ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Laboratorio de Energías Alternativas y Eficiencia Energética PRÁCTICA Nº 4 ENERGÍA FOTOVOLTAICA 1. OBJETIVOS 1.1. Objetivos Generales Observar experimentalmente la conversión de energía solar en energía eléctrica a través de paneles fotovoltaicos. 1.2. Objetivos Específicos Obtener curvas características para paneles fotovoltaicos de diferentes áreas de exposición. Obtener una relación entre corriente máxima obtenible y la radiación luminosa incidente. Obtener una relación entre voltaje máximo obtenible y la radiación luminosa incidente. Obtener una relación entre voltaje máximo obtenible y temperatura superficial de la placa. Obtener el factor de llenado de una célula fotovoltaica. 2. MARCO TEÓRICO 2.1. Efecto Fotovoltaico 1 Fig. 1: Efecto Fotovoltaico. El efecto fotovoltaico (FV), es la base del proceso mediante el cual una célula fotovoltaica convierte la luz solar en 1 solarfotovoltaica.galeon.com/ARCHIVOS/efecto.htm
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PRÁCTICA Nº 4
ENERGÍA FOTOVOLTAICA
1. OBJETIVOS
1.1. Objetivos Generales
Observar experimentalmente la conversión de energía solaren energía eléctrica a través de paneles fotovoltaicos.
1.2. Objetivos Específicos
Obtener curvas características para paneles fotovoltaicosde diferentes áreas de exposición.
Obtener una relación entre corriente máxima obtenible y laradiación luminosa incidente.
Obtener una relación entre voltaje máximo obtenible y laradiación luminosa incidente.
Obtener una relación entre voltaje máximo obtenible ytemperatura superficial de la placa.
Obtener el factor de llenado de una célula fotovoltaica.
2. MARCO TEÓRICO
2.1. Efecto Fotovoltaico1
Fig. 1: Efecto Fotovoltaico.
El efecto fotovoltaico (FV), es la base del proceso medianteel cual una célula fotovoltaica convierte la luz solar en
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electricidad. La luz solar está compuesta por fotones, opartículas energéticas. Estos fotones son de diferentesenergías, correspondientes a las diferentes longitudes deonda del espectro solar. Cuando los fotones inciden sobreuna célula fotovoltaica, pueden ser reflejados o absorbidos,o pueden pasar a su través.
Únicamente los fotones absorbidos generan electricidad.Cuando un fotón es absorbido, la energía del fotón setransfiere a un electrón de un átomo de la célula. Con estanueva energía, el electrón es capaz de escapar de suposición normal asociada con un átomo para formar parte deuna corriente en un circuito eléctrico.
2.2. Célula Fotovoltaica2
Una célula fotoeléctrica, también llamada fotocélula océlula fotovoltaica, es un dispositivo electrónico quepermite transformar la energía luminosa (fotones) en energíaeléctrica (flujo de electrones libres) mediante el efectofotoeléctrico, generando energía solar fotovoltaica.Compuesto de un material que presenta efecto fotoeléctrico:absorben fotones de luz y emiten electrones. Cuando estoselectrones libres son capturados, el resultado es unacorriente eléctrica que puede ser utilizada comoelectricidad.
La eficiencia de conversión media obtenida por las célulasdisponibles comercialmente (producidas a partir de siliciomonocristalino) está alrededor del 14%, pero según latecnología utilizada varía desde el 6% de las célulasde silicio amorfo hasta el 14 - 22% de las célulasde silicio monocristalino. También existen Las célulasmulticapa, normalmente de arseniuro de galio, que alcanzaneficiencias del 30%.
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Fig. 2: Célula Fotovoltaica.
2.3. Panel Fotovoltaico3
Al grupo de células fotoeléctricas para energía solar se leconoce como panel fotovoltaico. Los paneles fotovoltaicosconsisten en una red de células solares conectadascomo circuito en serie para aumentar la tensión de salidahasta el valor deseado (usualmente se utilizan 12V o 24V), ala vez que se conectan varias redes como circuitoparalelo para aumentar la corriente eléctrica que es capazde proporcionar el dispositivo.
El tipo de corriente eléctrica que proporcionan es corrientecontinua, por lo que si necesitamos corriente alterna oaumentar su tensión, tendremos que añadir un inversor o unconvertidor de potencia.
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Fig. 3: Panel Fotovoltaico.
3. APARATOS O INSTRUMENTOS
Tabla 1: Aparatos.
EQUIPAMIENTO CARACTERÍSTICASMódulo Fotovoltaico 20 W P máx = 22 +/- 10% WP
I corto circuito = 1,64 AV circuito abierto = 21,6 VI máx = 1,26 AV máx = 174 V
Módulo Fotovoltaico 100W
P máx = 100 WI = 6,14 A +/- 0,1V = 22 V +/- 0,5I operativo = 17,5 V +/- 0,5V operativo = 5,71 A +/-0,1Module Size = 1130° 670°35V máx = 600 VPower Tolerance = +/- 3%
Célula Fotovoltaica 6,5 x 4,8 cmLámpara de Irradiación650 nm
P = 110 V/AC Máx= 500 WFrecuencia = 50 – 60 Hz
Tabla 2: Instrumentos.
INSTRUMENTOS MARCA/MODELO RANGO PRECISIÓN APRECIACIÓNTermómetro ---- ---- ---- ----Voltímetro MS8209 0 – 600 V ---- 0,001Amperímetro MS8209 1 – 10 A ---- 0,001Luxómetro Seoco M56610 2000 -
1990---- 1
4. ESQUEMA
4.1. Célula Fotovoltaica
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Esquema 1
Esquema 2
4.2. Panel Fotovoltaico
Esquema 3
5. PROCEDIMIENTO
5.1. Caracterización de Paneles Fotovoltaicos
Colocar uno de los paneles fotovoltaicos en la superficiehorizontal.
Verificar la polaridad del panel.
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Conectar a la entrada del caracterizador. Verificar la magnitud del voltaje en el galvanómetro del
caracterizador. Reiniciar el caracterizador (botón reset). Dirigirse al software y colocar el puerto de comunicación. Verificar el puerto de comunicación. Colocar un nombre de celda. Obtener la curva de caracterización. Repetir el procedimiento para el otro caracterizador.
5.2. Dependencia de VOC e ISC con la Radicación
Encender la lámpara. Colocar la celda fotovoltaica debajo de la lámpara. Medir la luminosidad directamente sobre la celda
fotovoltaica. Medir la corriente en cortocircuito y el voltaje en vacío. Ubicar la celda en una zona de menor luminosidad. Repetir el procedimiento desde el tercer paso.
6. CUADRO DE VALORES
6.1. Caracterización de Celdas
Tabla 3: Datos.
Panel
Dimensiones
(cm)
Número deCeldas
Número de Gruposde Celdas en
Serie
Número de Gruposde Celdas en
Paralelo1 41,5 x
47,536 9 4
2 63 x108,8
36 9 4
3 6,5 x 4,8 1 ---- ----
6.2. Caracterización de VOC e ISC vs G. Tabla 4: Datos.
Luminosidad(lux)
VOC (V) ISC (A)
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Hallar la Potencia Máxima, Voltaje Máximo y CorrienteMáxima Obtenibles.
PotenciaMáxima(W)
VoltajeMáximo(V)
CorrienteMáxima(A)
Módulo Fotovoltaico20 W
0,6271 14,967 0,0419
Módulo Fotovoltaico100 W
0,4988 13,059 0,0382
Célula Fotovoltaica 0,0418 0,8636 0,0485
Hallar el Factor de Llenado. Factor de llenado es la razónentre la potencia máxima obtenible y el producto delvoltaje máximo y la corriente máxima.
Para el módulo fotovoltaico de 20 W:
f=Pmáx
VOC.ISC=
0,6271W(19,048V ) (0,0703A )
f=0,468
Para el módulo fotovoltaico de 100 W:
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f=Pmáx
VOC.ISC=
0,4988W(16,583V ) (0,0676A )
f=0,445
Para la célula fotovoltaica:
f=Pmáx
VOC.ISC= 0,0418W
(3,7262V ) (0,0485A )
f=0,231
Hallar la Eficiencia Máxima de la Celda. Comparar con losValores Máximos de Eficiencia Para Paneles Solares delMaterial Fabricado.
Para el módulo fotovoltaico de 20 W:
η=PmáxA.G
×100=0,6271W
(0,415m ) (0,475m) (1000W /m2 )×100
η=0,32 %
Para el módulo fotovoltaico de 100 W:
η=PmáxA.G
×100=0,4988W
(0,63m) (1,088m )(1000W /m2 )×100
η=0,073%
Para la célula fotovoltaica:
η=PmáxA.G
×100= 0,0418W(0,065m ) (0,048m) (1000W /m2 )
×100
η=1,34%
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La eficiencia de conversión media obtenida por las célulasdisponibles comercialmente (producidas a partir de siliciomonocristalino) está alrededor del 14%, pero según latecnología utilizada varía desde el 6% de las célulasde silicio amorfo hasta el 14 - 22% de las célulasde silicio monocristalino. También existen Las célulasmulticapa, normalmente de arseniuro de galio, que alcanzaneficiencias del 30%.
7.2. Caracterización de VOC e ISC vs G
Dividir la Luminosidad Para el Factor de Conversión EntreLúmenes y Vatios para la Luz Amarilla (k=710lux/W.m−2).
f(x) = 33.0227373074887 x − 2.19725102318363R² = 0.987160368845416
η vs G
G
η
8. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Al parecer los datos que se tomaron tienen ciertas variaciones,las cuales pueden ser producto de errores por parte delestudiante en la toma de los mismos, ya sea por falta deapreciación o mala posición al tomarlos. También se debeconsiderar que los datos obtenidos por el software fueron másprecisos y reales, tanto de potencias, voltajes y corrientes.
El software también nos muestra las curvas que se generan tantode potencia y corriente vs voltaje, dando una idea delfuncionamiento del módulo fotovoltaico (de 20 W y 100 W) y de lacélula fotovoltaica.
Los módulos fotovoltaicos no fueron expuestos al Sol, sino quefueron sometidos a una intensidad luminosa artificial (lámpara).En cuanto a las gráficas realizadas, podemos ver que conformeaumenta la irradiación solar (G), aumenta el voltaje de circuitoabierto (VOC), la corriente en corto circuito (ISC), y lapotencia máxima (P máx). Las gráficas tienden a ser una recta,por lo que se linealizó y se sacó la ecuación correspondiente.
9. PREGUNTAS Y PROBLEMAS
9.1. Describa el efecto fotovoltaico.
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El efecto fotovoltaico, es la transformación de la luz enelectricidad. Algunos materiales, tienen la propiedad físicade poder obtener fotones y emitir electrones, de esta formase consigue el efecto fotovoltaico. Los materialessemiconductores tienen los electrones de su capa de valenciamás ligados al núcleo, si los comparamos con los materialesconductores, pero al tener la propiedad de poder absorberfotones, les hace comportarse como si fuesen materialesconductores. Si manipulamos los materiales semiconductores,insertándoles impurezas, conseguimos acelerar el proceso.Para poder elegir el semiconductor idóneo, tenemos que teneren cuenta el ancho de banda prohibido.
Todos los materiales tienen un ancho de banda prohibido,excepto los materiales conductores. El ancho de bandaprohibido es el valor mínimo que necesita un fotón para quese pueda producir el efecto fotovoltaico en un materialsemiconductor. Se le asigna Eg para denominar la energía quese aprovecha de un fotón. En la banda prohibida no seencuentra ningún electrón, ya que es un espacio de paso deelectrones, desde la banda de valencia a la banda deconducción.
9.2. Consultar una ecuación que correlacione el voltaje, latemperatura, la corriente y la radiación incidente en unacélula fotovoltaica.
La gráfica de la corriente vs tensión de una célulafotovoltaica se describe con la ecuación:
Panel Fotovoltaico: un panel solar está constituido porvarias células iguales conectadas eléctricamente entre sí,en serie o en paralelo, de forma que la tensión y corrientesuministrada por el panel se incrementa hasta ajustarseal valor deseado.
Baterías: en las instalaciones fotovoltaicas, lo máshabitual es utilizar un conjunto de baterías asociadas enserie o paralelo para almacenar la energía eléctricagenerada durante las horas de radiación, para su utilizaciónposterior en los momentos de baja o nula insolación.
Regulador Fotovoltaico: para un funcionamiento satisfactoriode la instalación en la unión de los paneles solares con labatería ha de instalarse un sistema de regulación de carga.Este sistema es siempre necesario, salvo en el caso de lospaneles auto regulados. El regulador tiene como funciónfundamental impedir que la batería continúe recibiendo
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energía del colector solar una vez que ha alcanzado su cargamáxima. Otra función del regulador es la prevención de lasobre descarga, con el fin de evitar que se agote en excesola carga de la batería. Algunos reguladores incorporan unaalarma sonora o luminosa previa a la desconexión para que elusuario pueda tomar medidas adecuadas, como reducción delconsumo, u otras.
Inversor Fotovoltaico: los convertidores e inversores sonelementos cuya finalidad es adaptar las características dela corriente generada a la demanda total o parcial para lasaplicaciones. En determinadas aplicaciones que trabajan encorriente continua, no es posible hacer coincidir lastensiones proporcionadas por el acumulador con la solicitadapor todos los elementos de consumo. En estos casos la mejorsolución es un convertidor de tensión continua. Un inversorviene caracterizado principalmente por la tensión deentrada, que se debe adaptar a la del generador, la potenciamáxima que puede proporcionar y la eficiencia.
La conexión completa se indica en la siguiente figura:
Fig. 4: Conexión del Panel Fotovoltaico.
9.4. Enumere 5 ventajas y 5 desventajas de este sistemaenergético.
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b) Establezca que porcentaje de la energía consumida serácubierta con energía fotovoltaica.
Debido a que el consumo neto de energía es de 4264 W-hora/día, suponemos que el porcentaje que estaríacubriendo el sistema fotovoltaico sería del 34%aproximadamente.
c) Establezca la cantidad de energía diaria requerida.Multiplique por un factor de seguridad de 1,5.
Energía=(4264 Wdía )(1,5 )
Energía=6396 Wdía
d) Determine la potencia promedio de la unidad fotovoltaicarequerida.
Si usamos un panel de 120 W con dimensiones de 1650 x 990mm de 7 filas con 48 células fotovoltaicas, se tiene unapotencia de 96 W al día.
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Fig. 5: Panel Fotovoltaico.
e) Establezca el valor promedio de la radiación en lalocalización seleccionada.
Si la localización es en Quito, se estima un valor de 280a 300 W/m2 media anual.
f) Determine el área de exposición requerida.
El panel solar tiene las dimensiones de 1650 x 990 mm, de7 filas con 48 columnas de células fotovoltaicas, para untejado de 50 x 23,5 m; si se tiene 96 w con una eficienciadel 15%.
g) Determine la cantidad de paneles fotovoltaicos requeridos.
Se va a usar un panel fotovoltaico, debido al costo querepresenta la compra del mismo.
h) Con base a estos cálculos, determine qué tipo deequipamiento adicional (inversores, baterías,rectificadores) se requiere.
Se requiere de los siguientes componentes:
Inversor con cargador 24 V/3000/70 - 16/230 V. Regulador maximizador de 40 A/60 A. 12 baterías de 2 V, 1101 Ah.
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i) Estime el costo total de la inversión.
El costo de un panel solar depende del fabricante, pero engeneral el costo de una célula fotovoltaica de 3 x 6pulgadas es de $1,80. Por lo tanto si se tienen 336células fotovoltaicas, el costo aproximado de un módulofotovoltaico es de $604,80. Si también consideramos losotros equipos y la instalación, tenemos un costo total de$1200 aproximadamente.
j) Considerando un período de 20 años de uso, estime cuántocuesta el kWh generado por este método.
Si el costo es de $0,08 el kWh, tendríamos $700,8 el kWanualmente, y en 20 años se tiene $14016 kW.
10. CONCLUSIONES
Con la realización de esta práctica se pudo conocer acerca dela estructura y funcionamiento de un sistema fotovoltaico asícomo también su importancia en la actualidad, los cualestienen aplicaciones usadas en ciertos sectores.
La eficiencia de los módulos fotovoltaicos depende mucho,tanto de los materiales que se usen, de su ubicación, y de laforma en que están construidos. Es decir, los paneles debenestar ubicados en sitios donde no existan obstáculos para laluz solar, y sobre todo donde los rayos solares tengan mayorincidencia.
En los equipos solares, para obtener una óptima eficiencia,dependerán tanto de la capacidad de absorber las radiacionesy de no dejar escapar la energía recibida, razón por la cuallos materiales deben impedir en cierta forma la conduccióntérmica.
Para aumentar la eficiencia de un sistema fotovoltaico sepuede implementar un sistema de seguimiento con el fin deseguir la ubicación del Sol en determinadas horas, ademásdeben estar correctamente orientados, esto se debe a la
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latitud donde se encuentren ubicados, en la ciudad de Quito(latitud 0).
Los módulos fotovoltaicos tienen gran aplicación en paíseseuropeos, ya que es una fuente de energía alternativa, unejemplo claro es el uso de paneles fotovoltaicos para elfuncionamiento de los semáforos en España.
El uso de las energías alternativas es mínimo, ya que elcosto inmediato de la implementación es alto, pero también sedebe considerar que los beneficios a largo plazo compensaránese costo y colaboraremos con el medio ambiente.
11. RECOMENDACIONES
Poner atención a las indicaciones del guía, con el fin deevitar posibles dudas que puedan afectar en la toma de datosy el error en los cálculos.
Proporcionar los datos necesarios para poder realizar elinforme de la práctica, con el fin de evitar confusiones,sobre todo en los cálculos.
Tener cuidado en la manipulación de ciertos equipos, ya queson costosos, e incluso no se los puede encontrar fácilmenteen el mercado.
Se recomienda tener cuidado con los módulos fotovoltaicos, almomento de tomar los datos de placa.
