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IE1117 - Temas especiales II en máquinas eléctricas: Energía solar
fotovoltaica
TAREA 3
Josué Otárola Sánchez
A84674
Ejercicio 2: Cambio de polaridad en la celda solar
El montaje realizado se resume en la figura 1, el objetivo del experimento es observar el funcionamiento
de la celda solar como transformador de energía ( de energía radiante a energía eléctrica) alimentando
directamente un motor.
Figura 1: Montaje experimental realizado para observar la celda como un transformador de energía.
OBSERVACION 2:
Al cambiar la polaridad de conexión del motor, se cambia la dirección de giro del mismo, esto se
entiende si se considera la celda solar como una fuente de corriente constante. Al cambiar la polaridad
de las conexiones se cambia el sentido del campo magnético inducido en el rotor del motor DC,
provocando un cambio en el giro de este rotor.
EJERCICIO 3: Celda solar como diodo
El montaje para este ejercicio se muestra en la figura 2. Se estudian 4 escenarios:
1. La celda solar trabajando sin ser sombreada
2. la celda solar trabajando sin ser sombreada y con la polaridad invertida.
3. La celda solar sin radiación.
4. La celda solar sin radiación y con la polaridad invertida
Se debe de hacer notar que el acumulador (capacitor) utilizado en este circuito se encuentra
previamente cargado. Por lo que existe una tensión generada por este acumulador (VACU)
Figura 2: Montaje del circuito con la polaridad invertida y con y sin radiación
OBSERVACION 3:
Para el caso 1 se observa el motor girando en sentido horario. La celda fotovoltaica se encuentra
expuesta radiación por que genera una diferencia de potencia en sus terminales (VCEL). La tensión que va
a existir en los terminales del motor se puede expresar como:
1
=
−
2
=
+
Si se cambia la polaridad de la celda (caso 2) la tensión en la carga ( el motor) va a ser:
Dado que la carga se mantiene constante a mayor tensión, mayor será la corriente que induce un campo
magnético en el motor resultando en que si se cambia la polaridad de la celda va a aumentar la
velocidad del motor.
Ahora si se vuelve a la polaridad original pero se bloquea la radiación (caso 3) en el panel solar, la
tensión en la carga será:
3
=
Se obtiene una tensión aún menor que la del caso 1, por lo que la velocidad de giro del motor
disminuye.
Para el caso 4 se debe recordar que la celda fotovoltaica es un semiconductor que al perder su papel
activo (no tener radiación) y no generar tensión se comporta como un diodo, ya que su unión P-N
permite el flujo de electrones principalmente en un único sentido. Al no estar la celda activa el circuito
equivalente es la figura 3. Si se cambia la polaridad de la celda se cambia la polaridad del diodo y la
única corriente que llega al motor es la corriente de fuga del diodo, la corriente inversa de saturación.
Figura 3: Celda fotovoltaica sin ser excitada, trabajando como diodo semiconductor
EJERCICIO 4 Y 5: Efecto de la disminución del área efectiva de la celda fotovoltaica en la tensión de
vacio y corriente de corto circuito.
La configuración del circuito para el ejercicio 4 y 5 se muestra en la figura 4; el ejercicio consiste en
bloquear parcialmente la celda solar para disminuir su área activa. Los resultados se resumen en la
figura 5.
Figura 4: Circuito de medición del efecto de la disminución del área activa
Figura 5: Influencia del área active del panel en la corriente y tensión en sus terminales.
OBSERVACION 4:
Como era de esperarse la tensión de Vacío (Voc), a excepción del caso de exposición 0, varia muy poco
respecto al area del panel que este expuesto a radiacion. Esto se explica por que la tension que genere
el panel es propia de los materiales de construcción del panel y no dependen de la radiación a la que
este expuesto el panel. La tension del panel es más suceptible a cambios en la temperatura. Que
desplazan la curva característica del panel ( ver figura 6)
Figura 6: Curva I-V de una célula fotovoltaica a diferentes temperaturas.
OBSERVACION 5:
La corriente que se obtiene del panel fotovoltaico si es muy susceptible a cambios en el área activa del
panel. Una mayor área de captación equivale a una mayor potencia luminosa recibida, entones el valor
de la corriente fotogenerada de una celda solar dependerá del tamaño de su área. La relación entre área
y corriente de salida es una relación directamente proporcional. Así si se disminuye el área del panel en
un 50% la corriente caerá en un 50 %. Si se tapa una fracción del área se puede decir que la radiación
efectiva que absorbe el panel disminuye por lo que se evidencia el comportamiento esperado de una
celda fotovoltaica cuya curva I-V sufre desplazamientos en Isc al aumentar o disminuir la radiación
incidente.
Figura 7: Curva I-V de un panel fotovoltaico ante diferentes valores de radiación
EJERCICIO 6: Tensión en vacío y corriente de corto circuito en función de la intensidad de radiación
El montaje experimental realizado se muestra en la figura 8, en este caso se regula la radiación incidente
en la celda y se mide su corriente de corto circuito y su tensión de circuito abierto. Los resultados se
resumen en la figura 9
Figura 8: Circuito realizado para encontrar la función de tensión de vacío y corriente de corto circuito en términos de la radiación
Figura 9: Tensión de circuito abierto y corriente de corto circuito en función de la irradiancia en una celda fotovoltaica.
OBSERVACION 6
Como se mencionó en la sección anterior y se evidencia en la figura 9, la corriente de corto circuito es la
variable que se ve más afecta por la irradiancia. Según la curva característica de un panel, mostrada en
la figura 8, el comportamiento fue el esperado. La corriente fotogenerada es proporcional a la
irradiancia. El cambio en la tensión de circuito abierto es mínimo.
EJERCICIO 7: Relación entre el ángulo de incidencia de la luz a la celda solar y la intensidad de la
corriente de corto circuito.
El montaje realizado se muestra en la figura 10, en este caso se regula el ángulo de inclinación de la
celda fotovoltaica. Los resultados se resumen en la figura 11
Figura 10: Circuito para la medición de la relación entre Angulo de inclinación y corriente de cortocircuito
Figura 11: Corriente de corto circuito en funcion del Angulo de la celda fotovoltaica
OBSERVACION 7
El comportamiento observado en la figura 11 se entiende al conocer la definición de irradiancia o
intensidad de radiacion. La irradiancia de define como la potencia de radiación incidente en un área
transversal:
=
Al darle cierta inclinación al panel se modifica el área transversal efectiva se obtiene una disminución
de la irradiancia. Una reducción de la irradiación provoca una disminución proporcional de la corriente
de corto circuito.
La máxima irradiancia se obtiene cuando el panel es perpendicular a la fuente de radiación.
EJERCICIO 8: Reacción dee las celdas solares al ser con
conectadas en serie
El circuito ejecutado se muestra en la figura 12, se mon
monitoreo
itoreo la tensión y la corriente al conectar varias
celdas solares en serie, los resultados se resumen en la figura 13-14.
Figura 12: Conexión en serie de celdas fotovoltaicas
Figura 13:: Comportamient
Comportamiento de la corriente y la tensión al conectar celdas fotovoltaicas en serie
Figura 14:: Efecto del sombreado en una celda conecta en serie
OBSERVACION 8.
La figura 13 evidencia que las celdas fotovoltaicas conectadas en serie tienen un efecto aditivo en la
tensión de circuito abierto:
Mientras que la corriente de corto circuito se mantiene constante:
Al sombrear una de las celdas conectadas en serie, se observa una caída en las dos variables: tensión y
corriente. La tensión de circuito abierto disminuye principalmente al sombrear totalmente una de las
celdas, dado que esto resta un factor de la suma en serie, mientras que la corriente de corto
cor circuito cae
más pronunciadamente al depender de la irradiancia que incide a la celda.
EJERCICIO 9: Reacción de las celdas solares al ser conectadas en paralelo
La conexión realizada se muestra en la figura 15, los datos obtenidos del monitoreo de la corriente y
tensión se muestran en la figura 16
16-17.
Figura 15: Conexión en paralelo de celdas fotovoltaicas
Figura 16:: Comportamiento de la tensión y corriente al conectar celdas fotovoltaicas en paralelo
paral
Figura 17:: Cambios en la tensión y corriente al cubrir una de las celdas fotovoltaicas
OBSERVACION 9.
Las celdas fotovoltaicas en paralelo conservan una tensión, indiferentemente de la cantidad de celdas
conectadas. Dicha tensión es la tensión de circuito abierto de una de las celdas:
El conectar las celdas en paralelo
alelo genera un efecto acumulativo de la corriente de corto circuito que
aporta cada celda, entre mayor el número de celdas mayor será la corriente de corto circuito:
Este efecto acumulativo se observa en los datos de la figura 16.
Al conectar las celdas en paralelo, la tensión se mantiene prácticamente constante,, el tapar una de la
celda es como desconectar una de las celdas en paralelo. La corriente disminuye más lentamente dado
que el tapar parcialmente afecta sol
solo una cuarta parte de la corriente total.