Comportamiento de los parámetros característicos de un módulo fotovoltaico
Behavior of the characteristic parameters of a photovoltaic module
DOI: http://dx.doi.org/10.21704/ac.v81i1.1632
Autor de correspondencia (*): Alata, J. Email: [email protected]
© Universidad Nacional Agraria La Molina, Lima, Perú.
Forma de citar el artículo: Alata, J. 2020. Comportamiento de los parámetros característicos de un módulo
fotovoltaico. Anales Cientícos 81 (1): 220-228 (2020).
Josue Eliezer Alata Rey
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Universidad Nacional Agraria La Molina, Lima, Perú. Email: [email protected]
Recepción: 1/10/2019; Aceptación: 15/05/2020
Resumen
En el presente trabajo tiene por objetivo evaluar el comportamiento de los parámetros
característicos de un módulo fotovoltaico, considerando a la radiación solar como variable
de entrada y al voltaje, corriente y temperatura de la placa como variables de salida. Par
tal efecto, se realizaron mediciones durante las horas de mayor incidencia solar, es decir
entre las 10:00am y 2:00pm, donde se tomaron datos cada 10 minutos de: radiación solar,
voltaje en circuito abierto, corriente en corto circuito y temperatura de la placa; los cuales
fueron registrados en una data para su posterior análisis. Los resultados demostraron que
conforme aumenta la radiación solar, aumenta la corriente de cortocircuito; así mismo,
conforme aumenta la temperatura en la palca disminuye el voltaje en circuito abierto; además,
alrededor del mediodía se tuvo la mayor radiación solar. Finalmente, se considera que la
generación de energía eléctrica a través de módulos fotovoltaicos, es sólo una fracción del
complejo problema del consumo energético, en el cual se plantea la búsqueda de soluciones
que puedan existir para corregir el consumo excesivo de la energía eléctrica y evitar daños
al medio ambiente; por lo tanto, es necesario conocer los parámetros característicos de los
módulos fotovoltaicos.
Palabras clave: Energía solar; módulo fotovoltaico; parámetros característicos; voltaje;
amperaje; radiación solar.
Abstract
The purpose of this paper is to evaluate the behavior of the characteristic parameters of a
photovoltaic module, considering solar radiation as an input variable and the plate voltage,
current and temperature as output variables. For this purpose, measurements were made
during the hours of greatest solar incidence, that is, between 10:00 am and 2:00 pm, where
Anales Cientícos
ISSN 2519-7398 (Versión electrónica)
Website: http://revistas.lamolina.edu.pe/index.php/acu/index
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data were taken every 10 minutes of: solar radiation, open circuit voltage, short circuit current
and temperature of the plate; which were recorded in a data for later analysis. The results
showed that as solar radiation increases, the short-circuit current increases; likewise, as the
temperature in the handle increases, the open circuit voltage decreases; In addition, around
noon there was the greatest solar radiation. Finally, it is considered that the generation of
electrical energy through photovoltaic modules, is only a fraction of the complex problem of
energy consumption, in which the search for solutions that may exist to correct the excessive
consumption of electrical energy and prevent damage is considered to the environment;
therefore, it is necessary to know the characteristic parameters of the photovoltaic modules.
Keywords: Solar energy; photovoltaic module; characteristic parameters; voltaje; amperaje;
solar radiation.
Por ello, Ospino (2014) sostiene que
en los últimos años se ha desarrollado un
marcado interés por la aplicación de las
fuentes renovables de energía; en particular,
la fotovoltaica. Este proceso es acelerado por
la reducción de los costos de fabricación de
paneles solares, inversores y componentes
del sistema, así como por la intensicación
de sus aplicaciones ya sea en régimen
aislado, conectados a las redes o formando
parte de sistemas híbridos en diferentes
procesos y localizaciones geográcas.
Mientras que, Henao (2016) argumenta
que la energía solar es una fuente limpia y
renovable de electricidad con bajo impacto
ambiental, disponibilidad en el sitio de
consumo y sostenibilidad. La energía del sol
se convierte en energía eléctrica mediante el
efecto fotovoltaico utilizando celdas solares.
Por su parte, Ramos (2018) plantea que
la energía solar fotovoltaica puede denirse
como la producción de electricidad por
conversión directa de la energía lumínica.
En los últimos años, el mercado fotovoltaico
se ha basado en la utilización de paneles de
silicio para producir energía solar con una
eciencia máxima de alrededor del 22%.
Mientras tanto, Osorio (2015) sostiene
que desde el punto de vista energético son
ecientes, porque generan electricidad en
el mismo lugar que se consume, atenuando
signicativamente las pérdidas por
distribución. En este sentido, las cubiertas
ofrecen mayor potencial de integración
1. Introducción
Para la gran mayoría de los peruanos,
la electricidad es algo que siempre está
disponible, se presiona un interruptor y
algo se prende, se conecta un artefacto
electrodoméstico y éste funciona, sin estar
conscientes que detrás de estas simples
acciones hay un largo camino, una gran
infraestructura que puede ser afectada por
factores climáticos, políticos, económicos o
sociales. Hoy en día, los temas de ahorro
y uso eciente de la energía, adquieren
vigencia a raíz de los problemas del
calentamiento global, generando como
consecuencia la contaminación ambiental
por los gases de efecto invernadero, cuyo
objeto se enmarca en el planteamiento de
soluciones y aplicación de medidas factibles
y detener el deterioro ambiental del planeta.
Cabe destacar que la electricidad debe
ser generada, transportada, distribuida,
medida y facturada, pero todo este proceso
requiere de un sistema eléctrico que debe
mantenerse al día, donde se incluye personal
especializado y alta tecnología en materiales
y equipos. Todo esto es para reexionar y
pensar en la necesidad de no malgastar este
recurso, ni los que la hacen posible. En vista
de esto, el gobierno y algunas empresas
privadas están emprendiendo planes,
programas económicos y energéticos, con la
nalidad de aumentar las reservas existentes
y disminuir el uso desproporcionado que se
tiene de la energía eléctrica.
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en términos de producción energética,
por ser las supercies mejor situadas y de
mayor extensión, libres de obstáculos y
restricciones.
A su vez, Cáceres (2010) argumenta
que, para la expansión de los sistemas de
generación descentralizada, la generación
fotovoltaica conectada a red representa una
alternativa conveniente ya que, debido a sus
características físicas, estos sistemas pueden
ser instalados en puntos convenientes de la
red sin necesidad de realizar obras civiles de
gran envergadura.
Mientras que, Willians (2012) sostiene
que los módulos solares son los elementos
encargados de la conversión de energía solar
en eléctrica, son el elemento principal del
sistema fotovoltaico y representan un gran
porcentaje de la inversión inicial. Esto nos
importa porque también es el elemento que
se encuentra más expuesto a condiciones
adversas y por ende del que resulta necesario
realizar un estudio de la degradación con el
pasar de los años.
Además, Sánchez (2008) plantea que
los parámetros eléctricos y de temperatura
de los módulos fotovoltaicos que
proporciona el fabricante están referidos a
una condición climática de referencia; así
como los parámetros que informan sobre la
inuencia de la temperatura del módulo en
el funcionamiento del mismo.
Finalmente, Echeverría (2014)
argumenta que los fabricantes de paneles
solares proveen las curvas de corriente-
tensión (I-V) para algunos valores de
irradiancia y temperatura, junto con un
conjunto acotado de datos eléctricos y
térmicos. Desafortunadamente, algunos
de los parámetros necesarios para ajustar
el modelo del panel no son consignados,
por lo que se utilizan algoritmos para su
obtención. Los mismos deben ser ecientes
y lo sucientemente precisos como para
reproducir elmente el comportamiento del
dispositivo.
Considerando lo anteriormente expuesto
se platea la necesidad de realizar una
evaluación de los parámetros característicos
de salida de un módulo fotovoltaico,
parámetros como: voltaje, corriente y
temperatura; considerando para ello que la
variable de entrada será la radiación solar
o irradiancia; todo esto, a n de garantizar
el suministro eléctrico a través de esta
tecnología y así evitar desperfectos en las
cargas que se lleguen a conectar después de
su implementación en un sistema eléctrico.
2. Materiales y métodos
Módulo Fotovoltaico:
El principal equipo a utilizar fue el módulo
fotovoltaico, encargado de captar la energía
solar. Esta se encarga de convertir la energía
solar en energía eléctrica, por medio de
celdas que aprovechan el efecto fotovoltaico.
Las características técnicas del módulo
fotovoltaico, de la Figura 1, son: largo
127.70 cm, ancho 64.00 cm, espesor 3.10
cm, celdas 72 (cada celda mide 10.2 cm
de largo y ancho), potencia 100Wp, tipo
Monocromático.
Figura 1. Foto de un módulo fotovoltaico de
100Wp
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Piranómetro:
El piranómetro digital, de la Figura 2, es un
instrumento meteorológico utilizado para
medir de manera muy precisa la radiación
solar incidente sobre la supercie de la tierra.
Esto lo hace mediante un cable que en su
extremo tiene un pequeño sensor en forma
de cilindro, en donde directamente llega la
radiación solar a n de medir la radiación
directa; además se pudo medir la radiación
difusa tapando el sensor con algún objeto
como por ejemplo un cuaderno.
Figura 2. Foto de un piranómetro digital
Amperímetro:
El amperímetro digital, de la Figura 3, es
un instrumento que se utiliza para medir
la intensidad de corriente en cortocircuito que
está circulando por el módulo fotovoltaico,
en este caso se usó un amperímetro digital
de alta precisión.
Voltímetro:
El voltímetro digital, de la Figura 4, es un
instrumento que sirve para medir el voltaje
en los módulos, en este caso fue necesario
para medir el voltaje en circuito abierto.
Figura 3. Foto de un amperímetro digital
Figura 4. Foto de un voltímetro digital
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Termómetro:
El termómetro digital, de la Figura 5,
permitió medir la temperatura que se iba
registrando en el módulo fotovoltaico; a
través de una conexión directa entre este
instrumento y el módulo pudimos conocer la
temperatura de la placa del módulo.
Figura 5. Foto de un termómetro digital
Panel de contacto (uniones de circuitos):
El panel, de la Figura 6, permitió hacer
buen contacto entre los instrumentos de
medición con el modulo fotovoltaico, y con
ello se pudo realizar buenas mediciones;
habían tuercas de color rojo y negro para las
conexiones.
En la Figura 7, se observa las mediciones
que se realizaron en el distrito de La
Molina, cuya ubicación se encuentra en
12°04′40″S 76°54′40″O, durante el mes de
febrero, entre las 10:00 am y las 2:00 pm.
Figura 6. Foto de un panel de contacto
Figura 7. Foto de las mediciones en el
módulo fotovoltaico
Procedimiento
Los instrumentos ya descritos se probaron
previamente y se instalaron en una mesa de
trabajo; las mediciones empezaron desde las
10:00 am.
Se utilizaron cables eléctricos N°16,
para conectar el módulo fotovoltaico con el
panel de contacto, esto se hizo ya que con
este panel la conexión mejoraba y así se
podía tomar mejores lecturas de voltaje e
intensidad.
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Con todos los cables unidos al panel de
contacto, se pudo medir la intensidad de
corriente con el amperímetro. Se unió el
cable de color negro con la tuerca negra y
el cable de color rojo con la tuerca de color
rojo, esto debido a la polaridad.
Para medir el voltaje se utilizó el
voltímetro, se unió el cable de color negro
con la tuerca negra y el cable de color rojo
con la tuerca de color rojo.
El piranómetro se usó para medir la
radiación solar; la luz entraba a un pequeño
cilindro de plástico y el piranómetro
mostraba la radiación directa, luego se
cubrió con la mano este pequeño cilindro
para que no llegue la luz y se tomó otra vez
la lectura al piranómetro, esta lectura era de
la radiación difusa.
La temperatura de la placa se midió
conectando unos cables del medidor de
temperatura hacia los módulos fotovoltaicos.
Los pasos D, E y F se hicieron en
simultaneo, las mediciones empezaron a
las 10 am hasta las 2pm. Las mediciones se
realizaron cada 10 minutos.
La experiencia terminó a las 2:00 pm.
3. Resultados y discusión
Resultados:
Luego de realizar las mediciones
correspondientes, se trasladó todos los
valores obtenidos a la Tabla 1, a n de poder
analizarlos y procesarlos, estos son:
Con los valores obtenidos se procedió
a calcular la radiación solar media cuyo
resultado fue de 6,07 kWh/día para ese día.
En la Figura 8, se observa el comportamiento
de la radiación solar y el tiempo
En la Figura 9, se observa que conforme
se incrementa la radiación solar aumenta la
corriente de cortocircuito en el módulo.
En la Figur 10, se observa que conforme
se incrementa la temperatura en la placa
disminuye el voltaje de circuito abierto.
Tabla 1. Mediciones realizadas en un módulo
fotovoltaico de 100Wp
Hora
Rad.
Directa
(W/m
2
)
Rad. Difusa
(W/m
2
)
Temp.
Placa
(ºC)
Voc (V) Icc(A)
10:00 a.m. 436,0 62,79 40 12,76 3,89
10:10 a.m. 467,9 99,26 42 12,74 4,20
10:20 a.m. 482,7 94,44 45 12,69 4,23
10:30 a.m. 492,7 106,23 45 12,63 4,41
10:40 a.m. 509,4 100,04 46 12,57 4,56
10:50 a.m. 541,2 78,88 46 12,60 4,84
11:00 a.m. 538,6 106,18 46 12,63 4,86
11:10 a.m. 550,9 41,07 45 12,60 4,99
11:20 a.m. 558,8 63,10 46 12,62 5,02
11:30 a.m. 566,8 80,18 47 12,61 5,07
11:40 a.m. 578,7 92,08 47 12,68 5,19
11:50 a.m. 569,4 92,50 47 12,59 5,11
12:00 p.m. 580,6 96,84 50 12,62 5,24
12:10 p.m. 577,4 101,91 49 12,64 5,15
12:20 p.m. 568,1 112,93 46 12,63 5,15
12:30 p.m. 569,1 127,53 46 12,68 5,07
12.40 p.m. 572,6 137,71 46 12,61 5,14
12.50 p.m. 564,5 124,42 46 12,68 5,07
01.00 p.m. 521,4 166,49 45 12,73 4,71
01:10 p.m. 506,9 63,09 46 12,63 4,59
01:20 p.m. 495,2 152,30 48 12,54 4,43
01:30 p.m. 355,4 129,4 44 12,67 2,34
01:40 p.m. 301,3 133,00 44 12,68 4,40
01:50 p.m. 286,4 91,55 40 12,75 2,28
02:00 p.m. 245,4
175,50
40 12,72 4,17
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Figura 8. Gráco radiación solar versus tiempo – fuente propia
Figura 9. Gráco corriente de cortocircuito versus radiación directa - fuente propia
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Figura 10. Graco voltaje de circuito abierto versus temperatura de la placa - fuente propia
Antes de tomar las medidas, todas
las instalaciones deben estar muy bien
conectadas para que no haya un error de
toma de datos.
Es importante que todos los equipos
de medición (termómetro, piranómetro,
voltímetro y amperímetro) estén operativos
y en buen estado; ya que si se desea obtener
buenos resultados va a depender que las
mediciones que se hagan con dichos equipos
sean los más precisos.
Se recomienda automatizar la toma de
datos para poder captar todos los parámetros
a evaluar de forma simultánea, para evitar
posibles errores de lectura durante el tiempo
que toma de datos.
4. Conclusiones
La radiación solar es el factor meteorológico
que mantiene una relación directa con la
generación de energía eléctrica a través del
módulo fotovoltaico; otro factor que permite
determinar el tiempo son las horas diarias
disponibles de sol. Conforme se incrementa
la radiación solar aumenta la corriente de
cortocircuito en el módulo; mientras que
conforme se incrementa la temperatura de
la placa disminuye el voltaje de circuito
abierto. Las mediciones se realizaron entre
10:00am y 2:00pm, con un intervalo de 10
minutos, porque en ese horario la radiación
solar es la mayor del día. La energía solar es
una fuente viable de energía: es inagotable,
gratuita y de fácil utilización a nivel de uso
doméstico, ya que con el aumento de la
tecnología se está disminuyendo los costos
de fabricación de sus componentes. El
camino de las energías renovables está en
marcha y es aceptado por la sociedad debido
a las múltiples ventajas que tiene y que es
consecuencia del cambio climático de la
emisión de los gases combustibles que gran
parte de ellos provenientes de la generación
de energía, es lógico suponer que el sector
fotovoltaico experimentará un gran impulso
en los próximos años, con el consiguiente
benecio ecológico y al mismo tiempo
abrirá un gran abanico de posibilidades a la
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industria fotovoltaica y a los inversionistas
públicos o privados que apuesten por esta
tecnología.
5. Agradecimientos
Al Departamento Académico de
Mecanización y Energía, de la Facultad
de Ingeniería Agrícola, de la Universidad
Nacional Agraria La Molina, por brindarme
las facilidades con los equipos de medición
y así realizar la presente investigación.
6. Literatura citada
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Vera, L. 2010. Modelo matemático
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Echeverría, N.; Cervellini, M.; García, R.;
González, S.; Funes, M.; Carrica, D.
2014. Extracción de Parámetros de
un Panel Solar Utilizando Algoritmos
Genéticos. ISBN 978-987-29873-0-5
Henao, E.; Márquez, D.; Villegas, J.;
Serna, S.; Ramos, C.; González,
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potencia. ISSN 0123-7799
Osorio, L.; Montero, R. 2015. Análisis
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Ospino, A.; Robles, C.; Duran, A. 2014.
Modelado y simulación de un panel
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inteligencia articial. ISSN 1815 -
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Ramos, S. 2018. Fabricación y caracterización
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maestría, Universidad de Sevilla,
España. 44 pp.
Sánchez, E.; Torreblanca, J.; Izard, J.
2008. Caracterización de módulos
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real.
Willians, R. 2012. Análisis del
comportamiento de módulos
fotovoltaicos; diagnósticos,
modelado matemático de curvas I-V
y P-V, y construcción de prototipo
de trazador de curvas I-V. Tesis de
maestría, Instituto Politécnico de
Bragança, Portugal. 84 pp.
