Nota Técnica

Desarrollo de un sistema para la medición de la eficiencia energética de celdas solares

MSc. Ivelisse Almanza-Fundora^{I  *} 

Lic. Regla Ramona García-Fernández^I 

Dr.C. Francisco García-Reina^I 

^IUniversidad de Ciego de Ávila Máximo Gómez Báez, Facultad de Ciencias Técnicas, Ciego de Ávila, Cuba.

RESUMEN

El presente trabajo muestra el desarrollo de un sistema para la medición de la potencia luminosa solar y la potencia eléctrica generada por las celdas solares de un panel fotovoltaico, con el fin de evaluar la eficiencia energética en la conversión de la energía luminosa en energía eléctrica. Para esto lo primero es calibrar la potencia luminosa que emite una lámpara de tungsteno, teniendo en cuenta la temperatura del filamento y la emitancia del tungsteno en función de la temperatura y la longitud de onda. La temperatura del filamento se determina midiendo la resistencia en función del voltaje y el amperaje de alimentación del filamento y usando la dependencia de la resistividad del tungsteno con la temperatura. La potencia luminosa que emite el filamento es calibrada con fototransistores y fotodiodos patrones Siemens, en unidades fotoeléctricas (en lux, lx) y en unidades energéticas (W/m²⁾. Con las características I-V de la celda, el voltaje a circuito abierto Voc y la intensidad de la corriente en cortocircuito Isc se determina la potencia eléctrica máxima suministrada por la celda, la cual dividida entre la potencia luminosa proporciona el valor de la eficiencia de conversión de energía luminosa en eléctrica por la celda fotovoltaica. Las celdas estudiadas tienen un voltaje a circuito abierto (Voc) de 4,6 V, una intensidad de la corriente en cortocircuito (Isc) de 87 mA y una eficiencia de 12,4% con una irradiación de 399,6 W/m².

Palabras clave: potencia luminosa solar; potencia eléctrica; panel fotovoltaico

INTRODUCCIÓN

En la búsqueda de fuentes de energías alternativas, pero a su vez para proteger el medio ambiente, los Gobiernos contemporáneos han tomado la decisión de utilizar el Sol como una gran fuente de energía ya que es infinita e inagotable. En Cuba, a partir de la Revolución Energética impulsada por el Comandante en Jefe Fidel Castro Ruz desde principios de la década pasada, se viene desarrollando un gran esfuerzo en el desarrollo de sistemas para el aprovechamiento de la energía solar, tanto para el calentamiento directo, como en su conversión en energía eléctrica en paneles solares fotovoltaicos. La importancia de este tema es tal en la actualidad que ha quedado reflejada en el Lineamiento No. 253 de la Política Económica y Social de la Revolución trazada en el 6to Congreso del Partido Comunista de Cuba PCC ^{(Partido Comunista de Cuba) (2011)}, en cuanto al desarrollo de sistemas confiables y precisos de medir los recursos energéticos con los que cuenta el país, con especial relevancia a la energía solar.

En los sistemas fotovoltaicos es imprescindible medir la eficiencia de las celdas solares, ya que esto permite saber cuánta potencia de radiación solar (W/m²) absorbe cada una de esta, para lo cual hay que conocer además con precisión cuanta energía solar llega a cada locación por unidad de área en un segundo (^{Daniels, 1981}). Luego, la cantidad de energía solar y la eficiencia de conversión de esta en energía eléctrica son los dos parámetros fundamentales a medir y controlar en todo sistema fotovoltaico de aprovechamiento de la energía solar (^{Böer, 1979}; ^{Green, 1982}; ^{Alan et al., 1990}; ^{Bacus, 2001}; ^{Doherty y Malone, 2001}; ^{Ginley et al., 2008}).

Para comprender mejor la esencia de este trabajo es conveniente preguntarse: ¿qué es la energía solar? Es la energía radiante producida en el Sol, como resultado de reacciones nucleares de fusión, que llegan a la Tierra a través del espacio en paquetes de energía llamados fotones (luz), que interactúan con la atmósfera y la superficie terrestres. Sin la presencia del sol no existiría vida en la tierra (^{Kreith y Kreider, 1978}; ^{Iqbal, 1983}; ^{Manrique, 1984}; ^{Nelson, 2003}; ^{Espejo Marín, 2004}). El planeta sería demasiado frío, no crecerían las plantas ni habría vida alguna, excepto algunas Bacterias. Los recursos energéticos provienen directa o indirectamente del sol. Los combustibles fósiles son plantas y árboles muy antiguos, que crecieron gracias a la luz solar y han sido comprimidos durante millones de años. La energía eólica y la hidráulica son generadas mediante procesos conducidos por el sol (^{Meinel y Meinel, 1982}; Manrique, 1984; ^{Ginley et al., 2008}; ^{Morales, 2014}). La madera para combustible es obtenida de los árboles, los cuales no podrían crecer sin luz solar (^{Kreith y Kreider, 1978}; ^{Böer, 1979}; ^{Daniels, 1981}; ^{Espejo Marín, 2004}; ^{Berri, 2014}). La conversión de la radiación solar en energía eléctrica se realiza por medio de celdas fotovoltaicas (^{Bacus, 2001}; ^{Doherty y Malone, 2001}; ^{Ginley et al., 2008}).

La eficiencia de las celdas solares es determinante para reducir los costos de los sistemas fotovoltaicos, ya que su producción es la más cara de todo el sistema (^{Iqbal, 1983}). El efecto fotovoltaico se produce cuando el material de la celda solar (silicio u otro material semiconductor) absorbe parte de los fotones del sol. El fotón absorbido libera a un electrón que se encuentra en el interior de la celda. Realmente la eficiencia de la celda es la relación entre la cantidad de electrones liberados para conducción eléctrica y la cantidad de fotones de luz que llegan a la celda y es llamada eficiencia cuántica interna (^{Böer, 1979}; ^{Harper, 2000}; ^{Doherty y Malone, 2001}; ^{Bahnemann, 2004}; ^{Berri, 2014}).

De aquí se desprende que es necesario medir con precisión y confiabilidad la eficiencia energética y la potencia eléctrica que entregan los paneles solares para cada aplicación en específico.

Determinándose como situaciones problémicas, el bajo aprovechamiento de la energía solar en Cuba y en la provincia, desconocimiento de los parámetros fundamentales de las celdas solares y su modo de empleo, no existencia de mediciones de las variables energéticas solares y la falta de equipamiento y metodologías de medición de la energía solar y la eficiencia de las celdas y paneles solares (^{Kreith y Kreider, 1978}; ^{Espejo Marín, 2004}; ^{Meinel y Meinel, 2013}; ^{Berri, 2014}).

Se declara como objetivo de la investigación desarrollar un sistema para la medición de la eficiencia energética de celdas solares, para su empleo en el diseño y montaje de sistemas de paneles fotovoltaicos con el fin de un uso racional y eficiente de la energía solar.

El fenómeno fotovoltaico se determina a nivel atómico al poder incidir un fotón en el enlace entre dos átomos y romperlo, para que se permita esta ruptura en el enlace con poca energía es necesario que el átomo sea inestable, esto es, que tenga incompleta su banda de valencia y el número de electrones ahí contenidos sea diferente de ocho (^{Shah et al., 1999}; ^{Harper, 2000}; ^{Wolfgang, 2002}; ^{Würfel, 2005}; ^{Ginley et al., 2008}). Los materiales que presentan esta característica en sus átomos son los semiconductores (^{Boer y Bhattacharya, 1994}). En un semiconductor puro la corriente producida por el movimiento de los electrones es insignificante debido al bajo valor de portadores libres, por lo que se le añaden impurezas al material para aumentar los portadores libres, el nuevo material obtenido es llamado semiconductor extrínseco. La luz está compuesta de un conjunto de radiaciones electromagnéticas de alta frecuencia, a este rango se le llama espectro luminoso (^{García y Boix, 1996}; ^{Shah et al., 1999}; ^{John y William, 2006}; ^{Meinel y Meinel, 2013}).

MÉTODOS

Determinación de la intensidad de la radiación emitida por el filamento

La intensidad de la radiación o irradiancia E emitida por un cuerpo negro es proporcional a la temperatura absoluta elevada a la cuatro, según la ley de Stefan- Boltzmann:

$E=E=\sigma ·T^4$ (1)

donde:

$\sigma$ es la constante de Stefan-Boltzmann. Para los cuerpos grises como el filamento de tungsteno:

$E=E=\epsilon \left(T\right)·\sigma ·T^4$ (2)

donde:

$\epsilon$ (T) es la emitancia del tungsteno que también es función de la temperatura.

Luego conociendo la temperatura del filamento se puede determinar la irradiancia o potencia luminosa radiada por unidad de área del filamento (en unidades de W/m²)

Determinación de la temperatura T del filamento

La medida de la temperatura del filamento se realiza indirectamente, midiendo su resistencia en función de la temperatura. Para un filamento de volframio, su resistencia se relaciona con la temperatura de acuerdo con la ecuación.

$R\left(T\right)=R0(1+\alpha T+\beta T2)$ (3)

donde:

T es la temperatura en grados centígrados, y los coeficientes α y β, valen para el volframio respectivamente, α = 4.82 10-3 / K y β = 6.76 10-7 /K² .

La resistencia del filamento R(T) se calcula aplicando la ley de Ohm, a partir de las indicaciones del voltímetro y del amperímetro.

La potencia de la lámpara es el producto V·I

Despejando t y teniendo en cuenta que la temperatura absoluta T del filamento es T=t+273, obtenemos.

Y la resistencia a 0 ºC es:

La emisividad del filamento viene dada por:

$\epsilon \left(T\right):=-0.02071284+1.73311816\cdot 10-4\cdot T+-1.99182555\cdot 10-8\times T2$ (4)

la irradiancia total en función de la temperatura.

MATERIALES

Bombillo Tungsteno 12 Voltio

A continuación, en la Figura 1 se mostrará el foco de referencia utilizado para comprobar la calibración del sensor utilizado.

FIGURA 1 Foco de referencia. 

Sensor de luz B04

En la Figura 2 se muestra el sensor utilizado para obtener la intensidad lumínica, formado por un fototransistor ST-1KL3A de la firma coreana Kodenchi.

FIGURA 2 Sensor de iluminación. 

El esquema del transistor se presenta en la Figura 3 junto a su característica corriente colector vs. luminancia. En la Figura 3 se observa el esquema eléctrico del sensor utilizado para poder hallar la emisividad (W⁄m²) del bombillo de tungsteno, se encuentra un fototransistor de referencia ST-1KL3A y una resistencia comercial de 10KΩ de precisión (Se midió la resistencia en el equipo XJ2811C LCR METER (Figura 3 dando como resultado 9,991 KΩ), en paralelo a esa resistencia se encuentra un capacitor cerámico, comercial de 103 (Se midió el capacitor en el equipo XJ2811C LCR METER (Figura 3 dando como resultado 8,787 pF).

FIGURA 3 Diagrama del sensor de iluminación y sus características opto-amperican. 

Celda solar

Para este trabajo se utilizó una celda solar de baja potencia (Figura 4). La selección se hizo de acuerdo a las opciones presentes en el mercado y seleccionando la de mejores características eléctricas. Los parámetros tenidos en cuanta fueron entre otros; Potencia, Voltaje máximo, Corriente máxima etc.

FIGURA 4 Celda Solar utilizada. 

Las características eléctricas de las celdas son:

• Tamaños 54.50mm x 54.50 mm

• Máxima potencia (Pm) = 0.414W.

• Máximo voltaje de trabajo óptimo (Vm) = 4.6V.

• Máxima corriente activa óptima (Im) = 90mA.

• Voltaje de circuito abierto (VOC) = 5V.

• Corriente de corto circuito (ICC) = 100mA.

Servomotor

Se utilizan dos servomotores de serie Towardpro MG9965, como se puede apreciar en la Figura 5

FIGURA 5 Servomotor Towardpro MG9965. 

Especificaciones

• Peso: 55 g

• Dimensiones: 40,7 x 19,7 x 42,9 mm aprox.

• Torque de eje: 9.4 kgf∙cm (4,8 V), 11 kgf∙cm (6 V)

• Velocidad operación: 0,17 s/60º (4,8 V), 0,14 s/60º (6 V)

• Voltaje de operación: 4,8 V a 7,2 V

• Rango de corriente 500 mA--900 mA (6V)

• Dead band width: 5 μs

• Rango de Temperatura: 0 ºC-55 ºC.

Arduino Mega 2560 (Figura 6)

FIGURA 6 Placa del Arduino Mega 2560 35. 

El Arduino Mega 2560 es una placa electrónica basada en el Atmega 2560. Cuenta con 54 pines digitales de entrada / salida (de los cuales 15 se pueden utilizar como salidas PWM), 16 entradas analógicas, 4 UARTs (puertas seriales), un oscilador de 16MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, una cabecera ICSP, y un botón de reinicio. Contiene todo lo necesario para apoyar el microcontrolador; basta con conectarlo a un ordenador con un cable USB o el poder con un adaptador de CA o la batería a CC para empezar. La Mega es compatible con la mayoría de los escudos diseñados para el Arduino Duemilanove o Diecimila.

Con el voltaje y la corriente y aplicando la ley de Ohm (Ecuación 5), se puede determinar la resistencia de la bombilla de tungsteno.

Midiendo la potencia eléctrica en la fotocelda y sabiendo el área de la celda solar se puede hallar la eficiencia de la celda solar:

${\eta }_{celd{a}_j}:=\frac{P_{EleCe{l}_j}}{E_{celd{a}_j}\cdot A_{celda}}\cdot {10}^3$ (5)

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Determinación del poder emisivo total del foco

Aplicando la ecuación 3, se determinó la resistencia del filamento de la lámpara de tungsteno en variación con la temperatura. R0=3,17 Ω/°C, la temperatura ambiente es de 28 °C, La resistencia del filamento medida en un RLC arrojó 3,6 Ω. (Figuras 7 y 8).

FIGURA 7 Toma de las medidas del sensor de luz. 

FIGURA 8 Gráfica del Voltaje vs Corriente. 

En la Figura 9 se observan la gráfica que se obtuvo de Voltaje y la corriente del bombillo de tungsteno cunado se varia el voltaje de la fuente de 4 V a 12 V, en este caso es lineal.

A partir de la ecuación de temperatura absoluta del filamento que esta dado en K se puede relacionar con la corriente suministrada por el sensor de iluminación que se encuentra en la Figura 9. Como se puede apreciar en una excelente correlación (R2 = 0,978) con la ley de Stefan-Boltzmann de una dependencia con T⁴.

FIGURA 9 La relación de la corriente del colector del sensor iluminación con la temperatura absoluta del filamento. 

En la Figura 10 se presenta el montaje para la medición de la eficiencia de la celda solar, con el diagrama para calcular la potencia que llega a esta desde el filamento.

FIGURA 10 Medición de la eficiencia de la foto celda. 

A partir de la ecuación del vector intensidad del campo eléctrico en función del filamento se obtiene el flujo luminoso que llega a la celda fotoeléctrica. Este se correlacionó con el dado por la medición de la fotocorriente del fototransistor y están en concordancia con un 96% ce coincidencia entre ambas mediciones del flujo luminoso en la celda. Luego el error máximo en la medición de la irradiancia y por tanto de la eficiencia no sobrepasa el 4%.

En el siguiente gráfico (Figura 11) se presenta la relación entre la potencia eléctrica que entrega la fotocelda con la iluminancia que recibe del filamento de tungsteno:

FIGURA 11 Potencia eléctrica en función de la potencia luminosa. 

Midiendo la de la potencia eléctrica en la fotocelda y sabiendo el área de la celda solar se puede hallar la eficiencia de la celda solar, en la Figura 12 se muestra la eficiencia de la celda con el flujo que llega a la celda

FIGURA 12 La eficiencia de la celda con el flujo que llega a la celda. 

Luego con una irradiancia máxima de 399,4 W/m² esta celda tiene una eficiencia de conversión de energía luminosa en eléctrica de un 12,4%.

CONCLUSIONES

• Se desarrollaron fuentes calibradas de luz con lámparas incandescentes de tungsteno de alta precisión, con potencia luminoso controlada desde 0 hasta 400 W/m²

• Se montaron sensores calibrados de radiación luminosa en correspondencia con las fuentes patrones de luz desarrollados, lo que permite obtener una respuesta medible de fotoceldas a la radiación luminosa.

• Se estudiaron 4 celdas solares de alta calidad para las que se obtuvieron como valores medios un voltaje a circuito abierto Voc = 4,6 V, una intensidad de la corriente en cortocircuito Isc de 87 mA, con una irradiación de 399,6 W/m².

• La eficiencia de conversión de la energía solar en energía eléctrica por las celdas solares fue de 12,4%.

REFERENCES

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Recibido: 15 de Enero de 2018; Aprobado: 10 de Diciembre de 2018

^*Autor para correspondencia: Ivelisse Almanza-Fundora, e-mail: [e-mail]