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Conocimientos sobre energía solarTRANSCRIPT
20/04/2012
Estudiar la viabilidad técnica y económica de los distintos proyectos de energía. Analizar el estado de la tecnología y las posibles áreas de mayor crecimiento futuro.
José Gonzálvez Carrillo Alicante 2012 Curso energía solar fotovoltaica y térmica
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Curso energía solar fotovoltaica y térmica TEMA 1.- INTRODUCCIÓN
1.1.- Introducción a la electricidad
1.2.- El sol en la esfera celeste
1.3.- Tipos de instalaciones de energía solar en la edificación
1.4.- Célula y módulo fotovoltaico
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1.1.- Introducción a la electricidad
La corriente eléctrica Lo que conocemos como corriente eléctrica no es otra cosa que la circulación de cargas o electrones a través de un circuito eléctrico cerrado, que se mueven siempre del polo negativo al polo positivo de la fuente de suministro de fuerza electromotriz (FEM).
En un circuito eléctrico cerrado la.corriente circula siempre del polo.negativo al polo positivo de la.fuente de fuerza electromotriz.(FEM),
Magnitudes
MAGNITUD SIMBOLO UNIDAD SIMBOLO FÓRMULA
CARGA C CULOMBIO C
TENSIÓN V VOLTIOS V V = I x R
INTENSIDAD I AMPERIOS A I = V/R
RESISTENCIA R OHMIOS Ω R = V/I
POTENCIA P VATIOS W P = V x I
ENERGÍA E VATIO POR HORA w x h E = P x t
Desde el punto de vista de sus componentes, tenemos 3 básicos: generador, conductores e interruptor y receptor o carga.
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Este circuito es comparable a un circuito hidráulico en el que el generador produce un desnivel, lo que provoca la circulación de agua por el circuito y su utilización en la carga.
Tensión (o potencial)
Como se ha dicho, el generador crea una diferencia de tensión o, simplemente, una tensión.
La magnitud tensión se representa:
• Por la letra E, cuando se refiere a la fuerza electromotriz (f.e.m.) o tensión creada por el generador,
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• Utilizamos la letra U, para referirnos a la tensión. Unidad (V)
• La caída de tensión es siempre una diferencia de tensión; se prefiere distinguir ambas para resaltar que la caída de tensión se debe precisamente a un producto R.I.
La unidad de tensión es el voltio, cuyo símbolo es la letra V, en mayúscula porque su nombre lo es en honor de Alessandro Volta (1745-1827): se dice que un generador produce una tensión de 1 voltio cuando realiza un trabajo de 1 julio por unidad de carga (culombio).
La tensión o potencial es un desnivel eléctrico, por tanto, sólo puede existir entre dos puntos, por eso se debería decir siempre “diferencia de tensión”, en la práctica, se habla simplemente de tensión cuando la referencia es evidente.
El generador crea un desequilibrio de distribución de carga haciendo que, si se cierra circuito, circule un caudal eléctrico o intensidad de corriente.
Intensidad de corriente
Cuando se cierra circuito entre dos puntos entre los que existe una diferencia de tensión, se produce una circulación ordenada de carga. Esto es precisamente la intensidad de corriente eléctrica.
La magnitud intensidad de corriente se representa por la letra I.
La unidad de intensidad de corriente es el amperio. Su símbolo es la letra A, en mayúscula; se le asignó el nombre en honor de André Marie Ampère (1775-1836).
LEY DE OHM
En 1827, Georg Simon Ohm publicó su célebre ley (en realidad, casi 50 años antes, el excéntrico y tímido Cavendish ya la había descubierto, pero no la había publicado).
Esta ley puede enunciarse así: la intensidad de corriente que atraviesa un medio es directamente proporcional a la diferencia de tensión aplicada entre sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia del medio.
Calcula la potencia de un transformador de ordenador a 230 V y 300 mA
- Solución P= V x I P= 230 x 0,3 = 69
Asociación de resistencias en serie y paralelo.
PLAY
EJERCICIO
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Estudio de tensiones y corrientes
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Medidas con polímetro
Medida tensión
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Medida intensidad
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1.2.- El sol en la esfera terrestre
La energía del Sol
La cantidad de radiación solar (energía) que recibirá una superficie está condicionada por factores de tipo astronómico y geográfico (posición relativa sol-tierra y lugar donde esté ubicada la superficie) y factores de tipo climatológico (presencia de nubes, vapor de agua, ozono,…). En el diseño y los estudios de viabilidad de los sistemas de aprovechamiento de la radiación solar es necesario cuantificar la energía que producirán los sistemas que depende, entre otros factores de la radiación solar (energía) que incide sobre el sistema.
La tierra da una vuelta sobre su eje cada 24 horas y completa una elipse alrededor del sol cada 365.25 días, aproximadamente. La excentricidad de la órbita de la tierra es muy pequeña (0.01673). La distancia más corta entre la tierra y el sol es el perihelio y la mayor el afelio. La distancia media sol-tierra, r0, es una unidad astronómica (UA), y vale 1.496x108Km.
La rotación de la tierra alrededor de su eje causa los cambios en la distribución de la radiación a lo largo del día, y la posición de este eje respecto al sol causa los cambios estacionales.
En la trayectoria de la tierra alrededor del sol hay que destacar los siguientes días:
• Solsticio de verano: máxima duración del día
• Solsticio de invierno: mínima duración del día
• Equinoccios de primavera y otoño: igual duración del día y la noche
Movimiento de la tierra alrededor del sol
La distancia entre el sol y la tierra varía cada día del año.
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El plano de giro de la tierra alrededor del sol se llama plano de la eclíptica. La tierra gira alrededor de su eje polar, que está inclinado aproximadamente 23.5° respecto a la perpendicular al plano de la eclíptica. Este ángulo permanece constante a lo largo del año; sin embargo el ángulo formado por una línea que una los centros de la tierra y el sol y el plano ecuatorial varía cada día. Este ángulo se conoce como declinación solar. La declinación es cero en los equinoccios y varía entre +23.5° y -23.5°. Es mayor que cero en verano para el hemisferio Norte.
Posición relativa sol-superficie horizontal
Para calcular la radiación solar que llega a una superficie horizontal en la tierra, es necesario conocer las relaciones trigonométricas entre la posición del sol y esta superficie. Para conocer la posición del sol en el cielo en cualquier momento se utilizan dos ángulos, conocidos como acimut y altura solar. La altura solar se define como el ángulo, en un plano vertical, entre los rayos del sol y la proyección de éstos sobre un plano horizontal (α). El acimut es el ángulo, medido en el plano horizontal, que forman la proyección de los rayos del sol en este plano con el sur (para el hemisferio Norte)(ψ).
Para especificar la posición de un punto en la superficie de la tierra, es necesario conocer su latitud, φ, y longitud, L.
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La altura solar y el acimut dependen del lugar y del instante en que se miden. La dependencia del lugar se recoge mediante la latitud, la dependencia temporal se recoge en la declinación y el ángulo horario.
Latitud: Ángulo que forma el radio trazado desde un punto cualquiera con respecto al Ecuador
Azimut(α): ángulo que forma la dirección en la cual está orientado el panel, con el plano Norte-Sur.
La orientación correcta de un panel es hacia el Sur. El azimut permite saber cuanto nos desviamos del Sur
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Inclinación: Ángulo que forma el panel con respecto a la horizontal
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Mapa de la trayectoria solar (diagrama cilíndrico)
El mapa de la trayectoria solar se utilizará para determinar si en un emplazamiento concreto, una instalación que utilice la radiación solar como recurso energético recibirá sombras durante el día. Esto permitirá seleccionar el mejor sitio para poner una instalación, es decir, aquél que reciba menos sombras.
Como ya se ha visto, la posición del sol en el cielo en cualquier momento se puede especificar mediante dos ángulos: acimut y altura. Desde el punto de vista de instalaciones solares es interesante conocer el tiempo máximo que la instalación puede "ver el sol". Es decir, hay que conocer las sombras que sobre el mismo proyectarán los diversos obstáculos que haya próximos: montañas, árboles, casas, etc.
Para calcular estas sombras es necesario utilizar la gráfica que determina la posición del sol en cada instante: altura solar frente a acimut. Esta será función de la latitud del lugar considerado. Sobre esta gráfica se "dibujarán" los distintos obstáculos que hacen sombra en la instalación (superficie captadora, paneles, …). Normalmente en esta gráfica se suelen utilizar varios días representativos del año. En la siguiente figura se muestra la gráfica de la altura solar frente al acimut para la localidad de Málaga. La forma de marcar sobre este mapa las sombras es la siguiente: medir la altura de los distintos objetos que hay en el horizonte, y respecto al sur, calcular el ángulo que se encuentran desplazados estos objetos. Utilizar estos datos para dibujar en la gráfica anterior. La altura del objeto será la coordenada y el desplazamiento de su posición respecto al sur será la coordenada x (positivo para objetos al oeste y negativo al este).
DIAGRAMA CILÍNDRICO
Radiación solar
Irradiancia solar (I): es la energía incidente por unidad de tiempo(potencia) sobre una unidad de superficie. Las unidades empleadas son W/m2.
Irradiación o radiación solar (H): la integración de la irradiancia durante un cierto periodo de tiempo, obteniéndose la energía incidente sobre la unidad de superfiecie. Las unidades son los J/m2 o Wh/m2.
La radiación solar que llega a la superficie terrestre está formada por la radiación directa, difusa y reflejada, cuyo conjunto es la radiación Global (HG).
Radiación total (HG)= Directa + Difusa + Albedo
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Para especificar la Radiación Solar Terrestre, es necesario definir los siguientes conceptos:
Radiación Solar Directa: Es la radiación que incide directamente del sol.
Radiación Solar Difusa: Es la radiación dispersada por los agentes atmosféricos (nubes, polvo, etc.)
Radiación Solar Reflejada (albedo): Es la radiación reflejada por el suelo o por los objetos cercanos.
Radiación en superficie
Constante solar (K): Energía solar recibida por unidad de superficie a nivel de la atmosfera terrestre considerando:
- Radiación Solar perpendicular a la superficie.
- Distancia Tierra-Sol variable
Aunque varía a lo largo del año se considera constante:
K=1353 W/m2
Irradiancia solar real
No se calcula, es una estimación de un registro de irradiancias de un lugar.
Se utiliza para predecir la producción media.
Supongamos que el valor de irradiancia para una determinada provincia, en un mes concreto, es 1670 W/m2.
- ¿ A cuántos J/(hora*m2) equivale?
EJERCICIO
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- Solución:
1670 W/m2 x 3600 seg/hora = 6012000 J/ h m2
Existen, en diferentes libros, tablas, webs, (o mapas) de irradiación que tratan de mostrar la radiación incidente en diferentes capitales de provincia y para diferentes inclinaciones de los paneles.
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Irradiancia por zonas
INSTALACIÓN FIJA
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INSTALACIÓN SEGUIMIENTO EJE AZIMUTAL
INSTALACIÓN SEGUIMIENTO EN DOS EJES
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1.3.- Tipos de instalaciones de energía solar en la edificación
Solar térmica La radiación solar calienta un fluido caloportador. - Aprovechamiento radiación de un 50%
Solar fotovoltaica
La radiación solar produce el movimiento de electrones (corriente eléctrica) - Aprovechamiento radiación de un 12%
TIPOLOGÍA DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS Los distintos tipos de configuraciones de instalaciones fotovoltaicas se pueden clasificar en dos grandes grupos de instalaciones:
Instalaciones fotovoltaicas aisladas de la red: cuyo objeto es satisfacer total o parcialmente la demanda de energía eléctrica en un lugar determinado donde no existe red eléctrica convencional. Las aplicaciones más habituales suelen ser las de bombeo de agua y las de electrificación de viviendas rurales, aunque existen otras muchas aplicaciones en telecomunicaciones, señalizaciones, juguetería, etc.
Esquema básico de una instalación fotovoltaica aislada
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Instalaciones fotovoltaicas de conexión a red: tienen como objetivo fundamental generar energía eléctrica, e inyectarla en su totalidad a la red eléctrica de distribución. Estas instalaciones se suelen ubicar en tejados o estructuras fotovoltaicas en edificios, o a modo de grandes centrales de generación fotovoltaica como son los denominados “huertos solares”.
Esquema básico de una instalación fotovoltaica de conexión a red
Otras instalaciones, cuyo número es notablemente inferior a las anteriores, son las instalaciones mixtas, en las que se complementa una instalación fotovoltaica aislada con otro tipo de recurso energético como pueden ser los grupos electrógenos o aerogeneradores.
1.4.- Célula y módulo fotovoltaico
La energía solar fotovoltaica
La palabra fotovoltaico(a) está formada por la combinación de las palabras de origen
griego: foto, que significa luz, y voltaico que significa eléctrico. El nombre sintetiza la
acción de estas celdas: transfomar directamente la energía luminosa en energía eléctrica.
La electricidad es una de las formas de energía más versátil y que mejor se adapta a cada
necesidad. Su utilización está tan extendida que hoy difícilmente podría concebirse una
sociedad tecnológicamente avanzada que no hiciese uso de ella. Los diferentes aparatos
funcionan alimentados con energía eléctrica, bien con corriente continua de pequeña
tensión o de corriente alterna a tensiones mayores.
La luz está formada por un gran número de entidades físicas llamadas fotones, los cuales
participan tanto de las propiedades de los corpúsculos materiales como de las de las
ondas. Los fotones son capaces de interactuar con los electrones de los cuerpos sobre
los que inciden. Mencionaremos dos tipos de interacción: el efecto fotoeléctrico externo y
el efecto fotovoltaico. El efecto fotoeléctrico externo, descubierto por Hertz en 1887,
consiste en un desprendimiento de electrones de la superficie de los metales al chocar
con dicha superficie fotones de suficiente energía, dando lugar a una corriente eléctrica
denominada fotoeléctrica. Las cédulas fotoeléctricas se basan en este efecto.
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Célula fotoeléctrica
El Efecto fotovoltaico, el cual se conoce en bases teóricas desde principios de siglo. Pero
no fue sino hasta 1954 que se logró producir la primera celda fotovoltaica en New Jersey,
EEUU. El fundamento físico teórico del fenómeno del efecto fotovoltaico, trata acerca del
comportamiento de ciertos materiales llamados semiconductores, los cuales bajo ciertas
circunstancias, son capaces de crear una fuerza electromotriz. El proceso llamado
difusión: existen dos tipos de semiconductores: los denominados de tipo N y los de tipo P.
A los primeros se les puede forzar, mediante la adición de pequeñas cantidades de
impurezas apropiadas, a tener un exceso de electrones en determinadas posiciones y a
los segundos un defecto de ellos, o lo que es equivalente, un exceso de "huecos" (lugares
vacíos dejados por los electrones al emigrar éstos a otras posiciones).
Esquema del efecto fotovoltaico
Tipo N, Cuando la substancia difusa cede fácilmente electrones, se crea una zona dentro
del semiconductor que tiene un exceso de cargas negativas (electrones). Esto es lo que
se conoce como semiconductor del tipo N (negativo).
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Tipo P, Cuando la substancia difusa atrapa electrones libres, los átomos que los pierden
quedan cargados positivamente. En esta zona predominan las cargas positivas ("holes",
en inglés) obteniéndose un semiconductor del tipo P (positivo).
Juntura N-P, El proceso de difusión es continuo, permitiendo la formación, en el mismo
material, de dos zonas semiconductoras adyacentes, una del tipo N; la otra del tipo P. El
espacio que separa ambas zonas es la juntura de transición (junction, en inglés).
Estado de equilibrio, La teoría muestra que las cargas mayoritarias en una zona se
desplazan hacia la de baja densidad en la zona opuesta. El desplazamiento de las cargas
negativas y positivas deja a la zona de la juntura totalmente libre de cargas. Las zonas
adyacentes a la misma tienen concentraciones de carga minoritarias (cargas negativas en
el lado P y cargas positivas en el lado N). La acumulación de estas cargas a ambos lados
de la juntura crea una diferencia de voltaje que impide la continuación del desplazamiento
inicial. La corriente de desplazamiento se anula. Se dice entonces que la juntura N-P ha
alcanzado el estado de equilibrio, el que es ilustrado en la figura.
Juntura N-P en Equilibrio
Voltaje de salida, el voltaje de una celda fotovoltaica es de corriente continua (CC). Por
consiguiente un lado es positivo y el otro negativo; para celdas de selenio, este voltaje es
de alrededor de 0,5 V.
Potencia eléctrica de salida, para un instante, la potencia eléctrica proporcionada por la
celda fotovoltaica está dada por el producto de los valores instantáneos del voltaje y la
corriente de salida; este valor es afectado por el comportamiento intrínseco de un material
semiconductor, por el nivel de irradiación luminosa, y el método de fabricación de la celda.
La intensidad luminosa depende, de la insolación, de los factores meteorológicos,
locación, inclinación de la celda respecto a la horizontal, y las variaciones estacionales en
el lugar de utilización.
La tecnología fotovoltaica fue desarrollada a finales de los años 50 como parte de los
programas espaciales, con el fin de desarrollar una fuente de energía económica e
inagotable. Con el descenso de los costes y la mejora del rendimiento, los sistemas
fotovoltaicos han extendido su utilización a numerosas aplicaciones. La transformación
directa de la energía solar en electricidad mediante la conversión fotovoltaica presenta
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ventajas claras: sencillez, modularidad, fiabilidad y operatividad, haciendo que su campo
de aplicación sea muy amplio: desde la utilización en productos de consumo (por ejemplo
calculadoras, etc.), hasta la electrificación de viviendas aisladas o pequeñas comunidades
de vecinos, pasando por las señalizaciones terrestres y marítimas, las comunicaciones o
el alumbrado público.
Material cristalino y policristalino
Las celdas fotovoltaicas que se ofrecen en el mercado actual utilizan dos tipos de
materiales semiconductores. Uno tiene una estructura cristalina uniforme, el otro una
estructura policristalina. El tipo cristalino requiere un elaborado proceso de manufactura,
que insume enormes cantidades de energía eléctrica, incrementando substancialmente el
costo del material semiconductor. La versión policristalina se obtiene fundiendo el material
semiconductor, el que es vertido en moldes rectangulares. Su estructura cristalina no es
uniforme, de ahí el nombre de poli (muchos) y cristalino (cristales). Los dos tipos pueden
ser identificados a simple vista, ya que la estructura cristalina provee una superficie de
brillo uniforme, mientras que la policristalina muestra zonas de brillo diferente. Las foto 01
muestran esta diferencia.
Material cristalino, lingote monocristalino y Material policristalino
Otros procesos de fabricación más sencillos dan lugar a células de silicio amorfo de película delgada, que se utiliza en menor medida. Mayor parte módulos de silicio dopado, tipos:
– Silicio monocristalino, todos los átomos están perfectamente ordenados
– Silicio policristalino, formado por una agrupación de cristales de silicio sin direcciones
de alineamiento.
– Silicio amorfo, no a aparece una red de cristales ordenados.
Material orgánico-Celdas solares de plástico
Estos nuevos materiales son hechos de polímeros conductores y nano-ingeniería de los
materiales. Puede ser cubierto o imprimido en una superficie, es hecho en un proceso
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similar a la película fotográfica. La flexibilidad, la confortabilidad, el rendimiento, el precio y
el peso, son algunas de las características de esta versátil celda solar de plástico;
aumentan la vida de la batería sin aumentar o impedir el factor de forma de diseños de
producto por los demás.
Foto ?02. Material polímero
Material HIT (Heterojuntura con capa fina intrínseca)
La célula solar hit de Sanyo es un modelo híbrido que se combina un substrato de silicio
cristalino y una película fina silicio amorfo, es una tecnología original. Brinda el mejor nivel
de generación de potencia del mundo por unidad de área de instalación, basada en la
conversión eficiente de energía alta superior y resistencia de temperatura. La mejora más
reciente de progreso de la celda HIT de Sanyo fue recientemente usando un grosor de
celda de 98 micrómetros, el cual es menos del medio grosor de la celda previa, viene con
una eficiencia de conversión de energía de celda de 22.8%, el cuál ha sido verificado
independientemente por el National Institute of Advanced Industrial Science and
Technology.
Cortesía de Sanyo Energy (USA) Corporation
Eficiencia de conversión
La eficiencia de conversión es la relación entre la energía eléctrica generada y la energía
luminosa utilizada para obtenerla. Esta relación es dada en forma porcentual:
El símbolo η usualmente se utiliza para expresar eficiencias, actualmente, las celdas
fotovoltaicas producidas en escala industrial tienen una eficiencia de conversión que
oscila entre un 9 y un 12%. El valor teórico máximo para la eficiencia de una celda
fotovoltaica que responde solamente a un rango reducido del espectro luminoso, es de
alrededor del 25 al 28%, dependiendo del material semiconductor. Las celdas
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fotovoltaicas que utilizan semiconductores cristalinos tienen una eficiencia mayor a las
que utilizan el semiconductor policristalino, debido a que las imperfecciones en la
estructura de este último disminuyen el número de pares de carga que quedan libres para
conducir la corriente. Las celdas fotovoltaicas usadas en los satélites espaciales utilizan,
exclusivamente, semiconductores cristalinos, ya que el costo no es un factor en
consideración.
Satélite espacial, cortesía de NASA
El panel fotovoltaico
Una célula suelta solamente es capaz de proporcionar una tensión de algunas décimas de
voltio (típicamente alrededor de medio voltio para las células de silicio) y una potencia
máxima de uno o dos vatios. Es preciso conectar entre sí en serie un determinado número
de células para producir las tensiones de 6, 12 ó 24 V aceptadas en la mayor parte de las
aplicaciones. Al conjunto así formado, convenientemente ensamblado y protegido contra
los agentes externos (las células son muy delicadas), se le denomina panel o módulo
fotovoltaico.
A veces, la palabra panel se utiliza para designar un conjunto de dos o más módulos
ensamblados entre sí. El proceso de conexión de las células es automático, efectuándose
mediante soldaduras especiales que unen el dorso de una célula con la cara frontal de la
adyacente. Para producir un panel de 12 voltios nominales usualmente se necesita un
número de células entre 30 y 40, según las características de las mismas.
PLAY
Fabricacin
de clulas
Fotovoltaic
as UPV.avi
PLAY
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Una vez terminadas las interconexiones eléctricas, las células son encapsuladas en una
estructura tipo "sandwich", consistente en una lámina de vidrio templado, otra de un
material orgánico adecuado, por ejemplo acetato de etilen - vinilo (EVA), las propias
células, otra carga de sustrato orgánico y, por último, una cubierta posterior formada por
varias láminas de polímeros u otro vidrio. La estructura concreta de cada modelo de panel
varía de un fabricante a otro.
Se procede posteriormente a un sellado al vacío, introduciéndolo en un horno especial
para su laminación, haciéndose estanco el conjunto. Por último, se rodea el perímetro del
papel con neopreno o algún otro material que lo proteja de las partes metálicas que
forman el marco-soporte, en el caso de que lo lleve. Una vez montadas las conexiones
positivas y negativas se efectúan los controles de calidad necesarios.
Fabricación del módulo fotovoltaico
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CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE UN PANEL FOTOVOLTAICO
V-I en función de radiación incidente
V-I en función de la temperatura
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P en función de la radiación
P-V-I para máxima producción (Wp)
P en función de la temperatura
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Datos que caracterizan los módulos
Datos bajo condiciones estándar de medida (CEM), 1000 W/m2, espectro solar de AM
1,5G y temperatura de la célula 25ºC
Tensión a circuito abierto (Voc). La mayor parte de inversores empiezan a
regularse comenzando por dejar en circuito abierto el campo solar
Intensidad de cortocircuito (Isc). La intensidad de cortocircuito se podría medir con
un amperímetro conectado en serie con el módulo
Intensidad máxima (Imáx), intensidad módulo para potencia máxima o de pico
Tensión máxima (Vmáx), tensión módulo para potencia máxima o de pico
Potencia máxima o de pico (Wp). Equivale al producto de Vmáx por Imáx.
CONECTORES MC3-MC4