Diseño e implementación de un prototipo de simulador solar con lámpara pulsada para la prueba de características eléctricas de paneles fotovoltaicos

Abstract

Para determinar los parámetros eléctricos de operación de los módulos fotovoltaicos es necesario desarrollar las pruebas en condiciones estándar (1000W/m2, AM 1,5 y 25º C), una de estas condiciones es la irradiancia, la cual se puede obtener de forma natural o artificial, la primera se obtiene de forma directa ante la exposición de los módulos a la radiación solar natural, sin embargo, se tienen algunas limitaciones, dado que depende de las condiciones climáticas de la zona donde se ejecuten las pruebas. Para el desarrollo de una fuente de emisión artificial similar al sol, se consultó la norma IEC 60904-9, donde se especifican los criterios de clasificación de los simuladores en tres criterios, coincidencia espectral, no uniformidad e inestabilidad temporal; estos criterios tienen una estrecha relación con la amplitud uniforme de pulso y su tiempo de duración. Con base en lo anterior, se decide construir un emulador solar con lámpara de Xenón tipo flash, la cual permite obtener un espectro similar al de la luz solar natural, este espectro se garantiza manteniendo los niveles de tensión y densidad de corriente de operación de lámpara. Para cumplir este objetivo, se diseñó, simuló y fabricó un conversor AC – DC, por medio de un transformador de 12 pulsos, una etapa de rectificación, inductancias de acople. Estos equipos en conjunto permiten una tensión de salida entre 300 – 700 VDC, un rizado menor al 3% y un contenido armónico inferior al 5%. Adicionalmente se diseñó e implementó una etapa de control por medio de transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), con la capacidad de soportar la corriente, tensión y energía requerida para la emisión de un pulso que cumpla la clasificación de emulador solar en una de las categorías de la norma IEC 60904-9. Los diseños, simulación y pruebas desarrolladas en este trabajo permitirán evaluar la viabilidad y cumplimiento tanto en seguridad como en operación de emulador solar con lámpara de xenón tipo flash e identificar las limitaciones asociadas a la fuente de alimentación de dicho sistema. (Texto tomado de la fuente)

To determine the electrical operating parameters of the photovoltaic modules it is necessary to develop tests under standard conditions (1000W/m2, AM 1.5 and 25º C), one of these conditions is the irradiance, which can be obtained naturally or artificially, the first is obtained directly when the modules are exposed to natural solar radiation, however, there are some limitations, since it depends on the climatic conditions of the area where the tests are carried out. For the development of an artificial emission source similar to the sun, the IEC 60904-9 standard was consulted, where the classification criteria of the simulators are specified in three criteria, spectral coincidence, non-uniformity and temporal instability; these criteria are closely related to the uniform pulse amplitude and its duration time. Based on the above, it was decided to build a solar emulator with a flash type Xenon lamp, which allows to obtain a spectrum like that of natural sunlight, this spectrum is guaranteed by maintaining the voltage levels and lamp operation current density. To meet this objective, an AC - DC converter was designed, simulated and manufactured, by means of a 12-pulse transformer, a rectification stage and coupling inductances. Together, this equipment allows an output voltage between 300 - 700 VDC, a ripple of less than 3% and a harmonic content of less than 5%. Additionally, an isolated gate bipolar transistor (IGBT) control stage was designed and implemented, with the capacity to support the current, voltage and energy required for the emission of the pulse for the classification of the solar emulator in one of the categories of the IEC 60904-9 standard. The designs, simulation and tests developed will allow presenting the feasibility and compliance both in safety and operation of the solar emulator with flash type xenon lamp and identify the limitations associated with the backup source.