Influencia de la irradiación y temperatura sobre una placa fotovoltaica

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Las condiciones de funcionamiento de una célula fotovoltaica tales como la irradiación y la temperatura afectan directamente a la tensión, intensidad y potencia generada por la misma y es conveniente saber cómo afectan estas condiciones en el comportamiento de una célula solar.

Antes de continuar es necesario introducir dos conceptos fundamentales: tensión de circuito abierto y corriente de cortocircuito.

La tensión de circuito abierto VOC es la diferencia de potencial que se alcanza cuando una célula fotovoltaica es iluminada, sin estar en conectadas las regiones P y N, siendo proporcional a la iluminación recibida. Es el máximo valor de tensión de la célula.

La corriente de cortocircuito ISC es aquella que se genera cuando las regiones P y N están unidas por un conductor exterior con una resistencia nula y es proporcional a la iluminación recibida. Es el máximo valor de intensidad de la célula.

células

Una situación intermedia entre las dos imágenes anteriores sería un circuito donde las regiones P y N estuvieran unidas mediante un conductor y se encontrase una resistencia receptora. En tal caso, la tensión proporcionada por la célula se podría obtener mediante la ley de ohm (VL=IL*R). A mayor resistencia, el circuito se comportaría como un circuito abierto (R=∞,I=0), y con una muy pequeña se comportaría como si estuviera en cortocircuito (R=0, I=∞).

La potencia suministrada por la célula se expresa mediante la siguiente ecuación:

PL = VL * IL

Se cumple siempre que la intensidad IL y la tensión VL en el receptor son inferiores a la intensidad de cortocircuito Isc y a la tensión de circuito abierto Voc, respectivamente.

Cuando hablamos de la potencia máxima capaz de suministrar una célula se suele utilizar la siguiente terminología:

Pmax = Vmpp*Impp

Si representamos la intensidad y la potencia frente a la tensión generada por una célula a temperatura e irradiación constante obtendremos las curvas características I-V o P-V, donde podremos ver cuál es la potencia máxima y extrapolar ese punto para obtener la intensidad en el punto de máxima potencia Immp y la tensión en el punto de máxima potencia Vmmp. Conviene pues hacer trabajar a la célula fotovoltaica cerca de este punto.

temperatura5

La potencia máxima en condiciones estándar de medida (CEM) o Standard Test Conditions (STC), que son: temperatura de la célula 25ºC, irradiancia 1000 W/m2 y AM (masa de aire) 1,5, también se denomina potencia de pico de la célula.

Sin embargo, los sistemas fotovoltaicos raramente operan en condiciones estándar. Las condiciones de funcionamiento son muy variables, pudiendo variar en un rango de 0 – 1000 W/m2 en el caso de la irradiancia y temperatura de la célula hasta 50ºC superior a la temperatura ambiental.

Efectos de la irradiancia

La tensión y corriente genera en una célula depende directamente de la iluminación recibida. La corriente de cortocircuito de la célula es directamente proporcional a la irradiancia como se muestra en la figura siguiente, disminuyendo a medida que se reduce la irradiancia. La tensión de circuito abierto varía poco con la irradiancia, aunque también decrece, a efectos prácticos se puede considerar constante.

 temperaturapv

La intensidad de cortocircuito, ISC, varía con la irradiancia, siendo esta variación lineal acorde a la siguiente expresión:

ecuacion1

Donde:

ISC(G): intensidad de cortocircuito para una irradiación G (A)

ISC(STC): intensidad de cortocircuito en condiciones CEM (A)

G: irrandiancia (W/m2)

Efecto de la temperatura

Por otro lado, la temperatura afecta de manera considerable a la tensión, tal y como muestra la figura siguiente:

temperatura2

Como se aprecia la tensión de circuito abierto disminuye cuando aumenta la temperatura. La intensidad de cortocircuito, sin embargo, aumenta cuando aumenta la temperatura, aunque la variación es muy pequeña y a efectos prácticos se considera constante.

Es evidente que si la tensión de la célula disminuye cuando aumenta la temperatura y la intensidad prácticamente se mantiene constante, la potencia entregada por la célula, disminuirá cuando aumente la temperatura de la célula, tal y como muestra la siguiente figura:

temperatura3

La temperatura de trabajo de una célula está íntimamente relacionada con la temperatura ambiente y la irradiación y se puede obtener mediante la siguiente fórmula:

ec2

Donde:

Tc: temperatura de trabajo de la célula (ºC)

Ta: temperatura ambiente (ºC)

TONC: temperatura de operación nominal de la célula (ºC)

G: irrandiancia (W/m2)

El valor de la temperatura de operación nominal de la célula (TONC) es un parámetro que se obtiene de las hojas características de los módulos fotovoltaicos, toma valores que van de 43 a 49ºC y si no se dispone de él se puede tomar 45ºC como un valor razonable.

TONC o NOCT “Nominal Operating Cell Temperatura” corresponden a una irradiaciancia en el plano del módulo de 800 W/m2, con orientación normal a la radiación incidente al mediodía solar, temperatura ambiente de 20ºC, velocidad del viento de 1 m/s y funcionamiento en circuito abierto.

Conclusiones

Podemos concluir este post diciendo que a mayor irradiación, mayor intensidad de cortocircuito, y que a mayor temperatura, menor tensión de circuito abierto, menor potencia máxima generada y mayor intensidad de cortocircuito. Esta variación respecto a la temperatura se expresa también mediante los coeficientes intensidad-temperatura (α) y tensión-temperatura (β):

– coeficiente intensidad-temperatura (α): variación de la intensidad de cortocircuito de un módulo fotovoltaico por grado centígrado de variación de la temperatura de sus células. Se especifica en valor absoluto en mA/ºC o en valor relativo como %/ºC. Un valor típico de α en células de silicio es 0,63 mA/ºC.

– coeficiente tensión-temperatura (β): variación de la tensión de circuito abierto de un módulo fotovoltaico por grado centígrado de variación de la temperatura de sus células. Se especifica en valor absoluto en mV/ºC o en valor relativo como %/ºC. Un valor típico de β en células de silicio es -2,3 mV/ºC.

Bibliografía

– Módulos fotovoltáicos. [Consulta: 08/11/2014]. Disponible en: http://oretano.iele-ab.uclm.es/~carrion/Bibliografia/BOMBEO%20FOTOVOLTAICO/

– INGEMECÁNICA. Instalación solar fotovoltaica para vivienda. [Consulta: 08/11/2014]. Disponible en: http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn192.html

– SIV HELENE NORDAHL.  Design of Roof PV Installation in Oslo. [Consulta: 08/11/2014]. Disponible en: http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:566421/FULLTEXT01.pdf

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5 comentarios sobre “Influencia de la irradiación y temperatura sobre una placa fotovoltaica

    Beneficios de las placas solares en cubiertas vegetales escribió:
    27 julio, 2015 en 12:36

    […] esta gráfica extraída de la página web Ingelibre, se aprecia que el voltaje de la célula disminuye cuando aumenta su temperatura. En el caso de la […]

    Beneficios de las placas solares en cubiertas vegetales escribió:
    27 julio, 2015 en 14:51

    […] esta gráfica extraída de la página web Ingelibre, se aprecia que el voltaje de la célula disminuye cuando aumenta su temperatura. En el caso de la […]

    carmenlu escribió:
    21 abril, 2016 en 05:51

    Un marco de ventana de aluminio es de 4350 mm de longitud y sostiene un vidrio de 4347 mm de longitud cuando la temperatura es de 35 °C . ¿a qué temperatura el marco de aluminio y la hoja de vidrio tendrán la misma longitud?

    Julian escribió:
    22 mayo, 2016 en 19:36

    Hola en conclusión en sistemas de cortocircuito donde la temperatura del panel es de 60 grados y los amperios disminuyen es aconsejable refrigeral los paneles , o al tener más intensidad cargan igual con un regulador mppt ? Gracias

    Gerardo Varela escribió:
    15 septiembre, 2016 en 15:43

    Muy buena información!!! Amigo podrías mencionar cual es la fuente o en que libro puedo encontrar la información de que las placas solares se pueden elevar 50 °C por encima de la temperatura ambiente (también necesito la mínima). Al que me ayude le puedo enviar un poco de dinero por oxxo!!!!!

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