Especificaciones técnicas de una celda solar fotovoltaica

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En el artículo sobre energía solar fotovoltaica y celdas solares fotovoltaicas se definieron los conceptos técnicos básicos del efecto fotovoltaico y la característica corriente-voltaje que se requieren para entender y trabajar con las celdas solares fotovoltaicas. Allí se estableció que una celda solar fotovoltaica no es más que una curva característica corriente-voltaje de un dispositivo que cuando se ilumina se comporta como se muestra en la figura 1. Es decir, se produce un desplazamiento de la curva en corriente y voltaje cuando se ilumina el dispositivo, y el área debajo de la curva es proporcional a la potencia que genera la celda solar fotovoltaica.

Característica I-V de una celda solar fotovoltaica
Curva característica de una celda solar fotovoltaica iluminada. La potencia es proporcional al área debajo de la curva.

 

Voltaje de circuito abierto y corriente de corto circuito de la celda solar fotovoltaica

Aquí definiremos los puntos críticos importantes en la característica corriente voltaje de la celda solar fotovoltaica que son los que establecen los parámetros con los cuales se identifican las característica técnicas de estos dispositivos. Hay dos puntos críticos que son muy importantes a definir que son el Voc y el Isc de la celda (ver figura 1). El Voc corresponde al punto en que la curva corta al eje horizontal de voltaje cuando la celda solar fotovoltaica está iluminada pero el circuito eléctrico está totalmente abierto, es decir, que no puede circular una corriente eléctrica neta. Por ello, es que este punto se denomina voltaje Voc (oc viene de “open circuit” del inglés) o voltaje de circuito abierto. Si usted tiene una celda solar en su mano, para medir el Voc lo único que tiene que hacer es colocar un voltímetro en los contactos de salida de la celda solar fotovoltaica; el voltaje que usted mide de esta manera cuando la celda está iluminada corresponde precísamente al Voc. Dependiendo del material con que está fabricada esa celda solar fotovoltaica o de la tecnología en el diseño de la celda, los voltajes que se obtienen están en el orden de 0.25 a 0.7 voltios. Si su celda solar es por ejemplo de silicio monocristalino el voltaje de circuito abierto está por el orden de los 0,54 voltios.

El otro punto de interés es el Isc (sc viene de “shor circuit” del inglés), que se denomina corriente de corto circuito. En este caso la celda solar fotovoltaica se ilumina y los dos contactos de la celda se conectan entre sí, lo que pone en corto circuito a la celda solar. La corriente neta que se genera en estas condiciones es lo que se denomina corriente de corto circuito o Isc. Para medir esta corriente simplemente se coloca un amperímetro entre los dos contactos eléctricos de una celda solar fotovoltaica cuando la celda se ilumina. La corriente medida de esta manera corresponde con la Isc. Si usted está midiendo el Isc de una celda solar fotovoltaica de silicio monocristalino por ejemplo, los valores de corriente pueden variar entre 30 mA a unos 250 mA (mA son miliamperios).

Cuando el voltaje de la celda se aproxima demasiado a Voc o la corriente generada tiende a Isc entonces la potencia total generada por la celda tiende a cero. Esto lo entenderá mejor en la siguiente sección.

Punto de máxima potencia de la celda solar fotovoltaica

Como he mencionado varias veces la potencia que genera una celda solar fotovoltaica es proporcional al área que queda entre los ejes (de corriente y voltaje) y la curva caractertística del dispositivo cuando esté está iluminado. Esta es el área que está sombreada en la figura 1. Recordando que potencia eléctrica es igual al voltaje por la corriente (P = V x I ), entonces es posible identificar el punto sobre la curva donde se produce la máxima potencia posible.

Antes de identificar el punto de máxima potencia debemos entender como funciona la celda solar fotovoltaica. Realmente cuando la celda está funcionando, es decir que está recibiendo luz sobre su superficie, el dispositivo genera un voltaje y una corriente eléctrica de manera simultánea, lo cual le permite a la celda generar la potencia eléctrica. Pero el voltaje y la corriente que se genera sólo depende de la carga eléctrica que se conecta a la celda. La carga eléctrica se refiere al dispositivo que consume esa potencia, por ejemplo un bombillo o cualquier dispositivo eléctrico. La carga es la que establece en que punto sobre la curva característica corriente-voltaje se estabiliza la celda. Para visualizar claramente la forma en que funciona la celda solar fotovoltaica tiene que saber que cuando usted ilumina el dispositivo sólo se genera un punto de toda la característica corriente-voltaje, si varía las condiciones de carga entonces ese punto cambia su valor de voltaje y corriente y se desplaza describiendo precisamente la forma de la característica corriente-voltaje. Es decir la celda siempre que está funcionando se encuentra en un solo punto particular de la curva característica corriente-voltaje que viene establecido por la carga que tratamos de alimentar con la celda solar. En la figura 2 muestro tres casos particulares de cargas conectadas a una misma celda pero que ponen a trabajar a la celda solar en diferentes puntos de la característica corriente-voltaje.

 

Punto de trabajo de celdas solares fotovoltaicos
Celdas solares fotovoltaicas con tres carga distintas que ponen a trabajar a la celda en diferentes puntos de su característica corriente voltaje.

Lo que debemos recordar es simplemente que esos puntos sólo se pueden mover sobre la curva característica corriente-voltaje de la figura 1. En la figura 2 es más sencillo determinar la potencia que está generando la celda solar, ya que es simplemente el área del cuadrado que queda definido por el punto de trabajo (punto rojo en la figura 2) al que se ha estabilizado la celda solar fotovoltaica. Como puede ver la potencia que se puede extraer de la celda solar queda definida por la carga que se conecta a dicha celda. Por tanto, para poder aprovechar la máxima potencia posible de una celda solar fotovoltaica necesitamos una carga que ponga a trabajar a la celda solar en un valor de voltaje y corriente que genere el cuadro con el área más grande posible. Este punto de voltaje y corriente es lo que se llama el punto de máxima potencia y es el valor al cual siempre deberíamos poner a trabajar a nuestra celda solar fotovoltaica si queremos sacar el máximo provecho a este dispositivo. El voltaje y corriente en el punto de máxima potencia se denominan Vmp e Imp, respectivamente. En la figura 2 se puede observar que este valor de máxima potencia corresponde a la gráfica 2c.

Así cuando nos venden una celda solar de una determinada potencia, por ejemplo 1 vatio, este valor corresponde justamente al punto de máxima potencia para esa celda solar. Si esa celda se conecta con una carga que la pone a trabajar en un punto diferente al punto de máxima potencia, entonces esa celda puede producir mucho menos de 1 vatio, e incluso podría no producir prácticamente ninguna potencia si se pone a trabajar cerca del Voc (figura 2a) o del Isc (figura 2b), aunque esté recibiendo toda la luz sobre su superficie.

Celdas solares y paneles solares fotovoltaicos

Ya sabemos lo que es una celda solar fotovoltaica: son dispositivos que generan potencia eléctica cuando se iluminan. El problema es que la potencia que generan actualmente son muy pequeñas y están en el orden de 0.5 a 1 vatio. Esta potencia es demasiado pequeña para alimentar cualquier dispositivo eléctrico o electrónico. Por ello es que se recurre al fabricación de paneles solares fotovoltaicos donde se colocan muchas celdas solares fotovoltaicas en serie, para aumentar los voltajes de trabajo hasta unos 21 voltios, y en paralelo para aumentar la corriente de trabajo hasta varios amperios. Con este arreglo se logran producir paneles solares que actualmente tienen potencia de hasta 300 vatios. Por supuesto, los paneles solares se comportan exactamente igual que una celda solar fotovoltaica, y la potencia nominal a la que se refieren se produce sí y sólo si ponen a trabajar en su punto de máxima potencia. Por tanto, un panel solar también tiene un Voc, un Isc, un Vmp y un Imp que corresponde a la resultante de la suma de todas las caracteristicas de trabajo de las celdas solares fotovoltaicas con las cuales se fabrica el panel solar.

Así, si usted conoce y trabaja con celdas solares fotovoltaicas o paneles solares fotovoltaicos usted no los llama de esa manera sino que simplemente se refiere a ellos como un equipo que tiene un Voc, un Isc, un Vmp y un Imp. No importa de que material estén fabricados, no importa para nada su eficiencia de producción, ni el tamaño, ni ningún otro parámetro más que estas especificaciones para diseñar y poner en funcionamiento cualquier sistema de energía solar fotovoltaico.

Esta información de Voc, Isc, Vmp e Imp se encuentra en las etiqueta de todos los paneles solares que usted aquiera, y es lo único que requiere saber para poder hacer el diseño de sus sistemas. Por supuesto, hay otros detalles que usted verá más tarde sobre irradiancias, temperaturas y otros factores que afectan el comportamiento de los sistemas de energías solar fotovoltaica, pero que son detalles técnicos específicos que sólo le ayudarán al perfeccionamiento del diseño de su sistema de energía solar fotovoltaica.

En cualquier caso debe entender que trabajar con las celdas solares fotovoltaicas o paneles solares fotovoltaicos es un poco truculento, porque necesitamos colocarlas siempre en el punto de máxima potencia para poder generar la potencia nominal que está indicada en sus especificaciones técnicas. Si colocamos una carga que no pone a la celda o panel en su Vmp o Imp entonces estaremos siempre produciendo mucho menos energía de la que es capaz de producir.

Si tienes alguna inquietud sobre las celdas o paneles solares fotovoltaicos no dudes en preguntar o comentar al respecto…

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