Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares

UNIVERSIDAD DE VALLADOLID ESCUELA DE INGENIERIAS INDUSTRIALES Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Autor: Martín Buenaposada, Álvaro Tutor: González Rebollo, Miguel Ángel Dpto. Física de la Materia Condensada, Cristalografía y Mineralogía Cotutor: Moretón Fernández, Ángel Valladolid, Julio de 2021 Agradecimientos En primer lugar, quiero agradecer tanto a mis padres, Jose Luís Martín Álvarez y Luisa Fernanda Buenaposada Cantalapiedra, como a mi hermana Rocío Martín Buenaposada, por todo su esfuerzo, apoyo y la confianza en mí a lo largo de todos estos años de carrera, sin ellos nada de esto habría sido posible. Al grupo de investigación GdS Optronlab, en particular a mi tutor Miguel Ángel González Rebollo y cotutor Ángel Moretón Fernández, por darme la oportunidad de realizar este Trabajo de Fin de Grado, por su ayuda y por todos los conocimientos adquiridos a lo largo de todo el proceso de elaboración. Al departamento de Ingeniería Eléctrica por su atención a lo largo de todos estos años, y en particular quiero agradecer a los profesores Julián Manuel Pérez García y José Manuel González de la Fuente por su ayuda y respuestas a todas las dudas. A mis amigos, por ser un pilar fundamental de apoyo y acompañarme durante todos estos años. A todos ellos, mil gracias por hacer realidad este sueño. Resumen Con el propósito de controlar el rendimiento de las plantas solares fotovoltaicas, existe en la actualidad un método de inspección basado en imágenes de electroluminiscencia (EL) con el principal objetivo de detectar posibles defectos en módulos fotovoltaicos para poder determinar si el panel está en condiciones óptimas para su producción o si, de lo contrario, debe reemplazarse. El método de inspección EL es una técnica que ofrece gran cantidad de información acerca del estado del módulo, pero se debe realizar en condiciones ambientales nocturnas u oscuras originando una serie de riesgos tanto para el operario como para el módulo. En este Trabajo de Fin de Grado se ha desarrollado un prototipo que permite trabajar con niveles de tensión superiores a los del prototipo de partida para realizar medidas de inspección de EL diurna, reduciendo el número de conexiones y desconexiones para llevarlo a cabo, reduciendo el tiempo de inspección y adaptado para trabajar en planta. Palabras clave: electroluminiscencia diurna (EL diurna), módulo fotovoltaico, control de polarización, inspección, prototipo. Abstract In order to control the efficiency of photovoltaic solar plants, it exists nowadays an inspection method based on electroluminescence (EL) images with the main objective of detecting possible defects in photovoltaic modules. In this way it is determined if the panel is in optimum condition for production or if it should be replaced if it has defects. The EL inspection method is a technique that provides closest information about the condition of the panel, but it must be performed at night or in dark environmental conditions, which can cause certain risks for the operator and for the module. In this Final Project a prototype has been developed with the purpose of working with higher voltage levels than those of the starting prototype. It is designed to perform daylight EL inspection measurements, reducing the number of connections and disconnections to carry it out, shortening the inspection time and adapted to work in plant. Keywords: daylight electroluminescence (daylight EL), photovoltaic module, polyirization control, inspection, prototype. Índice de contenidos 1. Justificación y objetivos .............................................................................................. 1 2. Fundamento teórico .................................................................................................... 3 La célula solar ...................................................................................................... 3 2.1.1. Estructura de la célula solar ........................................................................ 3 2.1.2. Parámetros característicos de la célula solar ............................................ 4 2.1.3. Tipos de células fotovoltaicas de Silicio ..................................................... 6 Módulos fotovoltaicos .......................................................................................... 7 Métodos de inspección para identificar fallos en módulos fotovoltaicos ........ 9 2.3.1. Inspección visual .......................................................................................... 9 2.3.2. Curvas I-V .................................................................................................... 10 2.3.3. Termografía infrarroja (TIR) ........................................................................ 12 2.3.4. Electroluminiscencia (EL) ........................................................................... 14 Electroluminiscencia diurna .............................................................................. 18 2.4.1. Método desarrollado para la toma de imágenes de EL ........................... 19 3. Diseño de partida OPTRONBOX V1 .......................................................................... 21 Placa microcontroladora programable ............................................................. 23 Placa modular (shield) ....................................................................................... 25 Dispositivos de comunicación inalámbrica ...................................................... 25 Relé de estado sólido (SSR) .............................................................................. 29 Radiador o disipador .......................................................................................... 30 Otros componentes: caja, batería, hub y conexiones ...................................... 30 4. Construcción del prototipo OPTRONBOX V2 ............................................................ 33 Componentes existentes del prototipo de partida ........................................... 36 Nuevos componentes ........................................................................................ 37 4.2.1. Ventiladores ................................................................................................ 37 4.2.2. Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) .............................................. 37 4.2.3. Radiador del IGBT ....................................................................................... 39 4.2.4. Convertidor CC/CC elevador ...................................................................... 44 4.2.5. Circuito “snubber” ...................................................................................... 46 4.2.6. Batería solar de alimentación .................................................................... 48 Ventajas de Optronbox V2 ................................................................................. 49 5. Pruebas de funcionamiento realizadas ................................................................... 51 Ensayo con carga resistiva en laboratorio ........................................................ 51 5.1.1. Ensayo a 100 V: .......................................................................................... 52 5.1.2. Ensayo a 200 V ........................................................................................... 52 5.1.3. Ensayo a 300 V ........................................................................................... 53 5.1.4. Ensayo a 400 V ........................................................................................... 53 5.1.5. Ensayo a 500 V ........................................................................................... 53 Ensayo con módulo fotovoltaico en laboratorio ............................................... 54 Ensayo con varios módulos fotovoltaicos en una instalación real ................. 56 6. Resultados, conclusiones y trabajo futuro .............................................................. 63 7. Bibliografía ................................................................................................................. 65 Índice de figuras Figura 1. Estructura de una célula solar de unión pn. Fuente: [1]. ............................. 4 Figura 2. Curva característica IV de una célula fotovoltaica. Fuente: [1]. ................... 5 Figura 3. Estructura de los componentes que forman un módulo fotovoltaico. Fuente: [3]. .................................................................................................................................... 8 Figura 4. Módulo fotovoltaico de silicio monocristalino (izquierda). Módulo fotovoltaico de silicio policristalino (centro). Módulo fotovoltaico de silicio amorfo (derecha). Fuente: [3]. ..................................................................................................... 8 Figura 5. Especificaciones principales de un módulo fotovoltaico. Fuente: [3]. ........ 9 Figura 6. Curva I-V de un módulo fotovoltaico. Fuente: [8]. ....................................... 11 Figura 7. Saltos en la curva IV. Fuente: [2]. ................................................................. 11 Figura 8. Pendiente alta en tramo horizontal (HL). Fuente: [2].................................. 11 Figura 9. Pendiente baja en el tramo descendente (DL). Fuente: [2]. ...................... 12 Figura 10. Voltaje en circuito abierto menor. Fuente: [2]. .......................................... 12 Figura 11. Pendiente alta de HL y bajo voltaje en circuito abierto. Fuente: [2]. ....... 12 Figura 12. Imagen termográfica de un módulo fotovoltaico. Fuente: [24]. .............. 13 Figura 13. Curva de sensibilidad para los sensores CCD de Si (azul) e InGaAs (rojo) con respecto a la emisión del Si. Fuente: [11]. ........................................................... 15 Figura 14. “Set up” para ensayo de EL en laboratorio. Fuente: [15]. ....................... 17 Figura 15. Dos imágenes en cada estado de polarización. Fuente: [12]. ................. 19 Figura 16. Esquema del sistema para medición de EL. 1- Radiación solar. 2- Corriente continua inyectada al módulo fotovoltaico. 3- Filtro óptico pasa banda. 4- Cámara InGaAs. 5- Software de tratamiento de imágenes. 6- Sistema de control de la polarización del módulo fotovoltaico. 7- Fuente de alimentación. 8-Imagen final de la electroluminiscencia del módulo fotovoltaico. Fuente: [12]. ..................................... 20 Figura 17. Estructura interna del prototipo de partida V1 Optronbox. Fuente: propia. ........................................................................................................................................ 21 Figura 18. Esquema unifilar del prototipo Optronbox V2. Fuente: propia. ................ 22 Figura 19. Partes de un Arduino. Fuente: [25]. ........................................................... 24 Figura 20. Código de programación del Arduino. Fuente: propia. ............................. 25 Figura 21. Interfaz de usuario software XCTU. Fuente: propia................................... 26 Figura 22. Opciones para añadir un módulo. Fuente: propia. ................................... 26 Figura 23. Ventana del icono 1 (izquierda) y ventana del icono 2 (derecha). Fuente: Grado en Ingeniería Eléctrica 1 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares 1. Justificación y objetivos Este Trabajo fin de grado ha pretendido desarrollar un sistema de control de la polarización de módulos fotovoltaicos para la realización de medidas de electroluminiscencia en plantas solares fotovoltaicas. Este desarrollo se ha llevado a cabo en el seno del grupo de investigación GdS Optronlab del departamento de física de la materia condensada, cristalografía y mineralogía de la Universidad de Valladolid. En primer lugar, se ha expuesto un marco teórico en el que se ha hecho un estudio bibliográfico acerca de las células solares y de los paneles fotovoltaicos, tanto de su estructura como de sus parámetros característicos, ya que se trata del elemento principal en una instalación solar fotovoltaica y al campo al que este trabajo pertenece. Además, se ha realizado un estudio bibliográfico acerca de los métodos de inspección existentes actualmente para la caracterización de los módulos fotovoltaicos, debido a que el prototipo que aquí se va a desarrollar es imprescindible para realizar uno de estos métodos, la electroluminiscencia. Respecto a este método, se ha explicado en que consiste y más en concreto, se ha expuesto el método para la realización de medidas de electroluminiscencia diurna, en el que hoy en día muchas empresas y grupos de investigación centran su estudio debido a grandes ventajas que este método aporta. Posteriormente, se han explicado los componentes que constituyen el prototipo ya existente desarrollado y diseñado por el grupo de investigación GdS Optronlab ya que es el dispositivo del cual se va a partir para el desarrollo del nuevo equipo. Descrito este diseño de partida, como este Trabajo de Fin de Grado tiene el propósito de desarrollar un dispositivo para medidas de electroluminiscencia diurna, se explicarán exhaustivamente cada uno de los componentes que lo constituyen, así como la función que desempeñan. Finalizado su desarrollo, se han realizado varios ensayos en laboratorio para comprobar que el dispositivo estaba bien construido y ningún componente presentaba problemas para soportar unos ciertos niveles de tensión y para finalmente realizar un ensayo en una instalación real con el propósito de confirmar 2 Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Álvaro Martín Buenaposada que el dispositivo funciona correctamente en niveles de tensión elevados para los cuales está diseñado. Por lo anterior descrito, el principal objetivo de este Trabajo de Fin de Grado es el desarrollo de un dispositivo que permita controlar la corriente que se debe de inyectar a los módulos fotovoltaicos para polarizarlos y poder realizar medidas de inspección de electroluminiscencia en condiciones ambientales diurnas. Como esta técnica de medida permite realizar controles durante el día, se reducen enormemente los riesgos asociados al trabajo nocturno, tanto para los encargados de realizar la inspección como para los módulos que se deseen examinar. Como el prototipo de partida no es capaz de soportar niveles de tensión elevados y por lo tanto el número de paneles que permite polarizar es bajo, otro de los principales objetivos de este proyecto es la construcción de un dispositivo que permita la polarización de un gran número de paneles, reduciendo los tiempos asociados para realizar esta inspección y disminuyendo el número de conexiones y desconexiones que es necesario efectuar. Por último, otro de los objetivos es desarrollar un dispositivo autónomo, fiable y ligero para que se pueda trasladar con facilidad. Grado en Ingeniería Eléctrica 3 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares 2. Fundamento teórico En este epígrafe se va a detallar la composición estructural de una célula solar, sus parámetros característicos y las diferentes tecnologías de células solares de silicio (Si). Se explicarán también las diferentes partes de las que está formado un módulo fotovoltaico de Si y las diferentes tecnologías para este material. Posteriormente se explicarán las medidas de inspección existentes hoy en día, desde las más usuales hasta la técnica más novedosa y que más información aporta acerca del estado del panel. La célula solar La célula solar es el elemento principal que constituye una planta solar fotovoltaica. Es el encargado de la generación de energía eléctrica a partir de la radiación solar incidente sobre ella, efecto fotoeléctrico anteriormente detallado. 2.1.1. Estructura de la célula solar Los principales elementos que forman una célula fotovoltaica tradicional se muestran en la Figura 1. La estructura de una célula solar fotovoltaicas está compuesta por [1]: Capa antireflexiva, también denominada capa AR: esta capa está principalmente diseñada para reducir al máximo las pérdidas por reflexión superficial. Se diseñan de tal forma que la reflectancia sea lo más pequeña posible en unas longitudes de onda determinadas. Malla de metalización, debe dejar pasar la mayor cantidad de luz posible a su interior, pero sin introducir una resistencia eléctrica. Un parámetro característico de este elemento es el factor de sombra, 𝐹𝑠, que representa la relación entre la superficie ocupada por la malla con respecto al área total. Capas activas del material semiconductor, normalmente montadas sobre un sustrato más grueso para aumentar la resistencia mecánica. Las dos regiones que forman esta capa son la unión p-n. Al tratarse de materiales semiconductores, el tipo de tecnología, la calidad, y la concentración de impurezas determinarán su rendimiento. 4 Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Álvaro Martín Buenaposada En células monofaciales, al no ser necesario que reciba luz por la cara posterior, el contacto metálico posterior se realiza sobre toda la superficie. Con el fin de conseguir mejores rendimientos y como alternativa se han hecho modificaciones al modelo tradicional de células de silicio. Nuevos tipos de células como las de lámina fina o “Thin-Film”, depositadas sobre un sustrato una o varias capas delgadas de semiconductor de diferentes tecnologías para la captación de la luz solar, y aunque generalmente no tienen mejores rendimientos que las de silicio policristalino convencional, sí que tienen costes económicos inferiores y son más ligeras y flexibles. Otra de las modificaciones que se puede realizar es formar una o varias uniones p-n de distintos materiales semiconductores (heterounión) [1]. 2.1.2. Parámetros característicos de la célula solar Al incidir luz sobre una célula solar, si esta está conectada a una carga externa, la célula funcionará como un generador de energía con unos valores de tensión y corriente que variaran en función de las condiciones en las que se encuentre. Las condiciones que se pueden ver en las hojas de características de un módulo solar suelen estar dadas en condiciones estándar de medida (CES o STC-standard test conditions) y están definidas a una determinada irradiancia de 1000 W/m², con una distribución espectral AM1.5G y a una temperatura de 25 ºC [2]. Estas condiciones generalmente no suelen coincidir con las que se miden en una instalación real ya que, dependiendo del día, se tiene una irradiancia y una temperatura diferente. Figura 1. Estructura de una célula solar de unión pn. Fuente: [1]. Grado en Ingeniería Eléctrica 5 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares La curva característica intensidad-tensión de una célula fotovoltaica se muestra en la Figura 2. Los parámetros más importantes de la curva son los siguientes: 𝑉𝑂𝐶, tensión de circuito abierto: máximo valor de tensión que se puede obtener del panel. Este término se obtiene en circuito abierto. 𝐼𝑆𝐶, corriente de cortocircuito: máximo valor de corriente que puede circular por el interior de la célula. Este término se obtiene cuando los terminales de la célula están cortocircuitados, es decir, para una 𝑉𝑂𝐶=0. 𝑃𝑚: es el punto de trabajo para el cual la potencia capaz de suministrar a una carga conectada a ella es máxima. La anterior curva característica responda a la Ecuación 1., teniendo en cuenta el principio de superposición para el cual la corriente por la célula resulta de la diferencia entre la corriente producida por la luz incidente y a la corriente por el diodo [1]. 𝐼=𝐼𝐿−𝐼𝐷=𝐼𝐿−𝐼0(exp(𝑞𝑉 𝑚𝑘𝑇)−1) Ecuación 1. Curva característica de una célula solar. Fuente: [1]. siendo: Figura 2. Curva característica IV de una célula fotovoltaica. Fuente: [1]. 6 Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Álvaro Martín Buenaposada 𝐼𝐿, corriente fotogenerada: es la intensidad que se produce cuando la irradiación solar incide sobre la región n del material semiconductor, en amperios. 𝐼𝐷, corriente de oscuridad o de diodo: es la intensidad debida a la recombinación de los pares electrón-hueco que se producen en el interior del material semiconductor, en amperios. 𝐼, corriente neta, diferencia algebraica de la corriente fotogenerada y la corriente de oscuridad, en amperios. 𝐼0, corriente inversa de saturación del diodo, en amperios. 𝑞, carga del electrón, en Culombios. 𝑚, factor de idealidad del diodo, 𝑚∈{1,2}. 𝑘, constante de Boltzmann. 𝑇, temperatura absoluta. Existe algún parámetro más a destacar como: FF, factor de forma: se trata de un coeficiente adimensional que relaciona la potencia máxima con el producto de la corriente de cortocircuito y la tensión de circuito abierto. 𝐹𝐹=𝑃𝑀 𝐼𝑆𝐶×𝑉𝑂𝐶=𝐼𝑝𝑡𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎×𝑉𝑝𝑡𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐼𝑆𝐶×𝑉𝑂𝐶 Ecuación 2. Factor de forma. Fuente: [1]. Una célula de buena calidad suele tener un factor de forma superior a 0,7 y cuanto más agudo es el codo de la curva más alto es su valor [1]. ⴄ, eficiencia de conversión energética: se trata de un rendimiento que relaciona la potencia eléctrica que puede entregar la célula con la potencia de la radiación que le llega (ideal). ⴄ =𝑃𝑀 𝑃𝐿=𝐼𝑝𝑡𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎×𝑉𝑝𝑡𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑃𝐿=𝐹𝐹×𝐼𝑆𝐶×𝑉𝑂𝐶 𝑃𝐿 Ecuación 3. Eficiencia de conversión energética. Fuente: [1]. 2.1.3. Tipos de células fotovoltaicas de Silicio Existes tres tipos de tecnologías para las células solares de silicio cristalino [3]. Silicio monocristalino: el silicio que forma la célula posee una estructura Grado en Ingeniería Eléctrica 7 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares cristalina uniforme, todos los átomos están alineados y forman un único cristal. Silicio policristalino: están formados por redes cristalinas ordenadas por regiones, en la que sus átomos presentan diferentes direcciones. Silicio amorfo: no existe una red cristalina, el material se deposita como película fina en distintos soportes. Módulos fotovoltaicos Una célula solar suele tener unas tensiones del orden de 0,6 V y 7A, dependiendo del tipo y de la tecnología que sea, por lo tanto, para conseguir tensiones superiores y adaptarse a los niveles convencionales, se asocian en serie y en paralelo formando un panel o módulo fotovoltaico [4] [5]. La estructura de un módulo fotovoltaico es la que se muestra en la Figura 3 y consta de las siguientes partes: Vidrio templado: generalmente de vidrio para facilitar lo máximo posible la captación de la radiación solar. Debe tener también una buena resistencia al impacto y a la abrasión. Encapsulante: se encarga de proteger a las células frente a la humedad. Se utilizan productos transparentes y que no se degradan con el tiempo, como por ejemplo productos a bases de siliconas (EVA, Teflón) Placa de apoyo: suele ser también de vidrio (TEDLAR) y sirve para proteger al módulo por su cara posterior. Caja de conexiones: suelen estar colocadas en la parte posterior del módulo, deben ser accesibles y garantizar la estanqueidad. Marco de aluminio: generalmente de aluminio o acero inoxidable, que sirve para proteger a todo el conjunto de posibles golpes. Tiene que ser una estructura estanca. Como se ha explicado anteriormente, existen tres tecnologías diferentes de células de Silicio, por lo tanto, existirán tres tipos de módulos fotovoltaicos. En la Figura 4 se pueden ver estas tres tipologías. Cada panel solar posee sus especificaciones principales en su parte posterior [3]. Las condiciones en las que se dan estos parámetros, como se ha explicado anteriormente, son condiciones STC. Todos estos parámetros característicos del 8 Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Álvaro Martín Buenaposada módulo fotovoltaico tienen el mismo significado que para la célula solar. La tensión 𝑉𝑚𝑝 y corriente 𝐼𝑚𝑝 son los puntos de trabajo para una potencia de 100 𝑊𝑝 para el modelo que se muestra en la Figura 5. Finalmente, el conexionado de los módulos fotovoltaicos puede realizarse tanto en serie como en paralelo, según se desee obtener mayor tensión o corriente. Una asociación de paneles se denomina cadena o string, de tal forma que las plantas solares suelen estar formadas por varios string de módulos fotovoltaicos conectados entre sí. Para realizar este conexionado, los módulos fotovoltaicos poseen dos cables de salida, el terminal positivo (+) y el negativo (-) con unos conectores especiales en sus extremos que garantizan la estanqueidad y el buen contacto entre ellos. Los más comunes son los denominados conectores MC4 [3]. Figura 4. Módulo fotovoltaico de silicio monocristalino (izquierda). Módulo fotovoltaico de silicio policristalino (centro). Módulo fotovoltaico de silicio amorfo (derecha). Fuente: [3]. Figura 3. Estructura de los componentes que forman un módulo fotovoltaico. Fuente: [3]. Grado en Ingeniería Eléctrica 9 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Métodos de inspección para identificar fallos en módulos fotovoltaicos 2.3.1. Inspección visual La inspección visual es uno de los métodos más eficaces y rápidos para encontrar fallos y defectos en los paneles fotovoltaicos. La norma IEC 61215 [6], expone que la inspección visual se debe realizar antes y después de que el módulo se haya expuesto a pruebas de resistencia medioambientales, eléctricas o mecánicas. Habitualmente las pruebas de resistencia que se utilizan para evaluar el diseño de los módulos y comprobar la calidad para así poder realizar una estimación de la vida útil del mismo son: ciclos térmicos, ciclos de humedad-congelación, exposición a calor húmedo, irradiación UV, granizo, carga mecánica, exposición exterior y resistencia a puntos calientes. Para simplificar la inspección visual, el módulo puede ser dividido en las partes que lo forman, de tal manera, que cada parte será inspeccionada y documentada por separado. Según la norma IEC anteriormente citada, la inspección visual se debe realizar a más de 1000 lux y solo deberán tenerse en cuenta los defectos apreciables a simple vista. Los defectos visuales definidos en la norma IEC 61215 [6] son: Superficies externas, marcos y cajas curvadas o desalineadas Cable del módulo en contacto con un diodo, produciendo riesgo de arco Figura 5. Especificaciones principales de un módulo fotovoltaico. Fuente: [3]. 16 Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Álvaro Martín Buenaposada Las imágenes de EL se realizan en condiciones ambientales nocturnas o en un entorno oscuro porque la cantidad de radiación emitida por un módulo solar de Si es muy baja en comparación con la cantidad de radiación emitida por fuentes externas como por ejemplo el sol [13]. Si las medidas con sensores de Si se realizan en ambientes nocturnos u oscuros, las imágenes EL obtenidas con tiempos de exposición muy cortos sí que son buenas, ofreciendo una elevada resolución y permitiendo identificar defectos como por ejemplo los relacionados con el propio material de Si, defectos relacionados con la degradación inducida por potencial (PID), etcétera [12]. A continuación, se van a enumerar los equipos necesarios para una medida de electroluminiscencia según la norma IEC TS 60904-13-2018 [14]: Cámara de imágenes de electroluminiscencia Cuarto oscuro para la realización de imágenes Fuente de alimentación Interfaz de computadora y fuente de alimentación para la captura de imágenes Software de procesamiento y visualización de imágenes En la Figura 14 se muestra un “set up” para un ensayo de EL en laboratorio. En casi toda la cadena de valor de un proyecto fotovoltaico se puede aplicar el método de inspección EL para obtener información acerca del estado del panel. Esta técnica permite la detección de la mayor parte de defectos, entre otros, como los siguientes [15]. Presencia de distintos tipos de grietas que pueden provocar aislamientos de una zona concreta de la célula provocando una disminución de la corriente de cortocircuito o aumentos de la resistencia serie de la zona afectada. La norma IEC TS 60904-13-2018 [14] clasifica estas grietas según su gravedad. Degradación inducida por potencial (PID), defectos ocasionados por corrientes parásitas que dan lugar a cortocircuitos en las células. Este tipo de defectos suele aparecer en las células cercanas al marco por la gran diferencia de potencial que existe entre ambos dado que los aislamientos no son perfectos, y aunque suelen aparecer a lo largo de los años, estos defectos se aligeran si el clima es húmedo y soleado. Grado en Ingeniería Eléctrica 17 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Detección de fallos en los fingers de la célula, ya sea por un error en su proceso de fabricación o de soldadura provocando de nuevo un aumento de la resistencia serie de las zonas afectadas. Mala resistencia de contacto Este método de inspección ofrece ventajas, entre otras, como las que a continuación se enumeran: Si la medida de EL se realiza durante la noche, no existe la necesidad de desmontar los módulos y por lo tanto se disminuye el riesgo de posibles daños. Se evita el transporte de los módulos al laboratorio para su análisis. No es necesario detener la producción de energía eléctrica durante largos periodos de tiempo. Esta medida de inspección es particularmente interesante para la inspección de grandes plantas solares ya que permite polarizar un string, por ejemplo, de 24 paneles, y visualizar simultáneamente las imágenes de electroluminiscencia de toda la cadena. Los tiempos asociados a las medidas son, por lo tanto, muy cortos gracias al poder alimentar un string entero Figura 14. “Set up” para ensayo de EL en laboratorio. Fuente: [15]. 18 Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Álvaro Martín Buenaposada El uso de cámaras con sensores de Si requiere de la condición de oscuridad para evitar cualquier luz ambiental lo que provoca una serie de inconvenientes como por ejemplo [12]: Si la medida de EL se quiere realizar durante el día, los módulos fotovoltaicos se deben desmontar para llevarlos a un ambiente oscuro (furgoneta o laboratorio) empleando por tanto mucho tiempo y lo que obliga a ser un método de inspección solo para una pequeña parte de una planta fotovoltaica. Asociadas a estas manipulaciones para el desplazamiento de los módulos existen también riesgos tanto para el panel como para el operario. La opción de realizar la medida de inspección in situ, obliga a tener que realizar las manipulaciones de las conexiones durante la noche, con los riesgos, dificultades y costes mucho más elevados que eso ocasiona. Electroluminiscencia diurna La luminiscencia emitida por un módulo fotovoltaico, al ser polarizado en directa (EL), tiene ordenes de magnitud muy inferiores a la luz solar [16]. La aparición de las cámaras con sensores de InGaAs con eficiencias cuánticas muy elevadas en la región del infrarrojo cercano (longitud de onda donde los paneles fotovoltaicos de Si emiten luminiscencia) permiten realizar medidas de EL en condiciones no estrictamente nocturnas [12]. Otra ventaja que tienen las cámaras con sensores de InGaAs es que en la mayor parte del espectro visible su eficiencia cuántica es nula y por lo tanto no recogen ningún tipo de luz en esas longitudes de onda, aunque si luz ambiental infrarroja. Para la adquisición de una imagen de electroluminiscencia, cualquier otra fuente de luz debe rechazarse y filtrarse. En este sentido, el grupo GdS Optronlab ha desarrollado un sistema que permite obtener imágenes de EL incluso en condiciones de alta irradiación, con tiempos suficientemente cortos y de forma ágil, sin la necesidad de desmontar los módulos y con la versatilidad de poder trabajar las 24 horas del día. [12]. A continuación, se va a detallar el método desarrollado por el grupo de investigación GdS Optronlab para la captura de imágenes en una medida de EL diurna. Grado en Ingeniería Eléctrica 19 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares 2.4.1. Método desarrollado para la toma de imágenes de EL A pesar de que el uso de cámaras con sensores de InGaAs tengan una buena eficiencia cuántica en el rango del espectro de emisión del Si y se comporten como un filtro para la luz ambiental, ésta también contiene luz infrarroja que el detector captará y que por lo tanto debe filtrarse para extraer la señal de luminiscencia. Para ello, el grupo de investigación GdS Optronlab ha desarrollado un método de filtrado para realizar medidas de EL diurna. El procedimiento consiste en restar imágenes del módulo secuencialmente bajo polarización directa (ON) y circuito abierto (OFF). En el estado de circuito abierto o apagado, el detector recoge la luz ambiente, tanto la directa como la reflejada, así como la fotoluminiscencia (PL) emitida por el módulo fotovoltaico al estar bajo la radiación solar, este conjunto se denomina señal de fondo o background (bg) y en el estado ON el sensor recoge la luz de fondo correspondiente al estado OFF y además la emisión de EL procedente del módulo solar (bg + EL). La diferencia entre ambos estados es la imagen de EL [12]. Para mejorar el método de captura y evitar, en la medida de lo posible, dificultades cuando la señal de EL es demasiado débil en comparación con la señal de fondo, el grupo de investigación optó por la adquisición de varias imágenes en los dos estados ON/OFF y obtener un promedio de la resta de cada par de imágenes ON/OFF durante varios ciclos como muestra la Figura 15 [12]. Cabe señalar en este sentido que es fundamental la rápida conmutación de un estado de polarización al otro, así como la adquisición correspondiente de la imagen, ya que esto garantiza que la probabilidad de que ocurran variaciones importantes de la luz ambiental es muy pequeña. Para la implementación del método ON-OFF descrito anteriormente, el grupo de investigación desarrolló un software capaz de controlar de forma sincronizada los Figura 15. Dos imágenes en cada estado de polarización. Fuente: [12]. 20 Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Álvaro Martín Buenaposada diferentes equipos que forman parte del sistema de mediciones. Por un lado, el circuito destinado al control de la polarización de los módulos, y por otro, el circuito que controla la cámara de InGaAs. Este circuito de control de la polarización de los módulos es el prototipo desarrollado para este trabajo de fin de grado y en los siguientes epígrafes se detallará exhaustivamente, tanto su diseño de partida (OpotroboxV1), que presenta una serie de limitaciones de tensión, como la versión actualizada (OptronboxV2), desarrollada para soportar niveles de tensión superiores y por lo tanto poder trabajar con fuentes de alimentación que permitan polarizar un número de paneles fotovoltaicos mayor. En Figura 16 se puede observar un esquema del sistema para medidas de EL diurna donde el número 6 es el prototipo mencionado. Figura 16. Esquema del sistema para medición de EL. 1- Radiación solar. 2- Corriente continua inyectada al módulo fotovoltaico. 3- Filtro óptico pasa banda. 4- Cámara InGaAs. 5- Software de tratamiento de imágenes. 6- Sistema de control de la polarización del módulo fotovoltaico. 7- Fuente de alimentación. 8-Imagen final de la electroluminiscencia del módulo fotovoltaico. Fuente: [12]. Grado en Ingeniería Eléctrica 21 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares 3. Diseño de partida OPTRONBOX V1 Optronbox V1, es el nombre del dispositivo de partida a partir del cual, posteriormente, se ha desarrollado el nuevo dispositivo denominado Optronbox V2, con una serie de ventajas fundamentales para su aplicación respecto a la versión anterior y que supone la redacción de este trabajo de fin de grado. Este dispositivo permite el control de la polarización de los módulos fotovoltaicos y es uno de los elementos necesarios para llevar a cabo medidas de inspección de EL diurna sobre paneles fotovoltaicos en plantas solares, es por ello por lo que es fundamental entender y conocer cada uno de los elementos que lo forman, así como la función que desempeñan dentro de todo el conjunto. Los diferentes componentes de los que está formado este dispositivo son: Placa microcontroladora programable Placa modular Dispositivos de comunicación inalámbrica Relé de estado sólido (SSR) Radiador o disipador Caja o envolvente Batería de alimentación Dispositivo HUB Otros: cables, punteras y diseños de impresora 3D Figura 17. Estructura interna del prototipo de partida V1 Optronbox. Fuente: propia. 22 Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Álvaro Martín Buenaposada Figura 18. Esquema unifilar del prototipo Optronbox V2. Fuente: propia. Grado en Ingeniería Eléctrica 23 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares En la Figura 17 se pueden ver todos los componentes anteriormente mencionados ya montados sobre el dispositivo y conectados entre sí. En la Figura 18 se puede ver el esquema eléctrico unifilar de Optronbox V1 conectado a una placa solar y a una fuente de alimentación de corriente continua, típico de un ensayo de EL diurna. Antes de entrar en detalle de la explicación cada uno de los componentes que forman este dispositivo, se realizará una breve explicación del funcionamiento en conjunto. La placa microcontroladora es la encargada de proporcionar la tensión al relé de estado sólido (SSR). Cuando lea un dato por el puerto serie, activará su pin de salida (13). Esta salida irá conectada a la entrada de alimentación del SSR, de tal manera que cuando este pin se active, habrá una tensión en la entrada del SSR y se cerrará el circuito. Cuando el circuito esté cerrado, la fuente de alimentación proporcionará la tensión necesaria para polarizar el/los módulo/s fotovoltaico/s y por lo tanto se le inyectará una corriente al panel. Cuando no haya datos por el puerto serie se dejará de alimentar este pin y por lo tanto al SSR, y se abrirá el circuito. Con el circuito abierto el/los módulo/s fotovoltaico/s no estarán polarizados. Como se puede observar, este dispositivo funciona como un interruptor capaz de controlar la corriente que se inyecta al panel a través de una fuente de alimentación. Descrito el funcionamiento del dispositivo, en los siguientes epígrafes se detallará exhaustivamente cada uno de los componentes que forman este dispositivo interruptor encargado del control de la inyección de corriente. Placa microcontroladora programable La plataforma que se va a utilizar para programar el dispositivo es una placa microcontrolador de código abierto desarrollado por Arduino. Dentro de esta marca existe una gran variedad de modelos, en nuestro caso la que se va a utilizar es Arduino Uno. La alimentación de esta placa microcontroladora se realizará a través de USB, bus de comunicaciones que dará la tensión de 5 V necesaria para que funcione. Este modelo en concreto consta de 14 pines de entrada/salida digital, de los cuales 6 se pueden utilizar como salidas PWM. En este prototipo de partida, y en el siguiente, solo va a ser necesario hacer uso de un par de pines (en el caso que nos ocupa será el 13 y GND, pero podría ser cualquier otro) porque lo único que se necesita es mandar una señal desde el ordenador al 24 Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Álvaro Martín Buenaposada Arduino para que éste active o no dicho pin. Asociado a este par de pines irá conectado el relé de estado sólido (SSR) que más adelante se detallará y al cual le llegará una tensión entre sus bornes de control de 5V para que abra o cierre el circuito en función de lo que corresponda en cada momento. En la Figura 19 se pueden observar las diferentes partes de un Arduino. Para mandar esta señal y que el Arduino sea capaz de interpretarlo, se necesita programar este mediante un lenguaje de programación similar al conocido lenguaje C como se muestra en la Figura 20. Se definen las variables, char rxChar para recibir datos del puerto serie e int ledpin=13 para indicar al programa que el contacto del Arduino con el que se va a trabajar es el número 13. Se asocia a este último pin como salida y se introduce el número de símbolos por segundo (baudios) en 115.200. Finalmente, en el programa principal se introduce el bucle, se comprueba si existen datos por el puerto serie, si los hay se leen y se almacenan en la variable de tipo char rxChar, en caso contrario se vuelve a comprobar repetidamente. Para el caso en el que haya datos, si es un ‘1’ se ordena encender el pin (digitalWrite (ledpin, HIGH)), si es un ‘0’ se apaga. El hecho de ordenar encender un pin se traduce en alimentar un relé de estado sólido que se encargará de abrir o cerrar el circuito al que irán conectados el resto de los componentes necesarios para el correcto funcionamiento del prototipo. Figura 19. Partes de un Arduino. Fuente: [25]. Grado en Ingeniería Eléctrica 25 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Placa modular (shield) Un shield en Arduino es una placa que se apila sobre otra o sobre el propio Arduino como se hará en este caso y sirve para dar funcionalidad extra. En nuestro caso se utilizará para montar sobre ella el dispositivo de comunicación inalámbrica y así poder interconectar el ordenador donde está el software para realizar EL y el prototipo. Dispositivos de comunicación inalámbrica El objetivo principal de utilizar dispositivos de comunicación inalámbrica es reducir el cableado que es necesario llevar a cabo en medidas de inspección en planta Figura 20. Código de programación del Arduino. Fuente: propia. 32 Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Álvaro Martín Buenaposada Grado en Ingeniería Eléctrica 33 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares 4. Construcción del prototipo OPTRONBOX V2 En el presente apartado se van a detallar cada uno de los elementos del prototipo OPTRONBOX V2, así como las funcionalidades que tienen dentro del dispositivo y las ventajas que presenta frente a la versión de partida detallada en el epígrafe anterior. Para ello, en primer lugar, se van a enumerar cada uno de estos elementos, aunque alguno de ellos como coinciden con los del dispositivo anterior y ya se han explicado, simplemente se mencionarán los ligeros cambios que se han tenido que efectuar sin entrar de nuevo en su explicación. Placa microcontroladora programable Placa modular Dispositivos de comunicación inalámbrica Relé de estado sólido, SSR Caja o envolvente Ventiladores IGBT Radiador del IGBT Convertidor CC/CC Circuito amortiguador snubber Batería de alimentación solar En la Figura 29 se observan todos los componentes anteriormente mencionados y montados sobre el dispositivo desarrollado Optronbox V2. En la Figura 30 se puede ver el esquema eléctrico unifilar del dispositivo conectado a una placa solar y a una fuente de alimentación de corriente continua. En este caso se pueden conmutar mayores tensiones (1700 V) que en el dispositivo anterior (600 V), por lo tanto, el dispositivo encargado de abrir y cerrar el circuito de los paneles y la fuente en lugar de ser el SSR, será un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT). Para que este transistor abra o cierre el circuito conectado a él, se debe de aplicar una tensión determinada sobre su puerta, como se explicará más adelante. Para realizar este control, el SSR será el encargado de abrir y cerrar el circuito de alimentación a la puerta. Además, como la tensión de alimentación que se tiene del Arduino y por lo tanto del SSR son 5 V, y la tensión de alimentación 34 Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Álvaro Martín Buenaposada Figura 29. Estructura interna del prototipo Optronbox V2. Fuente: propia. Grado en Ingeniería Eléctrica 35 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Figura 30. Esquema unifilar del prototipo Optronbox V2 conectado a unos paneles fotovoltaicos y a una fuente de alimentación de corriente continua. Fuente: propia. 36 Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Álvaro Martín Buenaposada necesaria en la puerta del IGBT es más elevada, es necesario utilizar un convertidor CC-CC capaz de elevar la tensión desde los 5 V hasta los 15 V que se van a tener en los terminales de puerta del IGBT. Controlando la alimentación de la puerta del IGBT se tendrá control sobre la corriente que se inyecta a los módulos por parte de la fuente de alimentación, de tal forma que cuando la puerta esté alimentada, el IGBT permitirá el paso de corriente y cuando no lo esté, bloqueará. Componentes existentes del prototipo de partida En primer lugar, la placa microcontroladora programable que se ha utilizado para este dispositivo tiene las mismas características que las del prototipo de partida y el código de programación asociado a esta placa es idéntico excepto una pequeña modificación que se ha tenido que realizar para que funcionara correctamente y que se detallará a continuación. En el caso de la placa modular, tiene las mismas características y funcionalidades que la utilizada anteriormente salvo que, por su año de fabricación, no admite velocidades de transmisión de 115.200 baudios como en el anterior dispositivo, por lo tanto y como se ha dicho anteriormente, se debe reducir esta velocidad a 9600 baudios en el código de programación. Los dispositivos de comunicación inalámbrica utilizados son del mismo fabricante Digi, aunque se trata en este caso de un modelo más reciente con una serie de ventajas como un mayor rango de distancia para la comunicación llegando incluso a los 3.200 metros en línea vista o 90 metros en interiores. El relé de estado sólido es también el mismo, aunque en este caso, como no va a ser el componente encargado de soportar los altos niveles de tensión correspondientes a la parte del circuito de potencia, no será necesario colocar un disipador de temperatura sobre él, reduciendo por lo tanto algo de peso y tamaños. La caja o envolvente utilizada para este prototipo tiene unas medidas similares a la utilizada anteriormente y en lugar de ser metálica, se ha utilizado una caja de plástico para reducir el peso y evitar cualquier tipo de derivación que pudiera producirse y por lo tanto aumentar la seguridad. Sobre la caja se han practicado dos agujeros para la colocación de unas rejillas de ventilación por las que circulará el flujo de aire impulsado por los ventiladores y reducir así lo máximo posible las temperaturas en Grado en Ingeniería Eléctrica 37 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares su interior. Se ha instalado también en uno de los tetones que tiene la propia caja un pasamuros USB para la alimentación del dispositivo, o a través de la batería o del ordenador como se ha dicho anteriormente. Para la colocación de los diferentes componentes dentro de la caja, se han atornillado sobre la base de ésta una placa de metacrilato para una mejor sujeción. Nuevos componentes 4.2.1. Ventiladores Los ventiladores instalados para mejorar el flujo de aire por el interior del dispositivo y por lo tanto la refrigeración, son dos ventiladores de 12 V colocados en un lado de la caja. Estos ventiladores son aprovechados de una impresora 3D y se les proporcionará una tensión ligeramente superior, del orden de los 15V (en las pruebas que se han realizado con estos niveles, los ventiladores no han presentado ningún tipo de problema). La razón por la que se va a alimentar a una tensión superior viene de la necesidad de alimentar otro dispositivo que a continuación se explicará y que necesita estos niveles para su correcto funcionamiento. El aumento de tensión desde los 5V que se tenía en el prototipo de partida y que son proporcionados por el Arduino, a los 15 V que se va a tener en esta parte del circuito se tendrá gracias al uso de un convertidor elevador CC/CC. 4.2.2. Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) En el prototipo anterior el componente encargado de abrir y cerrar el circuito asociado era un relé de estado sólido. Este relé, como se mencionó anteriormente, no es capaz de conmutar circuitos de alta tensión, y como el objetivo de este nuevo prototipo es la de trabajar con tensiones mucho más altas y, por lo tanto, poder realizar medidas de EL a un mayor número de paneles, se ha hecho uso de un transistor capaz de soportar estos niveles. El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es el elemento principal de nuestro prototipo, ya que va a ser el encargado de conmutar el circuito de alta potencia conectado entre sus terminales. Este dispositivo es la combinación de un transistor MOSFET y un BJT. Los transistores MOSFET tienen tiempos de conmutación muy cortos lo que les permite trabajar a altas frecuencias, superiores a 100 kHz en algunos casos, en cambio, los transistores BJT manejan altos niveles de potencia, 38 Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Álvaro Martín Buenaposada pero a frecuencias de conmutación más bajas, inferiores a 10 kHz. Es por tanto el IGBT una combinación de altas frecuencias de conmutación propias del MOSFET con altos niveles de potencia del BJT. Al igual que el MOSFET, el IGBT dispone de una puerta aislada, por lo que el control únicamente se realiza mediante tensión, sin necesidad de corriente por la puerta. Por lo tanto, para abrir y cerrar el circuito se necesita dar un valor de tensión positivo en la puerta y negativo en el emisor, que según el fabricante para nuestro IGBT en concreto es como máximo de ± 20 V, y siempre superior a la tensión umbral para que permita el paso de corriente eléctrica de colector a emisor, en caso contario el IGBT se comportaría como un circuito abierto. En la Figura 31 extraída de la hoja de características del fabricante [18] , se observa la tensión mínima que hay que aplicar a la puerta (tensión umbral) para que deje circular corriente, aproximadamente 4,5. https://docs.rs-online.com/b7e7/0900766b815e9d40.pdf Cuando se aplique una tensión a la puerta 𝑉𝐺𝐸, el IGBT permitirá el paso de corriente eléctrica 𝐼𝐶 de colector a emisor y entre la puerta y el emisor no circulará corriente excepto en las conmutaciones. Este fenómeno es debido a que en un transistor MOSFET entre la puerta y la fuente hay una pequeña capacidad, por lo tanto, como el IGBT está formado por este tipo de transistores, también tendrá esa pequeña capacidad entre la puerta y el emisor y es este condensador el que se tiene que cargar y descargar para que el IGBT trabaje en conmutación. Cuando este condensador esté cargado, no circulará ninguna corriente por la puerta, únicamente circulará corriente por la puerta mientras se está cargando o descargando, y este proceso dura muy poco tiempo. Por lo anterior descrito, cuando el IGBT sea alimentado con 𝑉𝐺𝐸 y deje circular corriente 𝐼𝐶 de colector a emisor, esta capacidad entre puerta y emisor se cargará y formará un circuito cerrado por sus terminales, por lo tanto, cuando se deje de alimentar la puerta, como el condensador está cargado, en lugar de abrir e interrumpir el paso de corriente, el circuito permanecerá cerrado y mantendrá al IGBT en conducción. Para solventar este problema, se debe conectar una resistencia de pulldown entre la puerta y el emisor que permita la descarga del condensador a Grado en Ingeniería Eléctrica 39 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares través de ella, para que una vez este cargado y se quiera realizar la conmutación, este condensador no lo impida y se pueda cambiar el estado a corte. Como se indicará en el siguiente apartado del dimensionado del radiador, cuanto mayor sea la tensión de alimentación que se aplique a la puerta, menor será la caída de tensión cuando se encuentre en saturación (conducción) para una misma intensidad, que, según el fabricante, será siempre ≤ 4V. El valor de tensión 𝑉𝐺𝐸 que se aplicará por tanto será de 15 V y obtendremos una caída de tensión de colector a emisor, según las gráficas del fabricante, de 3,1 V, para una intensidad de 10 A. 4.2.3. Radiador del IGBT Las pérdidas energéticas ocasionadas en el interior de un semiconductor se convierten en importantes aumentos de temperatura. Cualquier semiconductor tiene unas temperaturas máximas y mínimas para su correcto funcionamiento, si estas temperaturas son sobrepasadas, el material semiconductor puede dañarse y por lo tanto la fiabilidad se ve afectada. Es por esto por lo que, a diferencia del prototipo de Figura 31. Relación entre la tensión en la puerta y la corriente que circula de colector a emisor. Fuente: [18]. Figura 32. Transistor IGBT y sus terminales de conexión. Fuente: propia. 40 Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Álvaro Martín Buenaposada partida, en el diseño de este prototipo que trabajará con tensiones muy superiores y con el fin de evitar estas temperaturas, se ha dimensionado un radiador que permita limitar temperaturas máximas que se pudieran alcanzar en función de la potencia que va a disipar el IGBT cuando esté conduciendo [19]. La potencia que se debe disipar en el radiador viene expresada en la Ecuación 4 [20]. 𝑃𝐷=𝑉𝐶𝐸×𝐼𝐶 Ecuación 4. Potencia disipada en el semiconductor. Fuente: [19]. donde: 𝑃𝐷 : Potencia disipada en el semiconductor, en vatios (W) 𝑉𝐶𝐸: Diferencia de tensión entre los terminales colector y emisor, en voltios (V) 𝐼𝐶: Corriente eléctrica que circula del terminal colector al emisor, en amperios (A) Para ello, en primer lugar, se debe conocer la intensidad que va a circular a través del IGBT de colector a emisor, Ic. Esta intensidad va a ser la que circule por cada panel y por lo tanto por cada string, ya que están dispuestos en serie. La intensidad que circula por cada panel en condiciones estándar de medida (STC- standard test conditions) será la que nos proporciona el fabricante para sus módulos fotovoltaicos, como cada tipo de panel tendrá unas intensidades diferentes dependiendo de diferentes parámetros como por ejemplo la tecnología del semiconductor (monocristalino, policristalino, amorfo), disposición de las obleas, etcétera se va a elegir una intensidad sobredimensionada de tal forma que el cálculo quede, por seguridad, más desfavorable. Además, se ha visto que la gran mayoría de los paneles fotovoltaicos del mercado actual no superan este valor. La intensidad elegida por tanto será de 10 A, Ic = 10 A. El otro término que se debe definir es la caída de tensión entre los terminales colector y emisor, para ello, se debe recurrir a la hoja de características proporcionada por el fabricante para el IGBT y definir antes tanto la temperatura máxima de funcionamiento como la tensión de control aplicada en la puerta del semiconductor. Según esta hoja, la temperatura máxima en funcionamiento de la unión es de 175ºC., para sobredimensionar el cálculo y aumentar la seguridad, se ha multiplicado esta temperatura por un factor k = 0.8, de tal manera que la temperatura máxima que pueda soportar se va a limitar y reducir como se muestra en la Ecuación 5 Grado en Ingeniería Eléctrica 41 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares 𝑇𝑗=𝑇𝑗 𝑚á𝑥×𝑘 Ecuación 5. Temperatura máxima reducida. Fuente: [19]. siendo: 𝑇𝑗: temperatura máxima de la unión del semiconductor, en grados centígrados (ºC). 𝑘: factor de seguridad, adimensional. Por tanto, queda: 𝑇𝐽=𝑇𝐽 𝑚á𝑥×𝑘=175×0,8=144 ℃. Como se observa en las curvas características del IGBT, concretamente en la página 3, para una temperatura de 150ºC, ligeramente superior a la anteriormente calculada, según la tensión de alimentación, 𝑉𝐺𝐸 y la corriente que circula por el interior del semiconductor, 𝐼𝐶, se tiene una caída de tensión diferente entre colector y emisor 𝑉𝐶𝐸. Se puede observar también, que cuanta más tensión se proporcione a la puerta, para una misma intensidad, la caída de tensión que se tiene 𝑉𝐶𝐸 es inferior, por lo tanto, se ha decidido alimentar la puerta del IGBT a una tensión de 15 V. En la Figura 33 se muestra la caída de tensión que se va a tener para este caso, que aproximadamente va a ser 𝑉𝐶𝐸=3,1 𝑉. Ya se tienen todos los términos de la Ecuación 4, por lo tanto, la potencia disipada es: Figura 33. Caída de tensión puerta-emisor. Fuente: [18]. 48 Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Álvaro Martín Buenaposada Calcular el valor inicial del condensador “snubber”: 𝐶𝑠𝑛𝑢𝑏𝑏𝑒𝑟=3×𝐶0 Calcular el valor inicial de la resistencia “snubber”: 𝑅𝑠𝑛𝑢𝑏𝑏𝑒𝑟=√𝐿 𝐶0 Los valores de capacidad y resistencia para el prototipo diseñado son: 𝐶𝑠𝑛𝑢𝑏𝑏𝑒𝑟=1 𝜇𝐹 𝑅𝑠𝑛𝑢𝑏𝑏𝑒𝑟=150 𝛺 “Si se desea reducir las pérdidas o ajustar la amplitud de la oscilación, lo mejor es cambiar el valor de 𝐶𝑠𝑛𝑢𝑏𝑏𝑒𝑟. Se puede usar un valor menor para tener menores pérdidas, pero se tendrá un valor mayor de oscilación. O se puede usar un valor mayor de 𝐶𝑠𝑛𝑢𝑏𝑏𝑒𝑟para obtener menor oscilación, pero con más pérdidas en 𝑅𝑠𝑛𝑢𝑏𝑏𝑒𝑟. Usando un valor de 𝑅𝑠𝑛𝑢𝑏𝑏𝑒𝑟entre la mitad o el doble del valor calculado, en la mayoría de los casos se mantiene una excelente amortiguación” [23]. El uso de estos circuitos “snubber” es fundamental para solventar los problemas de resonancia y cumplir con los límites de emisiones establecidos por las normas. Este tipo de circuitos aparentemente puede parecer que no hacen nada, pero un buen dimensionado de ellos contribuye en la reducción de las EMI de conmutación en las fuentes de alimentación o en los convertidores de potencia [23]. 4.2.6. Batería solar de alimentación En el diseño de este prototipo se ha decidido extraer la batería de su interior debido a diversos problemas de funcionamiento que ocasionó en la anterior versión y a su difícil extracción cuando era necesaria su reparación. Como este prototipo cuenta con un puerto hembra USB empotrado en uno de los laterales de la caja, su alimentación se puede realizar con una batería externa o con un ordenador. De esta manera también se reduce el peso del prototipo La batería que se va a utilizar es de gran capacidad, 26800 mAh, para poder realizar medidas de EL con una autonomía suficiente para una jornada laboral completa. Grado en Ingeniería Eléctrica 49 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Además, cuenta con unas pequeñas células solares que ayudan a que la descarga de la batería sea más lenta, como muestra la Figura 42. Ventajas de Optronbox V2 Alguna de las ventajas que ofrece este dispositivo frente al anterior se detallan a continuación: Capacidad para realizar inspecciones de EL a un gran número de paneles y por lo tanto niveles de tensión superiores, del orden de los 1700V, adaptándose por tanto a las plantaciones solares de nueva construcción. Cuenta con ventilación forzada gracias a dos ventiladores colocados sobre uno de los laterales del dispositivo que nos evitarán aumentos indeseados de temperatura y un mejor flujo de aire a través de los componentes. La versatilidad de poder alimentar de dos formas diferentes, a través de un ordenador o mediante una batería externa que no estará integrada en el propio dispositivo, nos reduce el peso notablemente, además, como la batería es solar, la autonomía que nos proporciona es también ligeramente mayor. Figura 42. Batería solar para la alimentación del prototipo. Fuente: propia. 50 Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Álvaro Martín Buenaposada Grado en Ingeniería Eléctrica 51 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares 5. Pruebas de funcionamiento realizadas Ensayo con carga resistiva en laboratorio El grupo GdS Optronlab no posee de fuentes de alimentación de gran potencia para verificar que el dispositivo funciona correctamente y que los componentes que lo forman están bien dimensionados y no están dañados, por lo tanto, se consultó con varios profesores del departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Valladolid para realizar unas primeras pruebas a unos niveles de tensión superiores, del orden de los 500 V, proporcionados por una fuente de alimentación que este departamento posee. Tras contactar con ellos y concretar un día para el ensayo, el grupo GdS Optronlab se reunió en el laboratorio de máquinas eléctricas situado en el edificio Paseo del Cauce para realizar estas medidas y ver el funcionamiento del dispositivo. En esta primera etapa de construcción del prototipo, los componentes aún no estaban en la caja actual, donde existe una ventilación y una mejor transmisión de calor gracias a la pasta térmica, por lo tanto, las temperaturas que pudimos alcanzar fueron superiores a las de hoy en día. En lugar de utilizar módulos fotovoltaicos, se utilizó una carga resistiva de 40 Ohmios. El propósito de esta prueba fue, como se ha dicho anteriormente, verificar el correcto funcionamiento del dispositivo. Para ello se realizaron medidas a diferentes valores de tensión y se fueron tomando datos de corriente y de la temperatura de los componentes. Para que los ensayos fueran aún más desfavorables, se mantuvo en conducción el IGBT durante varios segundos hasta que alcanzara una temperatura estable. En la Tabla 1 se muestran los resultados obtenidos para estas magnitudes. Tabla 1. Valores obtenidos tras el ensayo. Fuente: propia. Carga (𝝮) Tensión (V) Intensidad (A) Temperatura máxima (ºC) 40 100 2 23,3 200 5 35,44 300 7,5 46,27 400 10 63 500 12,75 94,72 52 Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Álvaro Martín Buenaposada 5.1.1. Ensayo a 100 V: Como se puede observar en Figura 43 tomadas con una cámara termográfica, las temperaturas alcanzadas en el IGBT, que es el componente que mayor tensión va a soportar, son aproximadamente la temperatura ambiente para una intensidad de 2 A. (En algunos casos las imágenes no tienen un enfoque muy bueno debido a que se tomaron manualmente) 5.1.2. Ensayo a 200 V Para una tensión de 200V, vemos que existe una evolución de la temperatura con respecto al caso anterior, ya que se está haciendo circular el doble de intensidad, qué se alcanza sobre todo en los contactos de potencia (Colector – Emisor) del IGBT, llegando a los 35 grados centígrados. Figura 44. Temperaturas alcanzadas en visible (izquierda) e infrarrojo (derecha) para una tensión de 200 V. Fuente: propia. Figura 43. Temperaturas alcanzadas en visible (izquierda) e infrarrojo (derecha) para una tensión de 100 V. Fuente: propia. Grado en Ingeniería Eléctrica 53 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares 5.1.3. Ensayo a 300 V En estos niveles de tensión, se empieza a observar temperaturas máximas que rondan los 47 ºC, de nuevo en la zona de los contactos de potencia del IGBT. Las corrientes de trabajo en una planta solar en condiciones soleadas pueden ser del orden de los 8 A aproximadamente; en este caso se están haciendo circular 7,5 A y como se puede observar las temperaturas alcanzadas no son para nada peligrosas. 5.1.4. Ensayo a 400 V Con una intensidad de corriente de 10 A, se siguen teniendo temperaturas aceptables de alrededor 60ºC y de nuevo en los contactos de potencia como cabría esperar. 5.1.5. Ensayo a 500 V Finalmente, para una tensión de 500 V se tienen temperaturas ya altas, que rondan los 95 grados centígrados, debidas a la alta intensidad que se está haciendo circular, Figura 45. Temperaturas alcanzadas en visible (izquierda) e infrarrojo (derecha) para una tensión de 300 V. Fuente: propia. Figura 46. Temperaturas alcanzadas en visible (izquierda) e infrarrojo (derecha) para una tensión de 400 V. Fuente: propia. 54 Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Álvaro Martín Buenaposada del orden de los 13 A (estas intensidades no se darán en una instalación solar) y a la falta de un equipo de refrigeración. La temperatura del radiador como se muestra en la Figura 47, es de aproximadamente 47 ºC, 20 grados más que en el primer ensayo de 100 V. Ensayo con módulo fotovoltaico en laboratorio Así como en el apartado anterior se testeo el dispositivo para diferentes tensiones y se pudo ver que, para tensiones altas, los componentes no sufren ningún tipo de daño, en este apartado se va a mostrar el ensayo de EL que se realizó en el laboratorio del edificio lucia para testear que el prototipo realiza la polarización del módulo fotovoltaico correctamente y por lo tanto que la imagen de (EL) procesada por el ordenador donde se encuentra el software pertinente para ello es apta para determinar el buen funcionamiento del Optronbox V2. Para realizar este ensayo se hizo uso de lo que en un ensayo de EL común sería necesario, una cámara CCD de InGaAs capaz de recoger imágenes en longitudes de onda similares a las que emite el panel, una fuente de alimentación encargada de suministrar la tensión necesaria para polarizar el módulo fotovoltaico, un software encargado de realizar la resta de imágenes en dos estados (con el módulo polarizado y con el módulo en circuito abierto) y por último el prototipo diseñado encargado de cambiar el estado al panel (polarizado y circuito abierto). El módulo fotovoltaico para examinar es un módulo que se utiliza para pruebas en el laboratorio y que a priori parece estar en perfectas condiciones para producir lo que el fabricante indique en su hoja de características. Figura 47. Temperaturas alcanzadas en visible (izquierda) e infrarrojo (derecha) para una tensión de 500 V. Fuente: propia. Grado en Ingeniería Eléctrica 55 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Para la toma de una buena imagen de EL, la cámara utilizada requiere de previos ajustes de enfoque y ángulo de apertura, de tal manera que en función de la distancia a la que esté colocada el módulo a examinar, en ángulo de apertura del objetivo debe estar más o menos abierto. Cuanto más lejos esté el objeto, menor ángulo de apertura debe tener y por lo tanto menor luz entrará. Otros de los ajustes que se deben configurar, en este caso en el software, es el tiempo de exposición de la cámara, jugando con éste y el ángulo de apertura anteriormente mencionado, se deberá ver el módulo con una calidad aceptable. Por último, el software se encarga de realizar dos restas en dos estados diferentes, un estado es con el módulo polarizado y por lo tanto emitiendo luz, y otro estado con el módulo en circuito abierto; estas dos restas de imágenes corresponden a un ciclo, por lo tanto, cuantos más ciclos se configuren, mejor es la imagen que se va a obtener, aunque llegado un número máximo, la imagen empieza a empeorar. Realizados todos estos ajustes, introduciendo un número de ciclos conveniente, y verificando que el software ha reconocido tanto al Arduino como a la cámara, ya se está en disposición de introducir en la fuente la tensión de alimentación necesaria para polarizar el módulo; como la prueba se realizó en el interior del laboratorio, donde la radiación solar es muy baja y por lo tanto también lo es la tensión de polarización necesaria, con 24 V el módulo ya estaba polarizado y emitiendo luz en el infrarrojo próximo. En la Figura 48 se muestran los resultados obtenidos tras el ensayo. A la vista de los resultados obtenidos, el módulo fotovoltaico que a priori parecía estar en perfectas condiciones tiene muchos daños estructurales internos lo que se traduce en pérdidas en producción de energía eléctrica si de una instalación real se tratase. 56 Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Álvaro Martín Buenaposada Ensayo con varios módulos fotovoltaicos en una instalación real En este apartado se va a detallar el ensayo que se realizó en una planta fotovoltaica situada en la provincia de Cáceres que sirvió para verificar el correcto funcionamiento del prototipo diseñado en una situación real, con factores que en laboratorio no se podrían tener como por ejemplo los continuos cambios ambientales. Tras un periodo en el que se concretó el día y lugar de la visita junto a una firma global de consultoría e ingeniería, líder en el sector de las energías renovables, se viajó a la planta solar con los equipos necesarios para realizar medidas de EL a unos paneles fotovoltaicos que habían sufrido daños debidos a unos fuertes vientos. La empresa con la que se acudió a realizar las medidas de EL cuenta con una fuente de alimentación de 15 kW y que por lo tanto permite polarizar un “string” de varios módulos fotovoltaicos conectados en serie; otro factor que no se podía simular en el laboratorio ya que la fuente con la que el grupo de investigación cuenta es muy pequeña y no es capaz de llegar a estos niveles de tensión. La planta solar a la que se acudió cuenta con 50 MW de potencia instalada y una Figura 48. Módulo fotovoltaico para examinar (izquierda). Imagen de EL obtenida (derecha). Fuente: propia. Grado en Ingeniería Eléctrica 57 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares superficie total ocupada de 132 Ha. Los módulos fotovoltaicos de silicio monocristalino de célula partida estaban colocados en “strings” de 44 módulos en serie con una estructura metálica para el alojamiento de los paneles solares fotovoltaicos con seguidor en un eje. Este seguidor o “tracker” está compuesto por un motor de corriente continua encargado de realizar el movimiento de la estructura y de un sensor calibrado para la máxima irradiación que permite tener a los módulos fotovoltaicos siempre orientados de manera perpendicular al sol. En la Figura 49 se muestra el “string” de paneles fotovoltaicos y la estructura con seguidor. En la Figura 50 y Figura 51 se observa el motor de c.c del seguidor, la célula calibrada y las características técnicas de los módulos fotovoltaicos utilizados en la planta. Figura 50. Motor de corriente continua para el desplazamiento de los módulos fotovoltaicos (izquierda). Sensor calibrado para el seguimiento de los módulos fotovoltaicos (derecha). Fuente: propia. Figura 49. String de 44 paneles fotovoltaicos (izquierda) y estructura con seguidor (derecha). Fuente: propia. 64 Grado en Ingeniería Eléctrica Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares Álvaro Martín Buenaposada La Fundación General de la Universidad de Valladolid (FUNGE) ha premiado este Trabajo de Fin de Grado en el programa PROTOTIPOS – PROMETEO, para el desarrollo de prototipos orientados al mercado desarrollados por parte de los alumnos de la Universidad de Valladolid (UVa), en el curso 2020/2021. Grado en Ingeniería Eléctrica 65 Álvaro Martín Buenaposada Desarrollo de un prototipo para medidas de electroluminiscencia en paneles solares 7. Bibliografía [1] J. L. Balenzategui Manzanares, FUNDAMENTOS DE LA CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA: LA CÉLULA SOLAR. 2008. 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