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Sistema Solar Fotovoltaico Elaborado por: David Varela y Marco Flores I. Objetivos Generales de la Actividad • Registrar y analizar el comportamiento caracter´ıstico de un panel de c´elulas fotovoltaicas como dispositivo transformador de energ´ıa. • Verificar la influencia de diferentes factores sobre el valor de la intensidad de radiaci´on. II. Materiales y equipo • SOLARTRAINER junior. III. Introducci´ on El Sol es una esfera de materia gaseosa constituida por 80 % de hidr´ogeno y 19 % de helio; el restante (1 %) lo constituyen much´ısimos otros elementos. En el Sol se realizan numerosas reacciones nucleares de fusi´on, ´estas son responsables de la producci´on de calor que se transmite desde el interior hasta el exterior por conducci´on, convecci´on y radiaci´on. Uno de los par´ametros m´as importantes para el estudio de la energ´ıa que puede recibirse del Sol es la constante solar (Ics ) que se define as´ı: “ energ´ıa media irradiada por el Sol en una unidad de tiempo sobre una superficie unitaria situada en el exterior de la atm´osfera terrestre y orientada perpendicularmente a los rayos solares”. Su valor es igual a 1367 W/m2 . Medianamente, el Sol dista de la Tierra 1.495 × 1011 m, esta distancia media Tierra-Sol sufre una variaci´on de ±1.7 % en el curso del a˜ no, debido a la excentricidad de la o´rbita descrita por la Tierra en su movimiento de revoluci´on alrededor del Sol. Debido a la variaci´on de la distancia Tierra-Sol, la irradiaci´on solar (Io ) se aleja del valor (Ics ) y var´ıa en el curso del a˜ no desde cerca de los 1320W/m2 hasta 1420W/m2 . Otro factor que hay que considerar es la Potencia emitida por el Sol, que es igual a 3.84 × 1026 W , mientras que la energ´ıa solar anual incidente sobre el suelo vale aproximadamente 1.515 × 1017 kW h. Al atravesar la atm´osfera terrestre la radiaci´on solar sufre diferentes fen´omenos de reflexi´on, de absorci´on acompa˜ nada de reirradiaci´on y de difusi´on. As´ı, una parte de la radiaci´on es absorbida de manera selectiva y reirradiada en todas las direcciones y, por lo tanto, con una p´erdida efectiva de intensidad de la radiaci´on incidente, una parte de la radiaci´on solar es reflejada hacia el espacio por las nubes, la parte restante alcanza directamente la superficie terrestre y constituye la radiaci´on directa. Pr´acticamente, al atravesar la atm´osfera, la irradiaci´on solar disminuye progresivamente al aumentar la capa de aire atravesado. As´ı, si se consideran el Sol en el cenit y una atm´osfera perfectamente l´ımpida de 100 km de espesor, la irradiaci´on solar perpendicular a los rayos

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incidentes pasa de los 1.367 kW/m2 al l´ımite de la atm´osfera, a aproximadamente 1kW/m2 a nivel del mar. Naturalmente, en condiciones atmosf´ericas no favorables (presencia de nubes y de humedad) se tienen atenuaciones mucho m´as importantes ya sea desde el punto de vista selectivo como desde el punto de vista del valor integrado de la irradiaci´on solar, la cual puede reducirse, a nivel del mar y con el Sol en el cenit, a valores del orden de 0, 3kW/m2 . Es importante observar que a la superficie terrestre, adem´as de la radiaci´on solar directa, llega tambi´en una parte de la radiaci´on reirradiada por las mol´eculas y de la parte difundida por los gases y el polvo en la atmosfera, las cuales constituyen globalmente la radiaci´on difusa. Esta u ´ltima est´a siempre presente, en los d´ıas de cielo completamente despejado con un porcentaje del 20 % con respecto a la radiaci´on total, mientras que en los d´ıas de cielo cubierto es la u ´nica presente. Una c´elula fotovoltaica, tambi´en llamada celda, fotoc´elula o c´elula fotoel´ectrica, es un dispositivo electr´onico que permite transformar la energ´ıa lum´ınica (fotones) en energ´ıa el´ectrica (flujo de electrones libres) mediante el efecto fotoel´ectrico, generando energ´ıa solar fotovoltaica. Compuesto de un material que presenta efecto fotoel´ectrico: absorben fotones de luz y emiten electrones. Cuando estos electrones libres son capturados, el resultado es una corriente el´ectrica que puede ser utilizada como electricidad. Al grupo de c´elulas fotoel´ectricas para energ´ıa solar se le conoce como panel fotovoltaico. Los paneles fotovoltaicos consisten en una red de c´elulas solares conectadas como circuito en serie para aumentar la tensi´on de salida hasta el valor deseado (usualmente se utilizan 12V o´ 24V ) a la vez que se conectan varias redes como circuito paralelo para aumentar la corriente el´ectrica que es capaz de proporcionar el dispositivo.

As´ı pues con este dispositivo podemos aprovechar la energ´ıa irradiada del sol que llega a la superficie de la tierra y obtener una energ´ıa limpia y renovable con el potencial de reemplazar los combustibles f´osiles. La eficiencia de conversi´on media obtenida por las c´elulas comercialmente disponibles (producidas a partir de silicio monocristalino) est´a alrededor del 14 %, pero seg´ un la tecnolog´ıa utilizada var´ıa desde el 6 % de las c´elulas de silicio amorfo hasta el 14 − 22 % de las c´elulas de silicio monocristalino.

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Tambi´en existen Las c´elulas multicapa, normalmente de arseniuro de galio, que alcanzan eficiencias del 30 %. En laboratorio se ha superado el 43 % con nuevos paneles experimentales. Con valores de eficiencia determinados en la f´abrica, y ya que se desea obtener energ´ıa a gran escala hay que maximizar la cantidad de radiaci´on recibida por los paneles fotovoltaicos. La cantidad de radiaci´on directa que llega al suelo, a la misma hora solar y para el mismo d´ıa, depende de dos factores principales:

a) de las condiciones atmosf´ericas: ´estas son determinantes ya que la irradiaci´on al suelo se reduce sensiblemente cuando en la atm´osfera se halla presente una fuerte concentraci´on de humedad. En efecto, la presencia de nubes modifica la distribuci´on espectral de la radiaci´on solar que llega al suelo. b) del a´ngulo de latitud L del lugar de observaci´on (definido como ´angulo formado por la recta que pasa por la localidad considerada y el centro de la Tierra, con el plano ecuatorial; es positivo en el hemisferio septentrional y negativo en el hemisferio meridional). En efecto, v´ease la situaci´on esquematizada por la Fig.1, que corresponde al mediod´ıa solar de un equinoccio (direcci´on de los rayos solares paralela al plano ecuatorial). Como puede observarse, al aumentar la latitud L - es decir, desplaz´andose desde el ecuador hacia el polo Norte, el Sol baja cada vez m´as en el horizonte, es decir que su distancia cenital y, por ende, la masa de aire

Figura 1: Influjo de la latitud en el valor de la radiaci´on solar directa.

atravesada por la radiaci´on solar aumentan. Adem´as, si se considera una superficie dispuesta horizontalmente sobre la Tierra, respecto a la cantidad de rayos solares incidentes, se podr´a ver siempre en la Figura 1 que desplaz´andose desde el ecuador hacia el Polo Norte se pasar´a de una radiaci´on solar m´axima (L = 0o ) a una radiaci´on nula (L = 90o ). Tambi´en hay que tomar en consideraci´on el movimiento de revoluci´on anual de la Tierra alrededor del sol (traslaci´on) y el ´angulo de inclinaci´on respecto al plano de rotaci´on, estos hechos provocan grandes cambios en la cantidad de radiaci´on solar incidente en la Tierra, los que dan origen a las estaciones del a˜ no.

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Con estos factores podemos seleccionar la posici´on y orientaci´on de los paneles solares para obtener la mayor cantidad de radiaci´on solar y por ende una mayor producci´on de energ´ıa el´ectrica. Para esta actividad lo que nos interesara ser´a analizar el comportamiento caracter´ıstico de las c´elulas fotovoltaicas como dispositivo transformador de energ´ıa y verificar cuantitativamente la dependencia de la producci´on de energ´ıa de algunos de los factores mencionados anteriormente. IV. Actividad Pr´ actica A continuaci´on se describen diferentes procedimientos para analizar las principales caracter´ısticas de una celda fotovoltaica, es as´ı que se realizaran varios experimentos cortos, que nos servir´an para evaluar la capacidad y efectividad de la c´elula fotovoltaica en la producci´on de energ´ıa el´ectrica. Para los siguiente experimentos, realice el montaje del sistema SOLARTRAINER (Figura 2) sobre una mesa de aproximadamente unos 80 cm de ancho. Para mejores especificaciones revise el manual de usuario. • Primero se realizar´a una comparaci´on entre la intensidad de radiaci´on de diferentes fuentes de luz, tambi´en se analizara la relaci´on entre el valor de la intensidad y la distancia entre la fuente y el punto de medici´on. 1. Conecte los casquillos de conexi´on del sensor de intensidad de radiaci´on a un mult´ımetro, coloque el conmutador de campo del mult´ımetro en la posici´on de DCV 2.000mV.

Figura 2 2. Mantenga la superficie del sensor en direcci´on a la fuente de luz, para que d´e por resultado el valor m´aximo de medici´on. La superficie del sensor ni de la c´elula deben ser sombreados durante la medici´on. 3. Dado que el abastecimiento de energ´ıa del instrumento se efect´ ua por medio de una c´elula solar, el sensor reacciona a partir de una intensidad de radiaci´on de 15W/m2 . As´ı, una intensidad de radiaci´on bajo los 15W/m2 puede indicarse valores falsos. 4

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4. Realice las mediciones a diferentes distancias de cada una de las fuentes de luz para completar la tabla. Fuente de luz

Intensidad de radiaci´on (W/m2 ) / a distancia

Intensidad de radiaci´on (W/m2 ) / a distancia

Intensidad de radiaci´on (W/m2 ) / a distancia

Luz ambiental Iluminaci´on interior Reflector grado 10 Sol Cuadro 1: Valor 7 % Observando los resultados mostrados que conclusiones puede obtener del experimento. Valor 7 %

• Ahora observaremos la c´elula solar como transformador de energ´ıa. 1. Coloque la unidad de la c´elula solar en la escala de inclinaci´on de 90o . 2. El brazo de la l´ampara se encuentra en posici´on “ sur el regulador de claridad en grado 10. 2

3. Conecte a los casquillos de conexi´on de una de las celdas fotovoltaicas las l´ıneas de uni´on y conecte el electromotor, luego invierta la polaridad de los cables conexi´on y observe el electromotor. 4. Ajuste las distintas intensidades de radiaci´on en el regulador de claridad y observe que sucede con el electromotor. 5. Conecte el LED y repita lo que hizo para el electromotor. Anote sus observaciones del experimento. Valor 8 %

Cuando la c´elula solar no est´a conectada a alguna carga existe en los contactos exteriores una tensi´on medible, es decir una tensi´on el´ectrica (voltaje) o potencial para producir una corriente el´ectrica, la tensi´on en vac´ıo VL .

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• Con el siguiente experimento mediremos la tensi´on en vac´ıo de una c´elula solar y observaremos su comportamiento para diferentes grados de sombreado. 1. El brazo de la l´ampara se encuentra en posici´on “sur” y el regulador de claridad en grado 10. 2. Conecte una celda solar con los cables de uni´on a uno de los mult´ımetros. 3. Ajuste el mult´ımetro en la posici´on “DCV 2.000mV ”. 1 4. Tapar totalmente la c´elula solar con la chapa de sombreado a , medir la tensi´on en 1 vac´ıo y registrar el valor a la tabla. 1 1 5. Continuar con de cubierta, de cubierta y sin cubierta y medir cada vez la tensi´on. 2 4 Registrar los valores en la tabla siguiente, en el diagrama y unir los puntos. Superficie radiada de la c´elula solar Tensi´on en vac´ıo (mV )

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Cuadro 2: Valor 8 %

Figura 3: Valor 8 %

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Observando los resultados mostrados que conclusiones puede obtener del experimento. Valor 8 %

• Al unir los contactos exteriores de la celda solar con un conductor, fluye la m´axima corriente posible, la corriente de cortocircuito Ik . ¿Hasta qu´e punto depende la corriente de corto circuito de la superficie de la c´elula solar radiada? Realizaremos el mismo procedimiento que con el voltaje de vac´ıo, para contestar esta pregunta.

1. El brazo de la l´ampara se encuentra en posici´on “ sur el regulador de claridad en grado 10. 2

2. Conecte una celda solar con los cables de uni´on a uno de los mult´ımetros. 3. Ajuste el mult´ımetro en la posici´on “ DCA2.000mA”. 1 4. Tapar totalmente la c´elula solar con la chapa de sombreado a , medir la tensi´on en 1 vac´ıo y registrar el valor en la tabla siguiente. 1 1 5. Continuar con de cubierta, de cubierta y sin cubierta y medir cada vez la tensi´on. 2 4 Registrar los valores en la tabla y en el diagrama y unir los puntos Superficie radiada de la c´elula solar Corriente de cortocircuito (mA)

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Cuadro 3: Valor 8 %

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Figura 4: Valor 8 % Observando los resultados mostrados que conclusiones puede obtener del experimento. Valor 8 %

Esta parte se ha removido de la pr´ actica por cuestiones de tiempo. • Ahora analizaremos el comportamiento tanto de la tensi´on de vac´ıo como de la corriente de cortocircuito cuando la celda solar es sometida a distintas intensidades de radiaci´on. 1. Conecte las dos c´elulas centrales en paralelo, esto se realiza por causa de la mejor definici´on con altas corrientes pero demuestra por principio el mismo resultado que una c´elula individual. 2. Al principio se conecta un mult´ımetro como medidor de tensi´on en la c´elula solar, el conmutador de campo tiene que estar ajustado en la posici´on “DCV 2.000mV ”. 3. El brazo de la l´ampara se encuentra en la posici´on “sur ”, el regulador de claridad en el grado 0. 4. Para determinar la intensidad de radiaci´on conecte los casquillos del sensor para intensidad de radiaci´on a un mult´ımetro ajustado en la posici´on “DCV 2.000mV ”. 8

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5. Mantenga el sensor centrado con la parte trasera sobre la superficie de la c´elula solar conectada. 6. Ajustar el regulador de claridad de 0–10, distintas intensidades de radiaci´on y registrar los valores de tensi´on en la tabla siguiente. 7. A continuaci´on conectar el mult´ımetro como amper´ımetro y ajustarlo en la posici´on de “DCA2.000mA”. 8. Variar igualmente el regulador de claridad, y anotar los valores de corriente de cortocircuito en la tabla. 9. Registrar los valores en el diagrama y unir los puntos de medici´on. Intensidad de radiaci´on (W/m2 ) Tensi´on de vac´ıo (mV ) Corriente de cortocircuito (mA) Observando los resultados mostrados que conclusiones puede obtener del experimento.

• El a´ngulo de incidencia de la luz solar con respecto a la tierra, cambia con hora del d´ıa y la estaci´on del a˜ no. As´ı por ejemplo, los rayos solares por la ma˜ nana en una c´elula solar fija dan en un distinto ´angulo que al medio d´ıa, entonces para nuestro u ´ltimo experimento revisaremos el comportamiento de la corriente de cortocircuito de la c´elula solar para distintos ´angulos de inclinaci´on y obtener una relaci´on entre a´ngulos de incidencia de la luz y la corriente de cortocircuito. 1. Conecte el par de celdas centrales en paralelo y conecte el mult´ımetro como amper´ımetro para medir la corriente de cortocircuito del sistema, ajuste el mult´ımetro en la posici´on de “DCA2.000mA”. 2. El brazo de la l´ampara se encuentra en posici´on sur, el regulador de claridad se encuentra en grado 10. 3. Ajustar de momento la carcasa de la c´elula solar a la posici´on de 90o , mida la corriente de cortocircuito y registre el valor en la tabla. 4. Ahora gire la carcasa de la c´elula solar en pasos de 15o hasta la posici´on “0 registre cada vez los valores de la corriente en la tabla y en el diagrama y una los puntos de medici´on. 2

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Magnitud angular α(o ) Corriente de cortocircuito (mA)

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60

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45

30

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Observando los resultados mostrados que conclusiones puede obtener del experimento.

V. Cuestionario 5 % cada pregunta. 1. ¿Qu´e es un piran´ometro y un heli´ografo? 2. ¿Qu´e es el Cenit y cu´antas veces se da al a˜ no en Honduras? 3. ¿A qu´e latitud y longitud se encuentra aproximadamente Tegucigalpa? 4. ¿De qu´e materiales son fabricadas com´ unmente las c´elulas fotovoltaicas? 5. ¿Cu´ales son los distintos tipos de paneles fotovoltaicos y cu´al es la eficiencia de cada uno de ellos? Tambi´en compare otras de sus caracter´ısticas principales. 6. Mencione y explique 5 ventajas de los sistemas fotovoltaicos.

V. Referencias,

1. Panel fotovoltaico, Manual de teor´ıa y de funcionamiento. Electr´onica V´eneta. 2. SOLARTRAINER junior, Experimentos con c´elulas solares.

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