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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Probador de celdas solares. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía Puede utilizar células solares como cualquier otra fuente de energía. Cada uno de ellos está diseñado para mantener una cierta cantidad de corriente a un voltaje determinado. Sin embargo, a diferencia de las fuentes de alimentación convencionales, las características de salida de una célula solar dependen de la cantidad de luz incidente. Por ejemplo, una nube entrante puede reducir la producción de energía en más del 50%.
Además, no todos los elementos producen la misma potencia en las mismas condiciones de iluminación, incluso si los elementos son idénticos en tamaño y diseño. Las desviaciones en las condiciones tecnológicas pueden provocar una variación notable en las corrientes de salida de elementos de un mismo lote. Estos factores deben tenerse en cuenta al diseñar y fabricar estructuras de células solares. Por tanto, si se desea garantizar el máximo rendimiento de los convertidores fotovoltaicos, es necesario comprobar todos los elementos. Para comprender mejor qué parámetros deben probarse, veamos primero las características de una célula solar de silicio. Características del convertidor fotoeléctrico Siempre que trabaje con cualquier fuente de energía, debe comprender cuál es la relación entre voltaje y corriente, así como su dependencia de la carga. En la mayoría de los casos, la relación está determinada por la ley de Ohm. Desafortunadamente, las células solares de silicio son dispositivos no lineales y su comportamiento no puede describirse mediante una fórmula sencilla. En cambio, se puede utilizar una familia de curvas fáciles de entender para explicar las características de un elemento (Figura 1).
100 mW/cm2 corresponde a la irradiancia creada por el flujo directo de radiación solar sobre la superficie terrestre al nivel del mar al mediodía con un cielo despejado; 75 mW/cm2 corresponden a 3/4; 50 mW/cm2 - 1/2; 25 mW/cm2 - 1/4 de esta iluminación. Las características corriente-tensión (Fig. 1) se pueden estudiar con más detalle utilizando el diagrama que se muestra en la Fig. 2. El circuito mide los voltajes de salida y la corriente que fluye a través de una carga resistiva variable. Supondremos que la intensidad de la luz permanece constante durante el proceso de medición. Primero, use un potenciómetro para establecer el valor máximo de resistencia. En este caso, en realidad no hay corriente en el circuito y el voltaje de salida resultante se puede considerar igual al voltaje del circuito abierto, que es el voltaje que genera el elemento cuando no se le conecta ninguna carga. Es de unos 600 mV (0,6 V). La magnitud de este voltaje puede variar ligeramente de un elemento a otro de un mismo lote y de un fabricante a otro. A medida que disminuye la resistencia de la resistencia, el elemento se carga cada vez más. Como ocurre con una batería normal, esto provoca un aumento del consumo de corriente. Al mismo tiempo, la tensión de salida cae ligeramente, como debería ocurrir con una fuente de alimentación no regulada. Hasta ahora esto no es sorprendente. Entonces sucede algo extraño. Se llega a una situación en la que, a medida que disminuye la resistencia de la carga, la corriente de salida ya no aumenta. Nada puede provocar un aumento de corriente, ni siquiera un cortocircuito. En la práctica, esta corriente se denomina con razón corriente de cortocircuito. En esencia, el generador solar se ha convertido en una fuente de corriente continua. Surge la pregunta: ¿qué pasa con la tensión? El voltaje disminuirá constantemente en proporción al aumento de la carga.
Tan pronto como la resistencia de la carga sea cero, el voltaje caerá a cero. Por cierto, un cortocircuito del convertidor fotoeléctrico no provoca su fallo. La cantidad de corriente que puede desarrollar un elemento depende de la intensidad de la luz. Para la primera medición, seleccionamos arbitrariamente el nivel de irradiancia más alto, que corresponde a la curva superior (Fig. 1). Cada curva posterior se obtuvo sobre el mismo elemento con una disminución gradual de la intensidad de la luz. curva de potencia Si fuera necesario graficar la dependencia de la potencia de salida con respecto al voltaje, entonces el resultado podría ser algo similar al que se muestra en la figura. 3. En un extremo del gráfico hay una corriente máxima a voltaje cero. Por supuesto, en este punto no se libera energía debido a la falta de voltaje. En el otro extremo del gráfico hay un voltaje máximo con corriente cero, lo que tampoco provoca que se libere energía. Entre estos dos límites, cuando el convertidor fotovoltaico opera en la carga, se libera potencia y la potencia máxima se libera en un solo punto. Es aquí donde la combinación de todos los factores garantiza la selección de la mayor energía de la célula solar. La potencia máxima corresponde a un voltaje de aproximadamente 450 mV (0,45 V), que coincidentemente coincidió con la inflexión de la curva de corriente que se muestra en la Fig. 1. El hecho de que la familia de curvas de corriente tenga la misma forma significa que siempre obtendremos la máxima potencia con el mismo voltaje, independientemente del brillo del sol. Por supuesto, la potencia real dependerá de la intensidad de la radiación solar en un momento dado, pero la potencia máxima se observará con el mismo voltaje. Por lo tanto, para evaluar adecuadamente la calidad de una célula solar de silicio, es necesario cargarla de modo que el voltaje de salida sea de 0,45 V y luego medir la potencia de salida. Este método es eficaz no sólo para comparar elementos entre sí en las mismas condiciones, sino también para evaluar la calidad de un elemento individual.
Desarrollo del esquema de prueba. Como ya se mencionó, para probar células solares se puede utilizar el circuito que se muestra en la Fig. 2. Por cierto, este es un método rápido y simple, según el cual, después de conectar el elemento al circuito especificado, solo necesita configurar el voltaje apropiado usando un potenciómetro y tomar lecturas de instrumentos que miden voltaje y corriente. Multiplicando el voltaje y la corriente, puedes obtener el valor de la potencia. Sin embargo, cada elemento es ligeramente diferente y por lo tanto las resistencias correspondientes a la potencia máxima de los elementos individuales también serán diferentes. Y de acuerdo con esto, es necesario cambiar la resistencia de carga cada vez para restaurar el voltaje de funcionamiento requerido. Además, la energía generada por la célula solar se disipa completamente en el potenciómetro, provocando que se caliente y se vuelva inestable. Una solución radical a este problema sería reemplazar la resistencia de carga en el circuito. ¿Qué podría ser mejor que un transistor? Este es un gran reemplazo. En esta aplicación particular, se puede considerar al transistor como una resistencia dinámica. Una pequeña corriente de base del transistor, configurada como se muestra en la Fig. 4 provoca un cambio significativo en la corriente del colector. La corriente de base en realidad cambia la resistencia del transistor, que a su vez se utiliza como carga para la célula solar.
Desafortunadamente, el transistor tiene la misma desventaja que el potenciómetro, es decir, la necesidad de ajustar la corriente base al cambiar el elemento bajo prueba. Esta operación es fácil para una pequeña cantidad de elementos, pero supongamos que necesita verificar 30, 40 o más elementos. Tomará demasiado tiempo. Sería bueno encontrar una manera de ajustar automáticamente la corriente base sin tener que configurarla manualmente cada vez. Sería muy deseable tener un regulador de voltaje en paralelo. Un regulador de voltaje paralelo es un regulador rodeado por un circuito de retroalimentación que utiliza el voltaje de entrada para controlar la corriente base. Independientemente del voltaje de entrada inicial, el regulador paralelo cambia su resistencia en derivación para que el voltaje de salida se mantenga en el nivel requerido. El principio de funcionamiento del circuito. Como resultado llegamos al diagrama que se muestra en la Fig. 5, que utiliza un amplificador operacional para regular la corriente de base del transistor. Una resistencia de 220 ohmios sirve para limitar la corriente base. El regulador compara la tensión de entrada procedente del convertidor fotovoltaico con una tensión de referencia. Normalmente se utiliza un circuito de diodo zener como fuente de voltaje de referencia. Sin embargo, en nuestro caso necesitaríamos un diodo Zener con un voltaje de estabilización extremadamente bajo, preferiblemente inferior a 1 V. Desafortunadamente, los diodos Zener para tales voltajes son muy sensibles a los cambios de temperatura o caros (normalmente ambos juntos). Por otro lado, un diodo de silicio polarizado directamente puede servir como una excelente referencia de bajo voltaje.
El diodo D1, cuya polarización directa está establecida por la resistencia R1, determina el rango de voltaje del regulador, limitando el voltaje en la resistencia de ajuste de "calibración". El voltaje de referencia del control deslizante de este potenciómetro se suministra a la entrada no inversora del amplificador. El voltaje del convertidor fotoeléctrico se suministra a la entrada inversora del amplificador a través de la resistencia R3. La resistencia R4 establece el valor de ganancia del amplificador operacional (en este caso es 100). Debido a su diseño, el amplificador operacional intenta ecualizar el voltaje a través de sus entradas inversoras y no inversoras controlando la corriente que fluye a través del transistor de control de derivación Q1. El transistor reduce el voltaje de entrada a un valor tal que se vuelve igual al voltaje en la derivación de la resistencia VR1. Este voltaje se puede ajustar entre 0-0,7 V. Sin embargo, en realidad el transistor no puede tener la resistencia cero que se requiere para reducir el voltaje a cero. No importa cuánto lo intentes, el transistor retendrá un pequeño voltaje residual de aproximadamente 150 mV. Esto limita el rango de regulación a 0,15-0,7 V. Контрольные приборы El voltaje en la célula solar se mide con un voltímetro M1 y la corriente que fluye a través del transistor en derivación con un amperímetro M2. La potencia (en vatios) se determina multiplicando las lecturas de ambos dispositivos. El voltímetro está conectado directamente al elemento. Es un dispositivo de panel diseñado para una corriente de 1 mA, con una resistencia limitadora en serie que permite indicar 1 V cuando la desviación es de escala completa. Por otro lado, se utiliza un amplificador operacional junto con el amperímetro M2 para medir la corriente. El circuito está diseñado de modo que la corriente del emisor del transistor Q1 debe fluir a través de la resistencia R13. Esta corriente corresponde a la corriente generada por la célula solar. Cuando la corriente fluye a través de la resistencia R13, se crea una pequeña caída de voltaje. Se amplifica mediante un amplificador diferencial, cuyo voltaje a las entradas inversoras y no inversoras se suministra a través de las resistencias R6 y R7, respectivamente. El valor de ganancia está controlado por las resistencias R8-R10. La resistencia R8 está conectada permanentemente entre la salida y la entrada inversora. Su resistencia es de 3 MΩ y el valor de ganancia correspondiente es 300. Cuando una corriente de 13 mA fluye a través de la resistencia R100, el voltaje de salida del amplificador es de 1 V. La tensión de salida del amplificador diferencial se mide con un voltímetro idéntico al voltímetro M1. Este dispositivo está calibrado en unidades de corriente. En nuestro caso, una tensión de 1 V corresponde a una corriente de 100 mA. Cuando se conecta la resistencia R8 en paralelo con la resistencia R10, la ganancia se reduce a 60. En este caso, un voltaje de 1 V en la salida del amplificador corresponde a una corriente de 500 mA que fluye a través de R13. Así, hemos ampliado el rango de corrientes medidas, abarcando valores de 100-500 mA. De manera similar, cuando se conecta la resistencia R9 en paralelo a la resistencia R8, se pueden medir corrientes en el rango de 0-3 A. Diseño del probador Aunque se puede fabricar un probador de células solares mediante cualquier método, recomiendo encarecidamente utilizar un circuito impreso. La placa de circuito impreso se muestra en la Fig. 6. Coloque los detalles del circuito según la Fig. 7 y soldarlos observando la polaridad de los semiconductores. Tenga en cuenta que el transistor en derivación Q1 está ubicado en el lado metálico de la placa. El transistor debe atornillarse con cuidado a una gran almohadilla de cobre que actúa como disipador de calor. En este caso, no es necesario aislar el cuerpo del transistor.
Idealmente, las resistencias R6 y R7 deberían formar una conexión coincidente. Sin embargo, las resistencias precisas son caras y difíciles de obtener. Por lo tanto, recomiendo tomar un pequeño grupo de resistencias de 10 kOhm y medirlas con un multímetro digital. No llevará mucho tiempo encontrar dos resistencias que coincidan entre sí. Los componentes restantes se pueden utilizar como resistencias R2 y R3. Por otra parte, la resistencia R13 no es una resistencia ordinaria. Dudo que puedas encontrar una resistencia como esta en una tienda normal. Pero se puede fabricar a partir de un trozo de alambre de 10 cm de largo y 0,26 mm de diámetro, que se suele utilizar para devanados. Enrolle el cable alrededor del marco (lápiz) para que la bobina resultante encaje exactamente en el tablero. La precisión de la medición de corriente depende de la precisión al seleccionar el valor de la resistencia R13. Para aumentar la precisión, puede comenzar con un trozo de cable de un poco más de 10 cm y acortarlo, monitoreando el valor actual con un amperímetro M2. Dos instrumentos de medición, un regulador de calibración y un interruptor de rango, se colocan junto con una placa de circuito impreso en cualquier alojamiento adecuado. Al conectar estos componentes, se debe respetar la polaridad. Para suministrar energía al dispositivo, se requieren dos fuentes de 12 voltios con terminales de polaridad positiva y negativa y un cable común con conexión a tierra. El tipo de fuentes de energía y el voltaje no son críticos. Si lo desea, el probador puede alimentarse con dos baterías de 9 voltios para receptores de transistores. El diagrama de una de las posibles fuentes de energía se muestra en la Fig. 8.
Probablemente el más difícil de encontrar o fabricar sea un soporte con dispositivo de contacto para células solares. Aquí debes mostrar algo de imaginación. Una pieza plana de aluminio ligeramente más grande que la propia celda es un buen electrodo para hacer una conexión con el contacto trasero de la celda, mientras que una sonda voltímetro hace un excelente contacto con la parte frontal de la celda solar. Para automatizar las pruebas, es posible que necesite comprar o fabricar una abrazadera especial. Como dije, se necesitará un poco de imaginación y comprensión de qué se necesita exactamente.
Trabajando con el probador El probador es muy fácil de usar. Debe conectar el elemento al circuito, iluminarlo y tomar lecturas. El contacto trasero del elemento es un electrodo positivo y está conectado a la entrada positiva del probador. La rejilla colectora de corriente en la superficie frontal del elemento es un electrodo negativo y está conectada al terminal de tierra del probador. Es necesario asegurar un contacto confiable con los electrodos del elemento. Dado que se trata de un voltaje bastante bajo, incluso una pequeña resistencia de contacto puede provocar una diferencia significativa en las lecturas. Para garantizar una conexión confiable, es necesario que los contactos estén lo suficientemente presionados contra el elemento. Sin embargo, se debe evitar una presión excesiva, ya que los elementos son muy delgados, frágiles y fáciles de romper. Aquí es donde resulta útil un dispositivo de contacto con elementos bien diseñado. El regulador de "calibración" establece el voltaje de funcionamiento al que se mide la potencia. Generalmente se establece una vez a 450 mV. Sin embargo, si es necesario, se puede cambiar el voltaje de funcionamiento. En resumen, si tienes un probador, no tienes que adivinar los parámetros de los elementos, sino medirlos. Autor: Byers T.
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