Parámetros de una celda solar y características de un panel fotovoltaico

Parámetros y características de una celda fotovoltaica

¿Qué es exactamente una Célula Solar Fotovoltaica?

Una celda solar es un dispositivo semiconductor que puede convertir la radiación solar en electricidad. Su capacidad para convertir la luz solar en electricidad sin una conversión intermedia lo hace único para aprovechar la energía solar disponible en electricidad útil. Por eso se les llama células solares fotovoltaicas. La figura 1 muestra una celda solar típica.

Varios factores gobiernan la electricidad generada por una celda solar como;

• La intensidad de la luz:a mayor luz solar que cae sobre la celda, mayor es la electricidad generada por la celda.
• Área de la celda:Al aumentar el área de la celda, la corriente generada por la celda también aumenta.
• El ángulo de incidencia:si la luz que cae sobre la celda es perpendicular a su superficie, la potencia generada por ella es óptima. Lo ideal es que el ángulo sea de 90 ^o pero en la práctica debería estar tan cerca como 90 ^o .

La celda solar es un dispositivo de dos terminales. Uno es positivo (ánodo) y el otro es negativo (cátodo). Una disposición de células solares se conoce como módulo solar o panel solar, mientras que la disposición de paneles solares se conoce como matriz fotovoltaica.

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Funcionamiento de una Célula Solar

La luz del sol es un grupo de fotones que tienen una cantidad finita de energía. Para la generación de electricidad por parte de la celda, esta debe absorber la energía del fotón. La absorción depende de la energía del fotón y de la energía de banda prohibida del material semiconductor solar y se expresa en electrón-voltio (eV).

Los fotones son absorbidos por el material semiconductor, lo que da como resultado la generación de pares electrón-hueco, donde los electrones tienen carga negativa y los huecos tienen carga positiva. Cuando se conecta una carga, hay una separación de electrones y huecos en la unión, los huecos se mueven hacia el lado del ánodo y los electrones hacia el lado del cátodo.

Por lo tanto, la separación de estas dos cargas crea una diferencia de potencial eléctrico y obtenemos un voltaje en la terminal de la celda. Este voltaje se usa para impulsar la corriente en el circuito.

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Parámetros de celdas solares

La conversión de la luz solar en electricidad está determinada por varios parámetros de una celda solar. Para comprender estos parámetros, debemos observar la curva I – V como se muestra en la figura 2 a continuación. La curva se ha trazado en base a los datos de la tabla 1.

Tabla 1

Amperios	Voltios	vatios
0	VOC =11,4	0
0.2	11.06	2.21
0.4	10,59	4.24
0.5	10,24	5.12
0.6	9,54	5,72
0,61	9,39	5,73
YoM =0,62	VM =9,27	PM =5,75
0,63	9.08	5,72
0,64	8,72	5,58
ISC =0,65	0	0

Los parámetros de las celdas los proporcionan los fabricantes en la STC (condición de prueba estándar). Bajo STC la radiación solar correspondiente es igual a 1000 W/m ² y la temperatura de funcionamiento de la celda es igual a 25 ^o C. Los parámetros de la celda solar son los siguientes;

Corriente de Cortocircuito (I_SC ):

La corriente de cortocircuito es la corriente máxima producida por la celda solar, se mide en amperios (A) o miliamperios (mA). Como se puede ver en la tabla 1 y la figura 2, el voltaje de circuito abierto es cero cuando la celda está produciendo la corriente máxima (I_SC =0,65 A).

El valor del cortocircuito depende del área de la celda, la radiación solar al caer sobre la celda, la tecnología de la celda, etc. A veces, los fabricantes dan la densidad de corriente en lugar del valor de la corriente. La densidad de corriente se indica con "J" y la densidad de corriente de cortocircuito se indica con "J_SC ”. La densidad de corriente de cortocircuito se obtiene dividiendo la corriente de cortocircuito por el área de las células solares de la siguiente manera:

J_SC =Yo_SC / A

Tomemos un ejemplo, una celda solar tiene una densidad de corriente de 40 mA/cm ² en STC y un área de 200 cm ² . Entonces la corriente de cortocircuito se puede determinar de la siguiente manera;

Yo_SC =Jsc × Área =40 mA/cm ² × 200cm ² =8000mA =8A

Tensión de circuito abierto (V_OC ):

El voltaje de circuito abierto es el voltaje máximo que la celda puede producir en condiciones de circuito abierto. Se mide en voltios (V) o milivoltios (mV). Como puede verse en la tabla 1 y la figura 2, la corriente de cortocircuito es igual a cero cuando la celda produce el voltaje máximo. El valor de V_OC depende de la tecnología de la celda y de la temperatura de funcionamiento de la celda.

Punto de máxima potencia (P_M ):

El punto de máxima potencia representa la potencia máxima que una celda solar puede producir en el STC (es decir, radiación solar de 1000 W/m ² y temperatura de funcionamiento de la celda de 25 ^o C). Se mide en W_Pico o simplemente W_P . Aparte de STC, la celda solar tiene P_M a diferentes valores de radiancia y temperatura de funcionamiento de la celda.

La celda puede operar con diferentes combinaciones de corriente y voltaje. Pero solo puede producir la máxima potencia P_M en una combinación particular de voltaje y corriente. Como se muestra en la figura 2, el punto de máxima potencia está en el codo de la curva I – V y es el producto de I_M y V

P_M =Yo_M × V_M =0,62 × 9,27 =5,75 W_P

Corriente en el Punto de Máxima Potencia (I_M ):

Representa la corriente que producirá la celda solar cuando opere al máximo de PowerPoint. Se denota por I_M y se puede ver en la figura 2 que su valor es siempre menor que la corriente de cortocircuito (I_SC ). Se mide en amperios (A) o miliamperios (mA).

El voltaje en el punto de máxima potencia (V_M ):

Representa el voltaje que producirá la celda solar cuando opere al máximo de PowerPoint. Se denota por V_M y se puede ver en la figura 2 que su valor es siempre menor que el voltaje de circuito abierto (V_OC ). Se mide en voltios (V) o milivoltios (mV).

Factor de relleno (FF):

Representa el área cubierta por I_M – V_M rectángulo con el área cubierta por I_SC – COV_OC rectángulo como las líneas punteadas en la figura 2. El factor de relleno representa la cuadratura de la curva I – V. Se representa en términos de porcentaje (%), cuanto mayor sea el factor de relleno en porcentaje, mejor será la celda.

FF =P_M / (Yo_SC ×V_OC )

Con base en los datos de la tabla 1 y la figura 2, podemos determinar el factor de llenado de la siguiente manera;

FF =[5,75 / (0,65 × 11,4)] × 100 =77,59 %

Representado en porcentaje al multiplicarlo por 100.

Eficiencia (ƞ):

• La eficiencia de una célula solar se define como la potencia de salida máxima (P_M ) dividido por la potencia de entrada (P_IN ). Se mide en porcentaje (%), lo que indica que este porcentaje de energía solar de entrada se convierte en energía eléctrica. La potencia de entrada es la densidad de potencia. Por lo tanto, para calcular la eficiencia, multiplique P_IN en STC por área. La eficiencia se puede calcular de la siguiente manera;

ƞ =P_M / (P_IN × área)

Si el área dada de la celda es 0.01 m ² , P_M =5,75 W_P entonces la eficiencia en condiciones de prueba estándar se puede dar como;

ƞ =[5,75 W_P / (1000W/m ² × 0,01 m ² )] =57,5 ​​%

Representado en porcentaje al multiplicarlo por 100.

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Tecnologías fotovoltaicas

Hay una amplia variedad de celdas solares disponibles en el mercado, el nombre de la tecnología de celdas solares depende del material utilizado en esa tecnología. Por lo tanto, diferentes celdas tienen diferentes parámetros de celda, como densidad de corriente de cortocircuito, eficiencia, voltaje de circuito abierto, factor de llenado, etc. La siguiente tabla 2 muestra la lista de celdas disponibles comercialmente y el rango de valores de sus parámetros.

Tabla 2

Tipo de celda	Eficiencia (%)	Tensión de circuito abierto (V)	Densidad de corriente (mA/cm 2 )	Área de la celda (cm 2 )	Factor de relleno (FF)
Silicio monocristalino	14 – 17	0,55 – 0,68	30 – 38	5 – 156	70 – 78
Silicio multicristalino	14 – 16	0,55 – 0,65	30 – 35	5 – 156	70 – 76
Si amorfo	6 – 9	0,70 – 1,1	8 – 15	5 – 200	60 – 70
Telururo de cadmio	8 – 11	0,80 – 1,0	15 – 25	5 – 200	60 – 70
Seleniuro de cobre-indio-galio	8 – 11	0,50 – 0,7	20 – 30	5 – 200	60 – 70
Arseniuro de galio	30 – 35	1.0 – 2.5	15 – 35	1 – 4	70 – 85

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Factores que afectan la energía generada por las celdas solares

Eficiencia de conversión (ƞ):

No toda la luz que cae sobre la celda solar se convierte en energía eléctrica. La eficiencia de conversión se conoce como la relación entre la energía eléctrica generada y la energía luminosa de entrada. No podemos cambiar la eficiencia de la celda, según el proceso de fabricación y el material utilizado en ella y su valor permanece fijo.

Potencia máxima de celda solar P_M depende del voltaje que desarrolla a través de la terminal de la celda y la corriente que puede suministrar. El área de la celda es uno de los factores importantes que afectan la potencia de salida desarrollada por la celda. El valor de la potencia de salida se puede determinar para una potencia de entrada dada en (W/m ² ), la eficiencia de conversión de la celda en (%) y el área de la celda en (m ² ).

La eficiencia de la celda solar se da bajo STC y la potencia de entrada (P_IN ) se toma como 1000 W/m ² . Por lo tanto, al usar la fórmula que se proporciona a continuación, podemos determinar la potencia de salida generada para diferentes eficiencias.

P_M =(P_IN × Área) × ƞ

Digamos que tenemos que calcular la potencia de salida en STC con eficiencias del 30 % y 25 % y un área de 0,01 m ² . Por lo tanto, para una eficiencia del 30% obtenemos;

P_M =(1000 W/m ² × 0,01 m ² ) × 0,30 =3 W_P

Y para una eficiencia del 25 % obtenemos;

P_M =(1000 W/m ² × 0,01 m ² ) × 0,25 =2,5 W_P

Cantidad de luz de entrada:

La intensidad de la luz que incide sobre la celda sigue cambiando a lo largo del día. Dependiendo de la luz que cae sobre la celda, la corriente y el voltaje de la celda cambian. La corriente generada por la celda depende directamente de la luz que cae sobre ella.

Desde la mañana hasta la tarde, la luz que incide sobre la celda aumenta, por lo tanto, la corriente generada por la celda también aumenta. Desde la tarde hasta la puesta del sol, la luz que cae sobre la celda disminuye, por lo que la corriente generada por la celda también disminuye. No hay mayor variación en el voltaje de salida de la celda ya que no se ve afectado por la variación de la luz solar.

Digamos que tenemos que calcular la potencia de salida para una celda que tiene un área de 0,01 m ² para una potencia de entrada de 1000 W/m ² y 800W/m ² teniendo una eficiencia del 25%. Así, para una potencia de entrada de 1000 W/m ² obtenemos la potencia de salida de la siguiente manera;

P_M =(1000 W/m ² × 0,01 m ² ) × 0,25 =2,5 W_P

Y para una potencia de entrada de 800 W/m ² ;

P_M =(800W/m ² × 0,01 m ² ) × 0,25 =2 W_P

Como podemos ver, hay una disminución en la potencia de salida debido a una disminución en la potencia de entrada. Por lo tanto, la cantidad de energía generada por la celda es proporcional a la luz solar.

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Área de celda:

La corriente de cortocircuito de la celda solar depende del área de la celda. La corriente de salida es directamente proporcional al área de la celda. Cuanto mayor sea el área de la celda, la cantidad de corriente generada también es grande y viceversa. Por ejemplo, uno de 200 cm ² producirá una corriente de 2 A y una de 200 cm ² producirá una corriente de 4 A para la misma irradiancia de 1000 W/m ² .

Como vimos antes, la densidad de corriente se obtiene dividiendo la corriente por el área de la celda. La densidad de corriente (J_SC ) es fijo para una determinada intensidad de luz solar y no depende de la zona. Tomemos un ejemplo donde tenemos que calcular la corriente de salida de la celda solar que tiene un área de 20 cm ² y 50cm ² .

Tener una densidad de corriente constante de 35 mA/m ² . La corriente de salida para 20 cm ² se puede calcular de la siguiente manera;

Yo_SC =J_SC × Área =35 mA/m ² × 20 cm ² =0,70 A

La corriente de salida para 50 cm ² se puede calcular de la siguiente manera;

Yo_SC =J_SC × Área =35 mA/m ² × 50 cm ² =1,75 A

Por lo tanto, a partir del cálculo anterior, está claro que cuanto mayor sea el área de la celda, mayor será el valor de la corriente y menor será el área de la celda, menor será el valor de la corriente.

El ángulo de la luz (θ):

La celda solar produce la máxima potencia de salida para la luz solar dada cuando el ángulo de la luz y la celda son perpendiculares entre sí (es decir, 90 ^o ) como se muestra en la figura 3. Cuando el ángulo de incidencia de la luz es menor o mayor de 90 ^o como se muestra en la figura 3, producirá una potencia de salida inferior a la capacidad máxima de potencia de salida de la celda.

Cuando la luz incide en un ángulo mayor o menor de 90 ^o alguna parte de la luz se refleja, y la luz utilizada por la celda es menor que la luz que cae sobre ella. Esto da como resultado una reducción de la potencia de salida generada por la celda. Es por esta razón que debemos instalar la celda solar en un ángulo perpendicular a la luz que cae para generar la máxima electricidad posible.

Temperatura de funcionamiento (T):

Los fabricantes proporcionan el voltaje, la corriente y la potencia nominal de la celda en el STC con una irradiancia de 1000 W/m ² y temperatura de 25 ^o Pero en la práctica, la temperatura de la celda solar varía debido a la temperatura ambiente y, además, las celdas están encerradas en vidrio, por lo que la temperatura de la celda solar aumenta aún más.

Este cambio de temperatura afecta el voltaje, la potencia y la eficiencia de la celda, el aumento de la temperatura de la celda por encima del STC reduce la salida de estos parámetros. La disminución de estos parámetros difiere para las diferentes células solares disponibles en el mercado.

Tomemos un ejemplo para comprender la disminución de uno de los parámetros (es decir, el voltaje). Una celda tiene un voltaje de salida de 0.9 V en STC. La temperatura de funcionamiento de la celda es de 50 ^o C. El voltaje de salida de la celda disminuye en 2,1 mV/ ^o C. ¿Cuál puede ser el nuevo valor del voltaje de salida?

ΔT =T_real – T_estándar =50 – 25 =25 ^o C

El voltaje de salida reducido =Voltaje de circuito abierto (V_OC ) en STC – (Disminución de tensión – ΔT) =0,9 – (2,1 × 10 ^-3 × 25) =0,84 V

A partir del cálculo anterior, se puede concluir que hay una disminución en el voltaje de salida si la temperatura sube por encima de STC (es decir, por encima de 25 ^o C).

Conclusión

Gracias al desarrollo de la tecnología de semiconductores, podemos convertir abundante luz solar en electricidad. En este artículo, estudiamos el funcionamiento de la celda solar, los diferentes tipos de celdas, sus diversos parámetros, como el voltaje de circuito abierto, la corriente de cortocircuito, etc., que nos ayudan a comprender las características de la celda. También se estudiaron los factores que afectan la energía generada por la celda, incluida la eficiencia de conversión de energía, la cantidad de luz de entrada, el área de la celda, etc. que afectan el rendimiento y nos ayudan a comprender el comportamiento de la celda en un escenario diferente. Con la comprensión de la tecnología de celdas solares, podemos utilizarla de la mejor manera posible para cumplir con nuestros requisitos energéticos diarios.