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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.

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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

Actas de Ingeniería Vol. 1, pp. 42-46, 2015

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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.

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

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

𝐼𝐶 = 𝐼𝐿 − 𝐼𝑑 (𝑒𝑞𝑉𝑑𝑚𝑘𝑇 − 1) −

𝑉𝑑

𝑅𝑝 (1)

𝑉𝐶 = 𝑉𝑑 − 𝐼𝐶 ∙ 𝑅𝑆 (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 corto-circuito (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)

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

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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.

1.1 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 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.

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.

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 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.

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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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