo mostrado en la figura 1A. La tensión de polarización para
una célula de silicio es de 0.6 V, en tanto que para un panel dependerá del número de
células que lo conformen.
Figura 1: Curvas características de una célula o PFV en la oscuridad y bajo iluminación.
La curva de la figura 1A muestra una célula ideal donde no existen mecanismos de
dispersión que actúen como centros de recombinación, por lo que la resistencia en paralelo
asociada, Rp, es nula. De esta forma la corriente de deriva es cero en la sección A, y la
curva pasa por el origen de coordenadas.
En condiciones reales, y en ausencia de iluminación, la célula se comporta como un diodo
en oscuridad, pero debido a los posibles defectos, genera lo que se conoce como corriente
de fuga, es decir una corriente en ausencia de polarización debida a las pérdidas
ocasionadas por los defectos del material. En estas condiciones, la respuesta de la célula
se parece a lo mostrado en la figura 1B.
Una célula solar es un sistema semiconductor que absorbe luz (energía solar) y la convierte
de forma directa en energía eléctrica. Esta generación de energía, de manera general, parte
del efecto fotoeléctrico sobre el gap de energía de un semiconductor. En todo sólido
cristalino existen dos bandas de energías llamadas banda de conducción y banda de
valencia, debido a los electrones compartidos de los átomos de la red. Estas pueden estar
solapadas en el caso de los conductores, muy separadas en el caso de los aislantes o con
una pequeña separación como es el caso de los semiconductores. La separación entre
ambas es conocida como gap de energía.
En las células solares más habituales se aprovecha este pequeño gap de energía de los
semiconductores para excitar electrones mediante efecto fotoeléctrico desde la banda de
valencia a la de conducción. Este efecto es necesario hacerlo en un lugar donde pueda
producirse además la separación de las cargas foto generadas. El lugar habitual será la
unión p-n de un cristal.
Cuando un cristal de tipo p (con exceso de carga positiva o huecos) y otro de tipo n (exceso
de carga negativa) se unen, se genera una región llamada de carga espacial en la cual
aparece un campo eléctrico producido por la reordenación de las cargas.
En definitiva, cuando un fotón incide sobre la región de carga espacial de la unión p-n y
particularmente en la región “n” de un cristal se produce por efecto eléctrico un par electrónhueco que son separados por el campo eléctrico existente en dicha región a ambos lados
de la unión. Si unos conductores eléctricos a través de una resistencia conectan ambos
lados de la unión, se producirá una corriente eléctrica debido a la tendencia de la
recombinación del par e-h. En la resistencia usada obtenemos la energía generada en este
proceso.
Figura 2: Muestra la incidencia del fotón en la zona de carga espacial (ZCE).
Un modelo eléctrico teórico que represente este dispositivo, sería el mostrado por la figura
3. En él, la unión P-N se representa por un diodo, cuyo comportamiento eléctrico es
conocido, y por una fuente de corriente dispuesta en paralelo que representa la corriente
fotogenerada.
Figura 3: Modelo de circuito equivalente ideal de una célula fotovoltaica.
Aplicando las leyes de Kirchhoff al circuito obtenemos la expresión que nos describe su
funcionamiento:
𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼𝐷
𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼𝑂 (𝑒
(
𝑞𝑉
)
𝐴𝑘𝑇
− 1)
Este modelo básico, resulta insuficientemente para representar la célula. En ella existen
unas corrientes de fuga de comportamiento lineal, que atraviesan la unión. Además, existe
una caída de potencial proporcional a la intensidad que circula debida a la resistencia de
los contactos y cables de conexión. Es por ello que debe mejorarse el modelo anterior
añadiéndole una resistencia en paralelo que denominaremos 𝑹𝒔𝒉 para representar esas
corrientes de fuga. En serie con todo el circuito también dispondremos de una resistencia
que denominaremos 𝑹𝒔 que representara la resistencia de los contactos. Con todo esto el
modelo queda como puede verse en la figura 4.
Figura 4: Modelo mejorado que representa las corrientes de fuga para la célula fotovoltaica.
En este caso, la aplicación de las leyes de Kirchhoff nos lleva a las expresiones siguientes:
𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼𝐷 − 𝐼𝑆ℎ
𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼𝑂 (𝑒
𝑞(𝑉+𝐼𝑅𝑆 )
(
)
𝐴𝑘𝑇
− 1) −
𝑉 + 𝐼𝑅𝑆
𝑅𝑆ℎ
De las ecuaciones mostradas anteriormente podemos hacer un resumen en la figura 5:
Figura 5: resumen para el circuito equivalente de la celda solar.
De la figura 5 podemos mencionar, algunos términos de interés:
Corriente de cortocircuito (𝑰𝑺𝑪 ): Es la intensidad máxima de la corriente que se puede
obtener de un panel bajo unas determinadas condiciones (generalmente normalizadas).
Correspondería a la medida, mediante un amperímetro (de resistencia prácticamente nula).
De la corriente entre los bornes del panel, sin ninguna otra resistencia adicional, esto es
provocando un cortocircuito. Al no existir resistencia alguna al paso de la corriente, la caída
de potencial es cero.
Voltaje de circuito abierto (𝑽𝑶𝑪 ): Es la tensión máxima que se podría medir con un
voltímetro, sin permitir que pase corriente alguno entre los bornes de un panel, es decir en
condiciones de circuito abierto (resistencia entre bornes infinita).
Potencia Máxima (𝑷𝑴 ): En unas condiciones determinadas la intensidad i tendrá un cierto
valor comprendido entre 0 y 𝐼𝑆𝐶 , correspondiéndole un voltaje V que tomara valor entre 0
y 𝑉𝑂𝐶 . Dado que la potencia es el producto del voltaje y la intensidad. Esta será máxima
únicamente para un cierto par de valores de i, V, en principio desconocidos. Decimos que
un panel trabaja en condiciones de potencia máxima cuando la resistencia de circuito
externo es tal que determina unos valores de 𝑰𝑴 y 𝑽𝑴 , tales que su producto sea el máximo.
Normalmente un panel no trabaja en condiciones de potencia máxima, ya que la resistencia
exterior está fijada por las características propias del circuito y aunque existe la posibilidad
de utilizar dispositivos electrónicos, conocidos como “seguidores del punto de Máxima
Potencia”. Esto supone un coste adicional y no suelen emplearse en pequeñas
instalaciones.
Eficiencia total del panel: Es el cociente entre la potencia eléctrica producida por este y
la potencia de la radiación incidente sobre el mismo.
Factor de forma (FF): Es un concepto teórico, útil para medir la forma de la curva definida
por las variables I y V.
𝐹𝐹 =
𝑃𝑀
𝐼𝑀 𝑉𝑀
=
(𝐼𝑆𝐶 𝑉𝑂𝐶 ) (𝐼𝑆𝐶 𝑉𝑂𝐶 )
III. MATERIALES Y EQUIPO
Cantidad
3
Descripción
Módulos solares de distinta potencia
(Kyosera, silicon solar pv, AEE solar)
2
Multímetros
1
Osciloscopio
1
Amperímetro de gancho
1
Brújula
1
Termómetro infrarrojo
1
Pirómetro fotovoltaico
2
Una resistencia variable de potencia
1
Fuente de alimentación regulable
1
Potenciómetro de ajuste fino de 20K
1
Lámpara halógena de 150W
x
Cables de potencia y cable de conexión
1
Trasportador
IV. PROCEDIMIENTO
PARTE I: TOMA DE MEDIDAS EN LA OSCURIDAD.
PROCEDIMIENTO:
1) Tomar datos de Placa del panel (puede verificarlos en el anexo).
2) Contar el número de celdas que conforman al panel y clasificarlo según su
tecnología de fabricación.
3) Armar el siguiente circuito, con el panel totalmente cubierto para evitar que reciba
iluminación.
Figura p1: Circuito a construir para la obtención curva de respuesta en la
oscuridad.
4) Con el circuito armado y conectado a la fuente de alimentación de corriente continua
en modo de polarización directa. Para un valor nulo de la intensidad generada por
la fuente, se irá variando el voltaje de forma paulatina, anotando los valores de
voltaje e intensidad que proporciona el panel. Continuando así hasta el límite de la
célula o panel (o el límite marcado por el fondo de escala del aparato de medida).
Nota: Para evitar provocar daños al panel la tensión de la fuente deberá limitarse a
un máximo de 3.5 V por célula, en caso de utilizar células de silicio. De este modo
se impide invertir la polaridad de la ZCE1 y convertir a dicha zona en totalmente
1
ZCE: zona de carga espacial.
conductora, lo que provocaría la inyección de electrones en la zona “p” y de huecos
en la zona “n”, con el consiguiente número de recombinaciones y el deterioro de la
célula y por consiguiente del panel.
5) Se irán anotando los valores de intensidad y voltaje proporcionados por el panel a
intervalos regulares. El conjunto de puntos representa la curva característica del
PFV. Determinar la corriente para tensión cero y el voltaje de umbral o de
polarización del panel del panel y la corriente a la que ocurre.
𝐼𝑇𝐸𝑁𝑆𝐼𝑂𝑁_𝐶𝐸𝑅𝑂 = _________________
𝑉𝑈𝑀𝐵𝑅𝐴𝐿 = _________________
𝐼𝑈𝑀𝐵𝑅𝐴𝐿 = _________________
No Voltaje[V] Corriente[mA]
1
…
n
6) Repetir el procedimiento (Pasos 1-5) para el segundo y tercer panel.
PARTE II: TOMA DE MEDIDAS CON ILUMINACIÓN ARTIFICIAL.
PROCEDIMIENTO 1: Respuesta del voltaje en circuito abierto (𝑽𝒐𝒄) del panel solar en
función de la temperatura
Paso 1: Tomar el valor de (𝑽𝒐𝒄) e irradiancia global a temperatura ambiente como se
muestra en la figura P2A, esta será nuestra primera medición.
Paso 2: Realizar la conexión de la figura P2B, esperar que la lectura de tensión se
mantenga, un poco estable y tomar 15 medidas de tensión y temperatura a una irradiancia
global a una distancia panel- lámpara de (D=30cm).
A)
B)
Figura P2: Circuitos a construir para la obtención de curva de 𝑉𝑜𝑐 𝑉𝑟𝑠 𝑇.
PROCEDIMIENTO 2: Curva característica del panel solar y potencia máxima.
Paso 1: Realizar las conexiones que se muestran en la figura P2C.
Figura p2C: Circuito a armar para la obtención de curva de respuesta con iluminación Artificial.
Paso 2: Llevar la temperatura del panel a unos 60˚C y mantenerla con un margen de
variación de ±1℃. Esto se lograra inyectándole corrientes de aire a la superficie del panel
fotovoltaico por medio de un ventilador y midiendo la temperatura con el termómetro
infrarrojo.
Paso 3: Con la temperatura ya estable tomar medidas, de voltaje y corriente e irradiancia
a la distancia D, variando el potenciómetro desde cero hasta su valor nominal, el conjunto
de puntos (V, I, T) representan la curva característica del panel fotovoltaico.
Al concluir con las mediciones anteriores realizar el mismo procedimiento paso (2-3), con
la diferencia que ahora llevaremos la temperatura del panel a unos 40˚C, con un margen
de variación de ±1℃.
PARTE III: TOMA DE MEDIDAS CON RADIACION SOLAR.
PROCENDIMIENTO 1: Determinación del estatus de paneles FV.
Paso1:
Una vez posicionados en el lugar donde se realizara la práctica, proceda a tomar los datos
de placa más importantes de cada uno de los paneles FV.
Modelo
Inclinacion
Isc
Voc
Vpmax
Ipmax
AE-10ST
0
30
60
SYMS-5
0
30
60
KC85T
0
30
60
Tabla 1: Datos de placa de modelos proporcionados.
Paso 2:
Posicione los paneles según lo ángulos dados y proceda a tomar la radiación incidente, la
Isc medida compárela con Isc calculada que se obtiene al aplicar una regla de tres simple,
ocupando los datos de 1000W/m^2 y Isc de placa, para los ángulos de 0º,30º, 60º. Década
modulo.
El valor calculado no debe de alejarse del 10% del valor de catálogo para que el panel este
en buen estado.
Modelo
PPV
angulo de
inclinacion
Radiacion
solar
incidente
Isc
calculada
Isc Medida
Estatus del panel
aceptable no aceptable
KC 85T
AE-10ST
SYMS-5
Tabla 2. Determinación del estatus del panel
PROCEDIMIENTO 2: Determinación de la eficiencia de panel bajo carga.
Paso 1:
Tomar los datos de placas de cada módulo y medir el área efectiva y luego tomar lectura,
midiendo Isc, Voc, radiación a un ángulo de inclinación definido en vacío (sin carga). Puede
ocupar los siguientes ángulos como parámetros 0 °, 25 °, 35 °, o valores similares tanto en
vacío y carga.
Paso 2:
Realice las mismas mediciones para los mismos ángulos definidos conectando una carga,
recuerde que para no dañar el panel la carga a usar para cada panel lo defini el panel según
sus datos de placa siguiendo las siguientes formula.
Carga de panel.
Rc arg a 
V max
Im ax
Paso3:
Con resistencia definida proceda a conectarla usando las resistencias de potencia y
armando la figura que aparece en la última casilla del cuadro datos.1
Potencia bajo carga
Putil  Vmedido* Im edida
Para calcular el rendimiento se hace con la formula siguiente:

Putil
Pabsorvida
Dónde:
Pabsorvid  iradiacion * Area.de mod ulo
Paso 4.
Proceda a completar el cuadro siguiente tomando en cuenta el paso anterior.
V (V)
I (A)
P (W)
n (%)
Radiacion/m^2
Inclinación (B)
Kyocera KC85T monocristalino
Modelo/tipo de panel Area superficial
Tabla 3.Toma de datos para panel Kyocera.
Paso 5: Repita el proceso de pasos (1-3) y llene la siguiente tabla.
V (V)
I (A)
P (W)
n (%)
Radiacion/m^2
Inclinación (B)
AEE Solar AE-10ST
Modelo/tipo de panel Area superficial
Tabla 4. Datos para módulo AEE-10ST
Paso 5:
Finalmente repita el procedimiento (1-3) para completar el cuadro del siguiente modelo.
I (A)
P (W)
n (%)
Radiacion/m^2 Inclinación (B)
SYMS-5
Modelo/tipo de panel Area superficial V (V)
Tabla 5 de datos módulo SYMS-5.
V. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Parte I
1) Muestre la representación de la curva I Vrs V, para los paneles en oscuridad.
2) ¿Cuál es el Voltaje de umbral de los paneles analizados y a qué valor de intensidad
sucede?
3) ¿Cuál es cambio que sufre la corriente al sobrepasar el voltaje de umbral?
4) ¿Cuál es el valor del máximo voltaje de alimentación que los paneles resistirían, que
causa la inversión de la polaridad de la ZCE.?
Parte II
1) Verificar que el voltaje de circuito abierto (VOC), es afectado o no por la variación
de temperatura muestre la gráfica de 𝑉𝑜𝑐 𝑉𝑟𝑠 𝑇.
2) A partir del gráfico obtenido en el literal anterior encontrar la curva que mejor se
acomoda a los datos del ensayo y obtener el valor de VOC para la temperatura dada
por los datos de placa y la promedio calculada de los datos experimentales.
3) Verificar que el voltaje de circuito abierto (VOC) se ve poco afectado por la variación
de irradiación solar.
4) Muestre las gráficas de potencia máxima con los datos encontrados a diferente
temperatura, y a partir de los gráficos determine los parámetros de interés.
5) Determinar el punto de máxima potencia, así como los valores de la intensidad
máxima (IM) y voltaje máximo (VM), para el panel, con los datos encontrados a
diferente temperatura.
6) Determinar el factor de forma (FF), del panel utilizado a partir de la siguiente
relación, para los datos a diferente temperatura y para la temperatura dada por el
fabricante. ¿Que concluye con los tres valores obtenidos?
𝐹𝐹 =
𝑉𝑀 𝐼𝑀
𝑉𝑂𝐶 𝐼𝑂𝐶
7) A partir de los datos encontrados como puede comprobar que “A menor temperatura
mayor potencia y viceversa”. Explique y muestre gráficamente con los datos
encontrados a diferente temperatura de cuanto es esa diferencia (Aproximada).
8) Al graficar la curva de V Vrs I, para las dos temperaturas promedios calculadas de
los datos experimentales ¿Qué ocurre con la corriente de cortocircuito del panel
fotovoltaico, Explique?
Parte III
1) Partiendo de los de los datos de la tabla1 hasta la tabla 5, realizar la curva I-V
tomando en cuenta la variación de ángulos.
2) Presente el punto de máxima potencia que alcanza cada módulo para los distintos
ángulos.
3) Realice una comparación de los tres modulo y defina cuál de ellos es más eficiente
tomando en cuenta la carga a asociada a él.
VI. INVESTIGACIÓN COMPLEMENTARIA
1. ¿Cómo se construye una célula solar?
2. ¿Qué es el gap de energía?
3. ¿Qué es la fotocorriente?
4. ¿Por qué se escoge el silicio para la fabricación de células fotovoltaicas?
5. ¿Qué es el rendimiento de una célula?
6. ¿Qué tipo de célula es la que mejor rendimiento ofrece? ¿Por qué?
7. ¿Qué es la región de carga espacial?
8. ¿Qué es la Temperatura de Operación Nominal de la Célula (TONC)?
9. ¿Qué diferencia hay entre una célula monocristalina, una policristalina y una
amorfa?
10. ¿Por qué se utiliza una lámpara alógena en los experimentos con iluminación
artificial, se podría utilizar otro tipo de lámpara?
11. ¿Tiene alguna relación el número de celdas o células con el voltaje de umbral?
12. ¿El Voltaje de Umbral depende del tamaño de la célula o panel, Explique?
13. ¿Qué significa (Mínimum Bypass Diode), en los datos de placa de los Paneles,
Explique? Y ¿Qué relación tiene con los puntos calientes?.
14. ¿Qué es el factor de forma (FF), de un panel fotovoltaico?
15. ¿Que podría mencionar de la Influencia de la conexión de las células solares en
serie o en paralelo sobre la curva I – V?
VII. BIBLIOGRAFÍA
Moro Vallina, Miguel. 2010. Instalaciones Solares Fotovoltaicas. Paraninfo.
Enriquez, Gilberto. El ABC de las instalaciones eletrica en sistemas eólicos y fotovoltaicos.
Limusa, 2011
http://www.uco.es/~fa1lolur/Docureno/fotovol08.pdf