por Keith Emery

El rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos generalmente se mide en función de su potencia máxima con respecto a un espectro específico, la irradiación total y la temperatura. El Laboratorio de Rendimiento de Células y Módulos Fotovoltaicos del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL, por sus siglas en inglés) de Golden, Colorado, viene midiendo el rendimiento de las células y los módulos para la comunidad fotovoltaica terrestre de los EE. UU. desde 1980. El Laboratorio Nacional de Energía Renovable generalmente calibra 200 células y módulos por mes y sigue los procedimientos descritos en las normas de la ASTM International para la calibración de sus células de referencia primaria (E 1125, consulte el recuadro lateral para leer los títulos de las normas), mediciones de respuesta espectral (E 1021), células de referencia secundaria (E 948), módulos secundarios (E 1036), módulos concentradores (E 2527) y células y módulos de conexiones múltiples (E 2236).

Figura 1: aparatos de calibración de las células de referencia primaria del Laboratorio Nacional de Energía Renovable, de izquierda a derecha, cuatro células fotovoltaicas montadas en un electrodo controlado por temperatura, un radiómetro espectral Licor modelo LI-1800, un radiómetro de cavidad absoluto  Eppley modelo AHF.

Un juego limitado de muestras cuenta con un certificado de calibración para la norma ISO 17025, Requisitos generales para determinar la aptitud de los laboratorios de prueba y calibración (Asociación Estadounidense para la Homologación de Laboratorios número 2236.01). El laboratorio también proporciona mediciones independientes de la eficiencia fotovoltaica para ayudar a minimizar la aparición de reclamos de eficiencia excesiva en la prensa o en publicaciones.  A lo largo de los años, este grupo desarrolló la base técnica para muchas de las normas de rendimiento fotovoltaico.

La calibración de las células de referencia fotovoltaica primaria
Las células de referencia fotovoltaica primaria se usan para determinar el rendimiento eléctrico de los dispositivos fotovoltaicos. Las células de referencia fotovoltaica primaria que cumplen con el paquete de especificaciones de la norma E 1040 se calibran en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable bajo luz solar con la respuesta relativa del espectro de la célula (E 1021), la distribución relativa del espectro de la luz solar y una distribución tabulada de la irradiación del espectro de referencia, como la que se proporciona en la norma G 173, de acuerdo con la norma E 1125. Los centros nacionales de calibración fotovoltaica pueden obtener una calibración homologada por la norma ISO 17025 para este método debido a su importancia internacional.

El aparato de medición (Figura 1) usa un radiómetro de cavidad absoluto que se puede correlacionar con la Referencia Radiométrica Mundial para medir la irradiación total en un campo visual de 5º, un radiómetro de espectro (E 1341) y un transformador de corriente de voltaje de polarización nula para medir la corriente de cortocircuito (Isc) de la célula fotovoltaica. El campo visual de las cuatro células que se calibran al mismo tiempo y el radiómetro de espectro se hacen coincidir a 5º del radiómetro de cavidad. La linealidad de la corriente de cortocircuito del itinerario de la célula de referencia primaria debe verificarse con la norma E 1143.

El aparato que se muestra la figura 2 se usó para desarrollar un método alternativo que está en proceso de votación. Este método se basa en la relación que indica que la corriente de cortocircuito que produce sólo la lámpara A más la que produce sólo la lámpara B debe ser igual a la corriente de cortocircuito de ambas lámparas (A y B) juntas para que sea lineal.1 Esta diferencia se expresa como una derivación del porcentaje de linealidad y se mide en varios niveles de luz sobre el interés de irradiación, que generalmente es de 400 a 1100 vatios por metro cuadrado (Wm-2).

Figura 2: banco de pruebas para la medición de la linealidad de células de referencias fotovoltaicas que muestran dos juegos de fuentes de luz de tungsteno, obturadores y ruedas de filtros que sostienen siete filtros de densidad neutral.

El rendimiento eléctrico de las células y los módulos fotovoltaicos
Según las condiciones estándar para presentar informes, el rendimiento eléctrico de las células y los módulos fotovoltaicos se define por una temperatura de referencia (25ºC), la irradiación total (1.000 Wm-2) y la distribución de la irradiación del espectro (normas E 490, G 159 y G 173). En la actualidad, la comunidad fotovoltaica terrestre está usando la norma G 159, pero pasará a usar la G 173 luego de que se haya realizado la votación de la modificación de la norma 60904-3 de la Comisión Eléctrica Internacional, Dispositivos fotovoltaicos, parte 3: principios de medición para los dispositivos solares fotovoltaicos (PV, por sus siglas en inglés) terrestres con información de referencia sobre la irradiación espectral. Esto permitirá que se realice un cambio internacional a un nuevo espectro de referencia de manera ordenada .

Este cambio tendrá un impacto inferior al 1% en la potencia nominal máxima en vatios para los módulos de silicona. Sin embargo, la industria fotovoltaica vale más de 10 mil millones de dólares estadounidenses por año, produjo más de 2,5 gigavatios de células el año pasado y crece más del 40% anualmente; de manera que hasta un cambio del 1% es significativo.2. El mayor impacto del cambio de la norma G 159 de la ASTM a la G 173 está destinado al espectro de referencia directo, que se usa para evaluar las células  concentradoras.3 En la actualidad, no hay normas consensuales para evaluar las células concentradoras, pero los laboratorios nacionales de calibración fotovoltaica de Alemania, Japón y los EE. UU. han llegado a acuerdos informales sobre las condiciones para las células y los módulos del concentrador.4 Podemos expedir un certificado de calibración conforme con la norma ISO 17025   con el número 2236.01. de homologación A2LA.

En cuanto a los dispositivos que se calibran en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, primero registramos el dispositivo según la información de una carta de presentación o un formulario de solicitud. Luego, medimos la superficie total o de abertura, que es fundamental para determinar su eficiencia y obtener su respuesta espectral. En cuanto a las células que se prueban según la norma E 948 de la ASTM, medimos la respuesta espectral con nuestra gratícula o sistema basado en filtros según la norma E 1021 (figura 3). Sin embargo, en lo que se refiere a los módulos que se prueban según la norma E 1036, generalmente el fabricante nos brinda la respuesta espectral o la medimos en una célula representativa. La norma E 1036 de clasificación del rendimiento del módulo pasó a ser ley cuando se citó en la ley de política energética en el 2005. Podemos medir la respuesta espectral de un módulo, pero lleva mucho tiempo y es proclive al uso de artefactos.

Figura 3: sistema de medición de respuesta espectral mediante el uso de 64 filtros con paso de banda de 10 nanómetros para cubrir un margen de 290 a
2000 nanómetros.

Luego, usamos la información de la respuesta espectral (E 1021) para calcular el desajuste espectral (E 973) entre el dispositivo de prueba y una célula de referencia primaria para el simulador que se usará para la medición posterior de la corriente y el voltaje (I-V). Esto indica cómo se debe ajustar el simulador para que el dispositivo de prueba produzca la misma corriente bajo el espectro del simulador que la que se hubiese esperado bajo el espectro de referencia. Exigimos que el simulador para las mediciones de células o módulos sea clase A conforme con la norma E 927, que establece el límite sobre el ajuste del simulador para el espectro de referencia, la falta de uniformidad espacial y la inestabilidad temporal de la irradiación.

Luego medimos las características de corriente y voltaje (I-V) en condiciones simuladas, figura 4. En cuanto a los módulos, también medimos el rendimiento de la corriente y el voltaje bajo la luz solar natural, que nos permite determinar la respuesta del módulo en condiciones "reales". Luego de la medición bajo la luz solar, los resultados se traducen a las condiciones estándar. En cuanto a las células concentradoras, medimos las características de corriente y voltaje como una función del nivel de luz. También podemos ajustar el espectro a un alcance limitado para los concentradores de conexiones múltiples para hacer que el ajuste actual sea lo más parecido posible a las condiciones de referencia.

Figura 4a: banco de pruebas de corriente y voltaje de las células para medir de acuerdo con la norma E 948.

Figura 4b: banco de pruebas de corriente y voltaje de los módulos según la norma E 1036.

Luego de haber realizado las mediciones, revisamos meticulosamente los resultados por irregularidades o errores de procedimiento. Por último, preparamos un informe para el cliente, que puede ser tan simple como una presentación de tablas de datos o tan complejo como un documento que contenga una descripción, análisis, datos y recomendaciones.

Fuente: http://www.astm.org