LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE CALORCELDAS FOTOVOLTAICAS CELDAS FOTOVOLTAICAS

OBJETIVO GENERAL Conocer el funcionamiento de un colector solar fotovoltaico.

OBJETIVOS ESPECIFICOS Distinguir los componentes bsicos de un colector solar fotovoltaico. Determinar la eficiencia del colector solar fotovoltaico del laboratorio. Comparar los valores de potencia calculados

INTRODUCCION En los ltimos aos debido a mltiples factores como los escasez de combustibles de origen fsil, la contaminacin causada por estos con sus respectivas consecuencias, factores econmicos, etc. Se ha implementado una mentalidad por buscar energas alternativas que ayuden a disminuir estos problemas de una manera eficiente, aunque es evidente que an falta mucho en el desarrollo de este tipo de tecnologas se han conseguido avances importantes encontrando un gran potencial que puede ser aprovechado para el bien comn .La energa solar es una fuente de energa de gran importancia la cual ya que se dispone en todo el mundo y es un recurso universal y aunque para poder aprovecharla se requieren de recursos econmicos importantes los costos de utilizar la energa solar no es ms que el costo de comprar, instalar y mantener adecuadamente el sistema fotovoltaico.El aprovechamiento de la energa solar adems de ayudar con problemas de escases de combustibles tambin puede ayudar a colaborar a solucionar problemas de origen social, como lo es llevar energa a lugares apartados de las ciudades, los cuales son de difcil acceso. Debido a la falta de energa elctrica estos lugares sufren un estancamiento en su desarrollo.

En este laboratorio se va a estudiar el funcionamiento de una celda fotovoltaica, conociendo los conceptos bsicos en su funcionamiento variando la configuracin de un circuito mediante el cual podremos analizar los parmetros que influyen al momento de aprovechar la energa que tomamos del sol.

MARCO TEORICOLA ENERGA SOLAR:La energa solar es la energa producida en el Sol como resultado de reacciones nucleares de fusin; Llega a la Tierra a travs del espacio en cuantos de energa llamados fotones, que interactan con la atmsfera y la superficie terrestres. La intensidad de la radiacin solar en el borde exterior de la atmsfera, si se considera que la Tierra est a su distancia promedio del Sol, se llama constante solar, y su valor medio es1, 366 106 erg/cms. Sin embargo, esta cantidad no es constante, ya que parece ser que vara un 0,2% en un periodo de 30 aos. La intensidad de energa real disponible en la superficie terrestre es menor que la constante solar debido a la absorcin y a la dispersin de la radiacin que origina la interaccin de los fotones con la atmsfera.La intensidad de energa solar disponible en un punto determinado de la Tierra depende, de forma complicada pero predecible, del da del ao, de la hora y de la latitud. Adems, la cantidad de energa solar que puede recogerse depende de la orientacin del dispositivo receptor.

LA RADIACIN SOLARLa radiacin solar proviene del Sol se comporta prcticamente como un cuerpo negro que emite energa siguiendo la ley de Planck a una temperatura de unos 6000 K. la radiacin solar es el flujo de energa que recibimos del Sol en forma de ondas electromagnticas de diferentes frecuencias (luz visible, infrarroja y ultravioleta). Aproximadamente la mitad de las que recibimos, comprendidas entre 0.4m y 0.7m, pueden ser detectadas por el ojo humano, constituyendo lo que conocemos como luz visible. De la otra mitad, la mayora se sita en la parte infrarroja del espectro y una pequea parte en la ultravioleta. La porcin de esta radiacin que no es absorbida por la atmsfera, es la que produce quemaduras en la piel a la gente que se expone muchas horas al sol sin proteccin. La radiacin solar se mide normalmente con un instrumento denominado piranmetro.

Figura 1. Fuente www.absoluterprotecsol.com

ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICALa energa solar fotovoltaica es aquella que se obtiene por medio de la transformacin directa de la energa del sol en energa elctrica.Esta definicin de la energa solar fotovoltaica, contiene aspectos importantes1. La energa solar se puede transformar de dos maneras:La primera utiliza una parte del espectro electromagntico de la energa del sol para producir calor. A la energa obtenida se le llama energa solar trmica. La transformacin se realiza mediante el empleo de colectores trmicos.La segunda, utiliza la otra parte del espectro electromagntico de la energa del sol para producir electricidad. A la energa obtenida se le llama energa solar fotovoltaica. La transformacin se realiza por medio de mdulos o paneles solares fotovoltaicos.Qu es un sistema fotovoltaico?Un conjunto de equipos construidos e integrados especialmente para realizar cuatro funciones fundamentales:Transformar directa y eficientemente la energa solar en energa elctricaAlmacenar adecuadamente la energa elctrica generadaProveer adecuadamente la energa producida (el consumo) y almacenadaUtilizar eficientemente la energa producida y almacenadaEn el mismo orden antes mencionado, los componentes fotovoltaicos encargados de realizar las funciones respectivas son:1. El mdulo o panel fotovoltaico2. La batera3. El regulador de carga4. El inversor5. Las cargas de aplicacin (el consumo)

Celdas fotovoltaicas:Una celda fotovoltaica es el componente que capta la energa contenida en la radiacin solar y la transforma en una corriente elctrica, basado en el efecto fotovoltaico que produce una corriente elctrica cuando la luz incide sobre algunos materiales.Las celdas fotovoltaicas son hechas principalmente de un grupo de minerales semiconductores, de los cuales el silicio, es el ms usado. El silicio se encuentra abundantemente en todo el mundo porque es un componente mineral de la arena. Sin embargo, tiene que ser de alta pureza para lograr el efecto fotovoltaico, lo cual encarece el proceso de la produccin de las celdas fotovoltaicas.Una celda fotovoltaica tiene un tamao de 10 por 10 centmetros y produce alrededor de un vatio a plena luz del da. Normalmente las celdas fotovoltaicas son color azul oscuro. La mayora de los paneles consta de 36 celdas fotovoltaicas.

Fuente: figura tomada de ciencia@nas

POTENCIA DE LAS CELDAS FOTOVOLTAICAS La capacidad energtica nominal de los mdulos fotovoltaicos se indica en vatios-pico (Wp), lo cual indica la capacidad de generar electricidad en condiciones ptimas de operacin.La capacidad real de un mdulo fotovoltaico difiere considerablemente de su capacidad nominal,Debido a que bajo condiciones reales de operacin la cantidad de radiacin que incide sobre las celdas es menor que bajo condiciones ptimas. Por ejemplo, un mdulo de 55 Wp es capaz de producir 55 W ms o menos un 10 % de tolerancia cuando recibe una radiacin solar de 1.000 vatios por metro cuadrado (W/m2) y sus celdas poseen una temperatura de 25 C. En condiciones reales, este mismo mdulo producira una potencia mucho menor que 55 W.En el mercado, se pueden encontrar mdulos fotovoltaicos de baja potencia, desde 5 Wp; de potencia media, por ejemplo 55 Wp; y de alta potencia, hasta 160 Wp. En aplicaciones de electrificacin rural suelen utilizarse paneles fotovoltaicos con capacidades comprendidas entre los 50 y 100 Wp.

La vida til de un panel fotovoltaico puede llegar hasta 30 aos, y los fabricantes generalmente otorgan garantas de 20 o ms aos. El mantenimiento del panel solamente consiste de una limpieza del vidrio para prevenir que las celdas fotovoltaicas no puedan capturar la radiacin solar.

BATERAS FOTOVOLTAICAS Las bateras fotovoltaicas son un componente muy importante de todo el sistema pues realizan tres funciones esenciales para el buen funcionamiento de la instalacin: Almacenan energa elctrica en periodos de abundante radiacin solar y/o bajo consumo de energa elctrica. Durante el da los mdulos solares producen ms energa de la que realmente se consume en ese momento. Esta energa que no se utiliza es almacenada en la batera. Proveen la energa elctrica necesaria en periodos de baja o nula radiacin solar. Normalmente en aplicaciones de electrificacin rural, la energa elctrica se utiliza intensamente durante la noche para hacer funcionar tanto lmparas o bombillas as como un televisor o radio, precisamente cuando la radiacin solar es nula. Estos aparatos pueden funcionar correctamente gracias a la energa elctrica que la batera ha almacenado durante el da. Proveen un suministro de energa elctrica estable y adecuada para la utilizacin de aparatos elctricos. La batera provee energa elctrica a un voltaje relativamente constante y permite, adems, operar aparatos elctricos que requieran de una corriente mayor que la que pueden producir los paneles (an en los momentos de mayor radiacin solar). Por ejemplo, durante el encendido de un televisor o durante el arranque de una bomba o motor elctrico. APLICACIONES En general, los sistemas fotovoltaicos pueden tener las mismas aplicaciones que cualquier sistema generador de electricidad. Sin embargo, las cantidades de potencia y energa que se pueden obtener de un sistema fotovoltaico estn limitadas por la capacidad de generacin y almacenamiento de los equipos instalados, especialmente de los mdulos y la batera respectivamente, y por la disponibilidad del recurso solar. Tcnicamente, un sistema fotovoltaico puede producir tanta energa como se desee; sin embargo desde el punto de vista econmico, siempre existen limitaciones presupuestarias en cuanto a la capacidad que se puede instalar.Dependiendo de su aplicacin y de la cantidad y tipo de energa producida, los sistemas fotovoltaicos se pueden clasificar en las siguientes categoras: Lmparas porttiles. Sistemas individuales de Corriente Directa (CD) para aplicaciones domsticas. Sistemas individuales de Corriente Alterna (CA) para aplicaciones domsticas. Sistemas centralizados aislados de la red. Sistemas centralizados conectados a la red.

FUNCIONAMIENTOLas celdas fotovoltaicas conocidas tambin como celdas solares estn hechas de de materiales semiconductores, en especial de silicio, el mismo que se emplea en la industria de la microelectrnica. Se emplea una delgada rejilla semiconductora para poder originar un campo elctrico, positivo en un lado y negativo en el otro, claro est; cuando la energa proveniente de los rayos solares llega a la celda fotovoltaica, los electrones son golpeados y sacados de los tomos del material semiconductor.La electricidad se obtiene se ponen a los semiconductores tanto positivos como negativos formando un circuito elctrico, es entonces cuando los electrones son capturados en forma de corriente elctrica. Las celdas son aquellas que, juntas, forman un panel fotovoltaico, pero un arreglo de varias celdas conectadas elctricamente unas con otras en una estructura generan un mdulo fotovoltaico.Los mdulos son construidos con el objetivo de brindar un determinado nivel de voltaje, un ejemplo es un sistema de 12 voltios; la corriente que se produzca depender siempre de cuanta luz el mdulo capte. Los sistemas de este estilo puede funcionar aisladamente o conectados en red; con respecto a estos ltimo, los mismos interaccionan a travs de una interfaz electrnica, es decir, un inversor, que transforma la corriente directa en alterna para poder ser utilizada luego.

PIRANOMETRO Un piranmetro(tambin llamadosolarmetroyactinmetro) es un instrumentoutilizado para medir de manera muy precisa la radiacin solarincidente sobre la superficie de latierra. Se trata de un sensor diseado para medir la densidad del flujo de radiacin solar (vatios por metro cuadrado) en un campo de 180grados.

FUENTE : www.cubasolar.cu

Generalmente con el Piranmetro se toman 3 medidas de radiacin que son:

Radiacin Difusa: es la radiacin que va en todas direcciones, como consecuencia de las reflexiones y absorciones.Radiacin Directa: Es aquella que llega directamente del Sol sin haber sufrido cambio alguno en su direccin.Radiacin Reflejada: Es aquella que es reflejada por la superficie.

Procedimiento

1. se procede a la explicacin e identificacin de los diversos componentes del banco de prueba.2. ver que las condiciones de las conexiones y de configuracin de los aparatos como el multmetro.3. ubicar el banco en un lugar donde la radiacin llegue de una manera directa, es decir que no haya objetos que se interponga entre el sol y el panel.4. Se va a trabajar con tres tipos de configuraciones (A,B,C). en cada una de ellas se tomaran los datos pertinentes.5. se van a tomar datos de voltajes, este dato proviene del piranometro.6. Con la configuracin A batera conectada se tendr:Carga = panel + batera se toman los valores de corriente del panel y voltaje del sistema sin conectar carga al sistema.7 se harn toma de datos con bombillos encendidos del modo indicado en la siguiente tabla:Carga

Configuracin bombillo

A0

B1

C1-2

D3

E1-3

F1-2-3

G3-4

H1-3-4

I1-2-3-4

J3-4-5

K1-3-4-5

L1-2-3-4-5

M1-2-3-4-5-fan

8. se repiten los pasos del 5 en adelante para cada una de las configuraciones establecidas.Para hallar la radiacin

Clculos elctricos

CALCULOS

Calculo de la potencia incidente solar

De la ecuacin (2)

De la ecuacin (3)

Evaluando la ecuacin (1) con

De la ecuacin (4) calculamos la potencia incidente total

Y de (5)

Por lo tanto la potencia incidente

La potencia del panel es:

Mediante la ecuacin (8)

TABLA DE RESULTADOSCONFIGURACIN APANEL + BATERIA = CARGACargaConfiguracionVoltaje SistemaCorriente CargaCorriente PanelCorriente BateriaPiranometro VolPotencia CargaPotencia PanelPotencia BateriaH Radiacion TotalEficiencia del Panel

Acero13,600,001,50-1,505,100,0020,40-20,40217,050,18

B113,500,301,50-1,205,404,0520,25-16,20229,810,16

C1-213,400,701,50-0,805,509,3820,10-10,72234,070,15

D313,201,001,50-0,505,3013,2019,80-6,60225,560,16

E1-313,001,501,500,005,5019,5019,500,00234,070,14

F1-2-312,701,801,500,305,2022,8619,053,81221,300,16

G3-412,602,101,500,605,3026,4618,907,56225,560,15

H1-3-412,402,401,500,905,5029,7618,6011,16234,070,14

I1-2-3-412,102,801,501,305,4033,8818,1515,73229,810,14

J3-4-511,903,001,501,505,4035,7017,8517,85229,810,14

K1-3-4-511,603,401,501,905,1039,4417,4022,04217,050,15

L1-2-3-4-511,303,801,502,305,0042,9416,9525,99212,790,15

M1-2-3-4-5-FAN11,203,801,502,305,0042,5616,8025,76212,790,15

Mediante la ecuacin (9)

CONFIGURACIN BPANEL = CARGACargaConfiguracinVoltaje SistemaCorriente CargaCorriente PanelCorriente BateraPiranomtro VolPotencia CargaPotencia PanelPotencia BateraH Radiacin TotalEficiencia del Panel

Acero19,100,000,000,004,800,000,000,00204,280,00

B117,100,500,500,004,908,558,550,00208,530,08

C1-215,800,900,900,004,7014,2214,220,00200,020,15

D314,601,101,100,004,7016,0616,060,00200,020,17

E1-312,301,401,400,004,9017,2217,220,00208,530,16

F1-2-37,901,501,500,004,8011,8511,850,00204,280,12

G3-47,101,601,600,004,9011,3611,360,00208,530,11

H1-3-45,401,701,700,005,109,189,180,00217,050,08

I1-2-3-44,601,701,700,005,507,827,820,00234,070,06

J3-4-53,801,701,700,005,506,466,460,00234,070,05

K1-3-4-52,501,601,600,005,304,004,000,00225,560,03

L1-2-3-4-51,601,501,500,005,002,402,400,00212,790,02

M1-2-3-4-5-FAN1,801,601,600,005,202,882,880,00221,300,02

Mediante la ecuacin (9)

CONFIGURACIN CPANEL = BATERIA + CARGACargaConfiguracionVoltaje SistemaCorriente CargaCorriente PanelCorriente BateriaPiranometro VolPotencia CargaPotencia PanelPotencia BateriaH Radiacion TotalEficiencia del Panel

Acero13,600,001,501,505,500,0020,4020,40234,070,15

B113,500,401,501,105,405,4020,2514,85229,810,16

C1-213,400,701,300,604,809,3817,428,04204,280,17

D313,201,001,400,404,8013,2018,485,28204,280,18

E1-313,001,301,400,105,0016,9018,201,30212,790,16

F1-2-312,701,801,50-0,305,3022,8619,05-3,81225,560,15

G3-412,601,901,30-0,604,9023,9416,38-7,56208,530,15

H1-3-412,402,501,40-1,104,8031,0017,36-13,64204,280,17

I1-2-3-412,102,901,50-1,405,1035,0918,15-16,94217,050,16

J3-4-511,903,001,40-1,604,8035,7016,66-19,04204,280,16

K1-3-4-511,603,401,40-2,004,5039,4416,24-23,20191,510,19

L1-2-3-4-511,303,801,30-2,504,3042,9414,69-28,25183,000,19

M1-2-3-4-5-FAN11,204,001,40-2,604,7044,8015,68-29,12200,020,16

Mediante la ecuacin (9)

GRAFICAS

GRAFICAS DE EFICIENCIA

ANALISIS DE RESULTADOS

Debido a que el voltaje del Piranomtro varia con el tiempo el Clculo de la Radiacin Total tambin. Para hallar la Radiacin directa se le resta a la Radiacin total, la radiacin difusa que es obtenida con el voltaje de est. La potencia incidente se halla con la Radiacin Directa, divida por el coseno del ngulo de inclinacin del sol. La eficiencia del panel es obtenido con la potencia elctrica del panel divida la potencia incidente Se obtuvo la mayor eficiencia mxima del panel en la configuracin A.

CONCLUSIONES

Se concluye que las celdas fotovoltaicas son una alternativa energtica que tiene un gran futuro, pero en el momento falta realizar mayor investigacin para que sea competitivo con otros medios.

Se pudo observar en el desarrollo de la prctica , la gran influencia de las condiciones ambientales al momento de obtener la radiacin.

Al desarrollar la prctica ,se pudo observar que hubo momento en que la radiacin no era suficiente para encender los bombillos a total capacidad Se pudo ver que el panel tiene una gran sensibilidad a la radiacin, ya que en algunos instantes hubieron pequeas bajas de radiacin y la lectura en los instrumentos variaba notablemente.