System for characterization of photovoltaic panels Sistema para

Actas de Ingeniería
Vol. 1, pp. 42-46, 2015
http://fundacioniai.org/actas
System for characterization of photovoltaic panels
Sistema para caracterización de paneles fotovoltaicos
Carlos Robayo L.1, Sergio Serna G.2
1carlosg(AT)robayo.net, 2sergioserna(AT)itm.edu.co
Instituto Tecnológico Metropolitano – Colombia
Artículo de investigación
ABSTRACT
The electrical power generation from photovoltaic panels is in growth, this due to necessity of renewable power sources with minimal
environmental impact. Therefore, required a systems for electrical characterization of photovoltaic panels, with aim of maximize
power extraction. This paper proposes an automatic system for electrical characterization of photovoltaic panels, which allows
obtaining V/I, P/V and I/P curves from an electronic load controlled by serial port, a data acquisition card and a LabVIEW program.
The system allows characterizing both photovoltaic panels and photovoltaic strings with voltage to maximum power of 18V and
current to maximum power of 5A. The characteristic curves are stored in a database for future references.
Keywords: Characterization of photovoltaic panels, electronic charge, LabVIEW, DSSC photovoltaic panels.
RESUMEN
La producción de energía eléctrica a partir de paneles fotovoltaicos cada vez gana mayor importancia, esto se debe
fundamentalmente a la necesidad que se tiene de fuentes de energía alterna a las convencionales y con mínimo impacto ambiental.
Por esta razón, se requieren sistemas que permitan caracterizar eléctricamente los paneles solares, de tal forma que se pueda
maximizar la extracción de energía que de ellos se puede obtener. En este artículo se propone un sistema automático para la
caracterización eléctrica de paneles fotovoltaicos, el cual permite obtener las curva de V/I, V/P e I/P a partir de una carga
electrónica controlada por puerto serie, una tarjeta de adquisición de datos y un programa de computador realizado con LabVIEW.
El sistema permite caracterizar paneles o arreglos fotovoltaicos con voltaje de operación de hasta 18V y corriente máxima de 5A.
Los datos de las curvas características son almacenados en una base de datos para futuras referencias.
Palabras clave: Caracterización de paneles fotovoltaicos, carga electrónica, LabVIEW, paneles fotovoltaicos DSSC.
© 2015. IAI All rights reserved
1
Introducción
Las fuentes de energía alternativa han tomado un
gran auge en los últimos tiempos, fundamentalmente las
pilas de combustible, los aerogeneradores, los paneles
fotovoltaicos, entre otros [1-10]. Las pilas de combustible
basadas en hidrógeno tienen como ventajas la ausencia
de polución y la predictibilidad de la energía almacenada
en el combustible, lo que las hace ideales para
aplicaciones móviles, tales como automóviles o
electrónica de consumo. Por el momento, sus deficiencias
son el suministro de hidrógeno y la respuesta a las
perturbaciones en la carga [6, 11-14]. Los
aerogeneradores se usan principalmente en aplicaciones
estacionarias, tales como residenciales aisladas o con
conexión a la red. Estos dispositivos se encuentran en un
amplio rango de potencias y son usados principalmente
en grandes granjas eólicas conectadas directamente a la
red, que requieren de amplias extensiones de campo
abierto y presentan riesgos debido a su tamaño y peso.
Otros sistemas eólicos de baja potencia se utilizan en
sectores urbanos o en instalaciones aisladas de los
sistemas eléctricos [1, 4, 8, 10, 15, 16].
La fuente de energía de interés para este trabajo son
los paneles fotovoltaicos, que son principalmente usados
en aplicaciones residenciales y de inyección a la red.
Estos sistemas necesitan áreas extensas debido a su
eficiencia de conversión (aproximadamente 12% - 14%)
y su potencia máxima es altamente sensible al
sombreado parcial de la superficie. Los principales retos
que debe afrontar esta tecnología tienen que ver con la
optimización de su punto de trabajo frente a
perturbaciones ambientales y de carga, así como la
minimización del efecto de las sombras [17-24].
Se han realizado varios trabajos para caracterizar
paneles fotovoltaicos, como el de Yang y Chen [25],
quienes utilizan un modelo de celda solar construido en
LabVIEW [26] y se basan en las características de salida
de un panel de silicio, simulando la potencia solar con
diferentes puntos de radiación, resistencia interna y
factor de forma del modelo. Los resultados verifican la
característica no-lineal de salida de estas celdas y
confirman que la resistencia interna es un factor clave
para el punto de máxima potencia y para el factor de
forma de las celdas solares. Ming, Zhizhang y Zhang [27]
describen el efecto del viento en la eficiencia de los
paneles solares y utilizan programación en LabVIEW
para comprobar los resultados del cálculo teórico con el
análisis comparativo.
Li y Zheng [28] investigan las características V/I y
V/P de las celdas solares y los módulos fotovoltaicos
cuando operan con sombreado parcial. Examinan la
relación entre las propiedades semiconductoras y las
42
exigencias eléctricas externas; además, grafican las
características de extracción de potencia del sistema.
Concluyen que bajo condiciones de sombra irregulares
los paneles presentan múltiples picos en sus
características fotovoltaicas. Magsi, Macdonald y
Shterengas [29] estudian dos tipos de tecnologías de
celdas solares: el estándar de la industria basada en
silicio y el emergente basado en nuevos materiales de
tintes sensibilizados. Diseñan experimentos y realizan
mediciones utilizando LabVIEW y una tarjeta de
adquisición de datos. Los resultados formulan
perspectivas para mejorar la eficiencia de la nueva
tecnología. Por último, Ma et al. [30] construyen un
sistema con LabVIEW para describir las curvas
características V/I y calcular los parámetros
característicos básicos de los paneles. Los resultados
demuestran que el sistema puede medir con precisión
todos los parámetros de la celda solar.
Estos autores no realizan la caracterización
automática de paneles solares reales, mientras que en
este trabajo se presenta un sistema para la
caracterización de paneles fotovoltaicos que permita
determinar de forma automática las curvas V/P, I/P y V/I
de paneles fotovoltaicos de silicio, de esta manera se
puede comprobar la veracidad de las hojas de datos
proporcionadas por los fabricantes y cuantificar con
mayor precisión los parámetros de los controladores
diseñados para las pruebas de laboratorio. El trabajo se
organiza de la siguiente manera: se presentan los
elementos teóricos básicos que fundamentan el modelo
eléctrico del panel, luego la metodología y los
componentes empleados en el desarrollo del trabajo, y
posteriormente los resultados y conclusiones.
2
Fundamentación de la caracterización
Dos elementos básicos se deben considerar al
momento de caracterizar los paneles: la radiación solar y
la temperatura. El rendimiento de los paneles se puede
evaluar con el factor de forma.
de energía en los paneles dependa de ella. En el modelo
eléctrico de un panel solar se encuentra, entre otros
elementos, un diodo (Figura 1) cuya corriente depende
de la temperatura, como se relaciona en las ecuaciones
(1) y (2).
Figura 1: Modelo de panel solar
𝑞𝑉𝑑
𝐼𝐶 = 𝐼𝐿 − 𝐼𝑑 (𝑒 𝑚𝑘𝑇 − 1) −
𝑉𝐶 = 𝑉𝑑 − 𝐼𝐶 ∙ 𝑅𝑆
𝑉𝑑
𝑅𝑝
(1)
(2)
Donde IL es proporcional a la intensidad de
iluminación de la luz solar, m es el factor de idealidad del
diodo (1 para un diodo ideal), Id es la corriente de
saturación inversa que depende de la temperatura, q es
la carga elemental, k es la constante de Boltzmann y T es
la temperatura absoluta [28].
2.3 Factor de Forma
El Factor de Forma (FF) de una celda o panel solar
es el cociente entre la potencia real (Vpmax x Ipmax) de las
celdas solares frente a la salida de potencia en cortocircuito (Voc x Isc) (Figura 2), y es un parámetro clave para
evaluar el rendimiento de las celdas solares. Las celdas
solares típicas tienen un factor de forma mayor 0.70. Se
deben rechazar las celdas con bajo FF (celdas de grado B)
que tienen un factor de forma por lo general del 0.4 al
0.65, lo que las hace ineficientes.
𝐹𝐹 =
𝐼𝑝𝑚á𝑥 ×𝑉𝑝𝑚á𝑥
𝐼𝑆𝐶 ×𝑉𝑂𝐶
(3)
El FF es otro término para definir la eficiencia de
una celda solar (4).
𝜂=
𝐹𝐹×𝐼𝑆𝐶 ×𝑉𝑂𝐶
𝑃𝑚
(4)
2.1 Radiación solar
Es la energía electromagnética emitida por los
procesos de fusión del hidrógeno contenido en el sol. La
intensidad y la distribución espectral de esta radiación
que llega a la superficie terrestre dependen de la
composición de la atmósfera. En el suelo la energía solar
se encuentra dentro del intervalo de longitud de onda de
0.2 a 2.5 micrómetros distribuidos así: de 0.2 a 0.38
micrómetros es la denominada luz ultravioleta que
contiene aproximadamente el 6.4% de la energía total en
el espectro; de 0.38 a 0.78 micrómetros está la luz visible
que aporta aproximadamente el 48% de la energía total
del espectro; de 0.78 a 10 micrómetros está el infrarrojo,
que contiene el restante 45.6% de la energía. La zona útil
para las celdas fotovoltaicas empieza en 0.35
micrómetros y comprende todo el infrarrojo. La
intensidad máxima de la energía solar está comprendida
entre 0.5 y 0.55 micrómetros.
2.2 Temperatura
Es importante tener en cuenta la temperatura en el
momento de la toma de muestras, porque la generación
Figura 2: Área efectiva del Factor de Forma
Donde η es la eficiencia de conversión y Pm es la
potencia máxima real del panel. Las celdas analizadas
hasta el momento con el sistema que se describe en este
artículo tienen un FF con valores entre 0.51 y 0.81 y una
eficiencia entre 6% y 10.2%.
3
Metodología del proyecto
El proyecto se llevó a cabo en el Laboratorio de
Fuentes de Energía Renovable del Instituto Tecnológico
Metropolitano [31], que cuenta con los equipos de
medida y de potencia, paneles solares y software,
necesarios tanto para este proyecto como para otros
enfocados en las fuentes de energía renovable y que ha
43
sido escenario de trabajos de investigación de Ingeniería,
Maestría y Doctorado de la Universidad Nacional de
Colombia y el Instituto Tecnológico Metropolitano, y se
proyecta como alternativa de capacitación e
investigación en el tema para toda la región.
El diagrama de despliegue del sistema de
caracterización de paneles fotovoltaicos puede verse en
la Figura 3, donde se identifican cinco grandes bloques:
los paneles fotovoltaicos, los sensores de voltaje y
corriente, la carga electrónica, la tarjeta de adquisición
de datos y el computador con la aplicación LabVIEW.
1.2 Software del sistema
LabVIEW es un entorno de desarrollo gráfico
utilizado por la industria y la academia en la adquisición
de datos y el control de instrumentos por software. Con
la integración de LabVIEW, el hardware y las funciones
de adquisición de datos, el sistema puede dibujar las
curvas V/I, V/P y I/P automáticamente, manipulando la
carga para calcular los parámetros de rendimiento de los
paneles. La Figura 4 muestra el flujo de datos del sistema
de caracterización de paneles.
1.1 Dispositivos y equipos
La plataforma requiere equipos de generación,
paneles fotovoltaicos, equipos de medida, sensores y
tarjeta de adquisición de datos, y equipos para prueba y
carga electrónica.
Figura 4: Esquema de flujo de datos
1.3 Algoritmo de caracterización de paneles
El diagrama de flujo de la Figura 5 representa los
pasos que se deben seguir, ya sea para consultas de
caracterizaciones pasadas o para ingresar datos nuevos.
El algoritmo evidencia la flexibilidad de la plataforma a la
hora de caracterizar los paneles, porque permite
almacenar la información con todas las características
necesarias para su posterior recuperación.
Figura 3: Diagrama de despliegue del sistema de
caracterización de paneles fotovoltaicos
 Paneles
solares
fotovoltaicos.
Los
paneles
fotovoltaicos utilizados son Hybrytec FV8512 [32] de
características prácticamente iguales al clásico
BP585, esto es: 18.75 V a máxima potencia, 22.16 V en
circuito abierto, 4.8A a máxima potencia, 5.15 A en
corto circuito y 13.04% de eficiencia.
 Carga Electrónica. Como carga resistiva se hace uso
del módulo de carga BK PRECISION 8514; La carga es
un dispositivo de dos terminales que pueden
conectarse a fuentes de DC. Este tipo de cargas
electrónicas se utilizan para el diseño, la fabricación y
la evaluación de las fuentes de alimentación, tales
como baterías químicas, pilas de combustible,
pruebas de celdas fotovoltaicas o cualquier elemento
generador. La carga puede operar bajo cuatro
diferentes modalidades constantes: voltaje, corriente,
potencia y resistencia. Para la operación de este
sistema la carga es controlada desde el software, que
le indica los valores de corriente que debe consumir,
desde 0A hasta un valor definido con una
conmutación de milisegundos y con un total de
muestras predefinidas. La comunicación se hace de
forma remota a través de una interfaz serie (RS-232).
 Tarjeta de adquisición de datos (DAQ). Se utiliza la
tarjeta DAQ NIPCIe-6363 [33] del mismo fabricante
del software LabVIEW, National Instrument, y que es
completamente compatible con él, facilitando la
captura y procesamiento de datos.
Figura 5: Algoritmo de caracterización complejo
2
Resultados y Conclusiones
La interfaz del aplicativo de la plataforma puede
verse en la Figura 6, en la que se puede seleccionar el
puerto donde está conectada la carga y se puede observar
que se identifican los campos para ingresar las
condiciones de prueba, tales como la cantidad de
muestras y el incremento de corriente, la radiación solar
y temperatura, así como los valores de corriente de corto
circuito, voltaje de circuito abierto y potencia nominal
del panel, esto con el fin de configurar la carga electrónica
para que se proteja de problemas de funcionamiento de
la plataforma. Igualmente, tiene campos donde se
muestra la corriente, el voltaje medido y la potencia
calculada. Esta información se organiza en una tabla y
con ella se construye una gráfica de voltaje contra
corriente. A través de un botón el usuario puede o no
guardar la información.
44
Figura 6: Interfaz del aplicativo en LabVIEW
Los resultados obtenidos con la utilización de la
solución en una celda fotovoltaica Hybrytec FV8512 se
guardan en la base de datos y luego se llevan a Matlab
para crear las gráficas de caracterización que se
muestran en la Figura 7. Se observan curvas típicas dadas
por los fabricantes de paneles y en concreto para este
panel según [32], y con un distanciamiento de no más del
5% en la información obtenida por el aplicativo contra
los proporcionados por la hoja de datos. Por lo anterior,
la plataforma presenta resultados satisfactorios, que en
caso de ser necesario pueden ser mejorados con sensores
más precisos y de mayor ancho de banda.
Figura 7: Graficas de caracterización del panel
Agradecimientos
Este trabajo se realizó en el marco de los proyectos
de investigación P14-215 y P14-220 del grupo de
investigación en Automática, Electrónica y Ciencias
Computacionales
del
Instituto
Tecnológico
Metropolitano. Igualmente, hace parte de la tesis de
maestría PM13102.
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