Revista carrera de Ingeniería Eléctrica
PRACTICA DE LABORATORIO # 1
LECTURA Y MEDICIÓN DE LOS PARÁMETROS ELÉCTRICOS DEL SISTEMA
FOTOVOLTAICO
LABORATORY PRACTICE # 1
READING AND MEASURING THE ELECTRICAL PARAMETERS OF THE
PHOTOVOLTAIC SYSTEM
Freire Armando 1 Toapanta Wilson 2Toapanta Luis 3
Recibido 9 de abril de 2019, aceptado 9 de abril de 2019
Received: April 9, 2019 Accepted: April 9, 2019
RESUMEN
En el presente trabajo, presenta la practica realizada de la lectura y medición de los parámetros
eléctricos del sistema fotovoltaico. La conversión fotovoltaica se basa en el efecto fotoeléctrico, es
decir, en la conversión de la energía lumínica proveniente del sol en energía eléctrica. Para llevar a
cabo esta conversión se utilizan unos dispositivos denominados células solares, constituidos por
materiales semiconductores en los que artificialmente se ha creado un campo eléctrico constante. El
material más utilizado es el silicio. Los módulos solares constituidos por la conexión de múltiples
celdas ya sea en serie, paralelo o mixta nos brindan diferentes parámetros (corriente, voltaje, potencia)
que son utilizados de acuerdo a nuestras necesidades. La energía solar fotovoltaica a más de ser usada
para sistemas aislados en especial en centros rurales también puede entregar energía eléctrica generada
por medio de los paneles solares a bajas tensiones (380-800 V) en corriente continua; se transforma por
medio de un inversor en corriente alterna; mediante un centro de transformación se eleva a media
tensión (13 o 22 kV) y se inyecta en las redes públicas contribuyendo a la generación limpia y al cuidado
del medio ambiente
Palabras clave: Energía, fotovoltaica, potencia, voltaje, corriente.
ABSTRACT
In the present work, he presents the practice of reading and measuring the electrical parameters of the
photovoltaic system. The photovoltaic conversion is based on the photoelectric effect, that is, on the
conversion of the light energy coming from the sun into electrical energy. To carry out this conversion,
devices called solar cells are used, constituted by semiconductor materials in which a constant electric
field has been artificially created. The most used material is silicon. The solar modules constituted by
the connection of multiple cells, whether in series, parallel or mixed, provide us with different
parameters (current, voltage, power) that are used according to our needs. The photovoltaic solar energy
more than being used for isolated systems especially in rural centers can also deliver electrical energy
generated by means of solar panels at low voltages (380-800 V) in direct current; it is transformed by
means of an inverter in alternating current; through a transformation center, it is raised to medium
voltage (13 or 22 kV) and injected into public networks contributing to clean generation and care of
the environment.
Keywords: Energy, photovoltaics, power, voltage, current
Unidad Académica de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas. Universidad Técnica de Cotopaxi. Latacunga. Ecuador. E-mail:
armando. freire2833@utc.edu.ec
2
Unidad Académica de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas. Universidad Técnica de Cotopaxi. Latacunga. Ecuador. E-mail:
Wilson.topanta8579@utc.edu.ec
3
Unidad Académica de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas. Universidad Técnica de Cotopaxi. Latacunga. Ecuador. E-mail:
miguel11celtic@gmail.com
1
Revista carrera de Ingeniería Eléctrica
I.
INTRODUCCIÓN
El efecto fotoeléctrico fue descubierto por
Becquerel en 1839, y se puede resumir así: ciertos
materiales absorben la luz solar provocando
cargas negativas y positivas debido a la excitación
y el movimiento de sus electrones. En 1957 la
empresa Bell construyó los primeros módulos
fotovoltaicos comerciales. Desde entonces la
tecnología ha ido perfeccionándose, eligiendo los
materiales ideales para la construcción de
módulos, aumentando su rendimiento y fiabilidad
La energía solar fotovoltaica permite transformar
la radiación proveniente del sol en energía
eléctrica
utilizando
para
ello
células
fotovoltaicas. Ésta tiene muchas ventajas frente a
otro tipo de energías, ya que se trata de una
energía con escaso impacto medio ambiental
debido a la pequeña producción de residuos
perjudiciales para el medio ambiente. Otra de sus
principales ventajas es su extensa distribución a
lo largo de toda la superficie terrestre, lo que
permite la implementación de sistemas de
captación de energía solar en prácticamente
cualquier punto del planeta. Este último hecho
produce un ahorro en el traslado de energía y,
permite a su vez, obtener energía eléctrica con
independencia de las compañías suministradoras.
Los sistemas de captación de energía solar tienen
un mantenimiento sencillo, por lo que sus costes
son reducidos; lo que los hace atractivos frente a
otros sistemas de costes más elevados.
Hoy en día el abanico de usos es ilimitado desde
pequeñas calculadoras solares, hasta grandes
centrales capaces de generar millones de
kilovatios cada año, de un modo fiable, limpio,
económico y sin generar residuos.
a.
II. OBJETIVOS
Objetivo General
PLANTAER
LOS
OBEJTIVOS
ESPECIFICOS LOS Q ESTAN SON DEL
LABORATORIO
b.



Objetivos Específicos
Realizar las mediciones de voltaje y
corriente generada por un panel solar.
Medir voltaje a la entrada y salida del
inversor.
Monitorear el comportamiento del
voltaje en la salida del panel solar en
diferentes ángulos.
III.
ANÁLISIS TEÓRICO
A. LA ENERGÍA SOLAR
(I., 2004) “El Sol, fuente de vida y origen de las
demás formas de energía que el ser humano ha
utilizado desde los albores de la historia, puede
satisfacer todas nuestras necesidades si
aprendemos cómo aprovechar de forma racional
la luz que continuamente derrama sobre el
planeta”. Ha brillado en el cielo desde hace unos
cinco mil millones de años, y se calcula que
todavía no ha llegado ni a la mitad de su
existencia. Durante el presente año, el Sol arrojará
sobre la Tierra cuatro mil veces más energías que
la que vamos a consumir.
Figura 1: Energía solar directamente hacia los paneles
fotovoltaicos.
Fuente: I., G. (2004). Manual Teórico y Práctico sobre los
Sistemas Fotovoltaico.
Sería poco racional no intentar aprovechar, por
todos los medios técnicamente posibles, esta
fuente energética gratuita, limpia e inagotable,
que puede liberarnos definitivamente de la
dependencia del petróleo o de otras alternativas
poco seguras, contaminantes o, simplemente,
agotables.
1.
Tipos de energía
(M. Z. , 2012) “La energía solar se puede
clasificar en tres tipos, en función de cómo
inciden los rayos solares sobre la superficie
terrestre”. Éstos son los siguientes:


Directa: Energía recibida desde el sol
sin que se desvíe en su paso por la
atmosfera.
Difusa: Energía que sufre cambios en su
dirección debido principalmente a la
reflexión y difusión atmosférica.
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
Albedo: Energía directa y difusa que se
recibe por reflexión en el suelo y otras
superficies próximas.
La energía directa es la mayor y más importante,
aunque esta proporción varía en función de las
condiciones medioambientales. En los días
nublados, la proporción de energía directa con
respecto a la total disminuye, mientras que, en los
días soleados, esta proporción aumenta
considerablemente.
2.
Coordenadas horizontales
(M. Z. , 2012) “Para determinar la posición del sol
se utiliza un sistema de coordenadas celestes
referidas al horizonte del observador y a su
vertical,
conocido
como
coordenadas
horizontales”. Utilizando este sistema de
coordenadas, un observador deberá medir su
altura, que es la distancia angular desde el
horizonte hasta la estrella; a continuación, tendrá
que determinar el ángulo que forma el sol con una
dirección que se toma como origen, generalmente
el sur (en astronomía) o el norte (en
navegación) medida sobre el horizonte y en
sentido horario. Este ángulo se llama azimut.
Para poder referirnos en términos de medida y
unidades a la energía percibida por nuestra
superficie receptora, conviene aclarar términos
como irradiación e irradiancia, cuyas definiciones
son diferentes.
(M. F. R., 2011) “El término irradiación se
refiere a la cantidad de energía solar recibida
durante un determinado periodo de tiempo,
mientras que el término irradiancia se refiere a la
potencia instantánea recibida”.
En términos de unidades la irradiancia se mide en
W/m², mientras que la irradiación en Wh/m². La
irradiación solar a lo largo de un día tendrá
unidades de Wh/m²/día. La irradiancia
proveniente del Sol que se recibe sobre una
superficie perpendicular al Sol en el exterior de la
atmósfera puede considerarse como constante e
igual a 1.267 W/m2.
Figura 3: Absorción y reflexión de la radiación solar.
Fuente: M., F. R. (2011, Noviembre 1-4). Módulos
Fotovoltaicos
Figura 2: Coordenadas horizontales.
Fuente: M., Z. (2012). Diseño de dispositivo autónomo de
detección solar de la orientación solar.
Estas coordenadas dependen, por tanto, del
observador. Para una misma posición solar, las
coordenadas horizontales desde un punto
determinado serán diferentes a las obtenidas en
otro punto cualquiera.
3.
3
Unidades y ángulos solares
Debido a los movimientos de rotación y traslación
de la tierra en torno al Sol y a los efectos de
difusión de la atmósfera terrestre, la irradiancia
recibida en la superficie terrestre presenta unas
variaciones temporales bien definidas en unos
casos (variación día/noche, verano/invierno) y
estocásticas en otros (presencia de nubes).
4.
Constante solar
La constante solar, se define como la cantidad de
energía solar en la unidad de tiempo, por unidad
de superficie normal a la dirección de la
radicación incidente, en la superficie exterior de
nuestra atmósfera. Su valor medio estándar es de
2 1.353 / W m.
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B. LA
ENERGÍA
FOTOVOLTAICA
SOLAR
(O., 2013) “La energía solar fotovoltaica está
especialmente indicada para aquellos lugares
donde la red eléctrica no llega, como por ejemplo
las casas de campo o los refugios de montaña”.
En donde podemos colocar una sencilla
instalación compuesta por módulos fotovoltaicos,
un regulador, y unas baterías, a este tipo de
instalación se le conoce como instalaciones
aisladas.
semiconductor de tipo n y una capa de material de
tipo p de un grosor superior”. La capa tipo n es la
que recibe la incidencia de los rayos solares. Esto
provoca la rotura de la unión electrón‐hueco
(siempre que la energía de los fotones supere el
gap del material), y gracias al campo eléctrico, los
electrones y los huecos se separan evitando con
ello que se recombinen.
Figura 5: Asociación de células solares.
Fuente: M., F. R. (2011, Noviembre 1-4). Módulos
Fotovoltaicos
Figura 4: Instalación Fotovoltaica Básica.
Fuente:
Los módulos sólo generan electricidad cuando
están expuestos a la radiación solar, por lo que por
la noche o en días muy nublados no generan
electricidad. Para almacenar esta electricidad se
utilizan batería. De este modo tenemos asegurado
el suministro eléctrico todo el tiempo.
1.
Ventajas
Dentro de las muchas ventajas que se puede tener
si utilizamos la energía solar fotovoltaica para la
generación de electricidad se tiene:
o La energía solar fotovoltaica es el
método de generar energía eléctrica de
menor impacto ecológico.
o Es una energía inagotable (a escala
humana) y gratuita.
o Se puede instalar en casi cualquier lugar
del planeta o del espacio exterior.
2.
3.
Tipos de células fotovoltaicas.
(M. F. R., 2011) “Los distintos materiales, y en
ocasiones los métodos de fabricación le confieren
a cada tipo de célula unas determinadas
características que las hacen adecuadas para
diferentes usos según las necesidades”.
 Células de silicio monocristalino: su
estructura es completamente ordenada,
por lo que el silicio monocristalino está
considerado como un buen conductor.
Es difícil de fabricar y su rendimiento
oscila entre el 15 y el 18%.
 Células de silicio policristalino: su
estructura es ordenada, pero por
sectores. Esto hace que, debido a los
enlaces irregulares de las fronteras,
disminuya el rendimiento a entre un 12
y un 14%.
 Células de silicio amorfo: presentan un
alto grado de desorden y un gran número
de defectos estructurales. A pesar de
ello, su rendimiento es menor al 10%
Células fotovoltaicas
(M. F. R., 2011) “Las células fotovoltaicas más
utilizadas las de silicio, compuestas generalmente
por una lámina delgada de material
4
Toapanta L. Mercado Eléctrico Mayorista
1.1. Actividad 1. Realizar mediciones de los
niveles de voltaje en función de al menos
5 ángulos diferentes de inclinación de la
radiación simulada con las lámparas del
módulo # 2 del laboratorio en los paneles
monocristalinos y policristalinos.
4.
Parámetros
fundamentales.
características
Curvas
A la hora de trabajar con los paneles solares nos
interesa saber qué datos nos proporciona el
fabricante, con el fin de utilizarlos correctamente.
(O., 2013) “En los catálogos aparecen todos
aquellos parámetros que nos son de utilidad a la
hora de realizar el diseño de la instalación. De
acuerdo con la información que proporciona el
fabricante, en su catálogo respectivo indica todas
sus características, desde el punto de vista
práctico, para la respectiva elección de un panel
solar”.
Resultados:
Ángulo˚
Voltaje (V)
10˚
30˚
70˚
90˚
100˚
120˚
170˚
19,2
20,5
21
21,1
21
20,8
19,1
Observaciones
NIVELES DE VOLTAJE
21,5
21
VOLTAJE
Figura 6: Asociación de células solares.
Fuente: M., F. R. (2011, Noviembre 1-4). Módulos
Fotovoltaicos
21
20,5
21,1
21
20,5
20,8
20
19,5
19
19,2
19,1
18,5
18
10˚
30˚
70˚
90˚ 100˚ 120˚ 170˚
ÁNGULO
Figura 7: Ejemplo de una curva característica y obtención de
los valores de tensión y corriente para un panel solar.
Fuente: O., L. D. (2013). Análisis técnico-económico para la
generación de energia solar fotovoltaica en el ecuador.
IV.
1.2. Observe el comportamiento del
panel solar ante una sombra.
Para esta actividad se procede a colocar objetos
que tapen las luminarias que emiten calor sobre
los paneles y veremos que sucede con el voltaje
que genera.
MARCO EXPERIMENTAL
Resultados:
A. Práctica de laboratorio N° 01
EJERCICIO 1.
1.
5
Actividades:
EJERCICIO 2.
1. Actividades:
Toapanta L. Mercado Eléctrico Mayorista
Haciendo uso de los módulos de paneles solares
del módulo #1 realizar lo siguiente:
1.1. Actividad 1. Definir la orientación
que tiene el panel fotovoltaico en
dirección (Sur, Norte-Sur, u Oeste)
Debido a las constantes lluvias suscitadas en
semanas pasadas no se puede visualizar el cielo
despejado en la zona del módulo 2, Fig. 8, esto no
afecta a las actividades de medición, debido a que
la radiación del sol penetra así el cielo no esté
despejado.
Realizar una inspección y orientación del lugar
donde se encuentran los paneles solares del
modulo 1 ubicados en la garita de los laboratorios
de la universidad.
Figura 6: Cielo nublado en la zona de medición.
Fuente: Autores
Figura 6: Cielo nublado en la zona de medición.
Resultados:
Al realizar la inspección del lugar se pudo
visualizar y constatar por Google Maps que los
paneles se encuentran apuntando al punto
cardinal Sur a unos 20° de inclinación.
Resultados:
Instrumento
Ángulo Radiación Voltaje Dirección
(˚)
(V)
(W/𝒎𝟐 )
Piranómetro
180˚
240,5
42,2 sur-oeste
1.3. Actividad 3. Completar la tabla 1
con los valores de voltaje obtenidos
para tres valores diferentes de
ángulos de inclinación.
Resultados:
ANGULO
(˚)
Figura 6: Cielo nublado en la zona de medición.
1.2. Actividad 2. Medir el nivel de
radiación y ángulo de inclinación
que se utiliza.
RADIACIÓN
w/𝒎𝟐
VOLTAJE
(V)
20 ˚
241,2
42,5
30 ˚
234,3
42,6
50 ˚
219,5
42,6
OBSERVACIÓN
La medición se
realizó
en
dirección
suroeste, en un día
nublado
La medición se
realizó
en
dirección Noreste,
en un día nublado
La medición se
realizó
en
dirección Noreste,
en un día nublado
6
Toapanta L. Mercado Eléctrico Mayorista
Instrumento
Voltaje
Nivel de Voltaje
42,6
42,65
42,6
42,55
42,5
42,45
42,6
Ángulo
(˚)
Radiación
Voltaje
w/
230,3
V
42,6
195,3
42,6
234,3
42,6
231,3
42,5
219,5
42,6
10˚
20 ˚
42,5
30 ˚
0
20
40
60
Piranómetro
40 ˚
Grados
1.4. Actividad 4. Realizar 20 mediciones
en el panel solar de voltaje de
entrada y salida en el regulador de
carga durante un minuto en el
módulo de sistemas fotovoltaico.
50 ˚
Observación
En dirección
noroeste, la
variación del
ángulo
no
afecta a la
medición de
voltaje.
La medición
se realizó en
el panel solar
de voltaje de
entrada con
dirección
noroeste, en
un
día
nublado
1.5. Actividad 5. Realizar una estimación
de descarga de la batería con
respecto al tiempo
Medición en el panel solar de
voltaje de entrada, en dirección
Resultados:
Sur-Oeste.
Ángulo Radiación Voltaje
Instrumento
(˚)
w/
V
10 ˚
226,7
42,5
20 ˚
241,2
42,5
30 ˚
258,1
42,6
40 ˚
267,2
42,6
50 ˚
220,5
42,6
Piranómetro
Observación
La medición se
realizó en el panel
solar de voltaje de
entrada
con
dirección
suroeste, en un día
nublado
Cuando el ángulo
del panel solar va
en aumento, se
puede observar
que la medición
del
voltaje
también aumenta.
Medición en el panel solar de voltaje de
1.6. Actividad 6. ¿Qué tipos de paneles
solares y baterías utilizaste, y cuáles
son sus datos nominales?
Resultados:
1.7. Actividad 7. Establecer una
comparación según el tipo de panel
y datos nominales con los valores
obtenidos experimentalmente
Resultados:
entrada, en dirección Noroeste.
EJERCICIO 3
1.
Actividades:
Medir el consumo
de corriente de un inversor en
vacío y bajo carga utilizando
1.1. Actividad 1.
7
Toapanta L. Mercado Eléctrico Mayorista
los diferentes tipos de cargas
resistivas
e
inductivas
presentes en módulo #1 de
laboratorio.
Resultados:
CARGA
CORRIENTE
(A)
Incandescente
0,8
Fluorescente
0,3
Foco Led
0,1
Total
1
VII. BIBLIOGRAFÍA
[1] I., G. (2004). Manual Teórico y Práctico
sobre los Sistemas Fotovoltaicos.
México: Universidad de México.
[2] M., F. R. (2011, Noviembre 1-4). Módulos
Fotovoltaicos. Asociacion Argentina de
Mecánica Computacional, p. 9.
[3] M., Z. (2012). Diseño de dispositivo
autónomo de detección solar de la
orientación solar. España: E. T. S. de
Ingenieros de Sevilla.
[4] O., L. D. (2013). ANÁLISIS TÉCNICOECONÓMICO PARA LA
GENERACIÓN DE ENERGIA SOLAR
FOTOVOLTAICA EN EL ECUADOR.
Cuenca: Universidad de Cuenca.
NIVELES DE
CORRIENTE
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0,8
0,3
0,1
1.2. Actividad 2. Calcular la potencia de
entrada y salida de un inversor
Resultados:
V.
VI.
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
8