PROYECTO FIN DE GRADOoa.upm.es/53160/1/TFG_ALVARO_ASENJO_AMELL.pdf · La energía solar es una fuente de energía renovable que está en auge en los últimos años debido al encarecimiento

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA

Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN

PROYECTO FIN DE GRADO

TÍTULO: Sistema de alimentación para luz de polarización de sensores

espectrales.

AUTOR: Álvaro Asenjo Amell

TITULACIÓN: Grado en Ingeniería Electrónica de Comunicaciones

TUTOR: Ignacio Antón Hernández

DEPARTAMENTO: Departamento de Ingeniería Telemática y Electrónica

VºBº

Miembros del Tribunal Calificador:

PRESIDENTE: Inmaculada Álvarez de Mon Rego

TUTOR: Ignacio Antón Hernández

SECRETARIO: Luis Narváez Fernández

Fecha de lectura:

Calificación:

El Secretario,

http://www.etsist.upm.es/estudios/grado/electronica

A mis padres, Juan José y Laymi Gema.

Resumen

La energía solar fotovoltaica, basada en células de silicio, ha experimentado un crecimiento exponencial en los últimos años. La gran actividad investigadora enfocada en esta tecnología ha contribuido a la mejora de la eficiencia y reducción del coste, colocándola así en una de las energías a tener en cuenta en el marco de las energías renovables.

El presente proyecto se centra en el estudio de células de alta eficiencia, basadas en otros semiconductores diferentes al silicio, conocidos como semiconductores III-V por la presencia de materiales de esos grupos de la tabla periódica. Las células solares multi-unión son capaces de duplicar la eficiencia de los módulos fotovoltaicos de silicio convencionales en base a un mejor aprovechamiento del espectro solar. Como consecuencia, esta tecnología requiere una caracterización más exhaustiva del recurso solar, especialmente de su composición espectral. El objetivo de este proyecto es desarrollar un espectrómetro basado en las propias células multi-unión como sensores espectrales sensibles a zonas concretas del espectro.

El fin de este espectrómetro es la caracterización del recurso solar en plantas fotovoltaicas de concentración, con el objetivo de determinar la influencia de las variaciones espectrales en la energía producida por los sistemas de concentración.

Se pretende añadir al sensor, ubicado en un tubo colimador, un dispositivo que gestione tanto la medición de la energía recibida, como regular el tipo luz incidente en el sensor. El tratamiento de dicha luz será uno de los puntos principales del proyecto, que aparte de la luz solar, será necesaria luz artificial para saturar el sensor y así poder analizar de manera independiente cada una de las áreas del espectro. El dispositivo consistirá en un regulador de intensidad lumínica, implementado mediante una bomba de carga (convertidor DC/DC) que alimentará unos diodos LEDs, encargados de generar esta luz artificial. Debido al comportamiento de la célula multi-unión, se tendrá que diseñar también un circuito que polarice el sensor.

Finalmente, el gobierno de la instrumentación y la medición de la energía recibida será gestionado por un datalogger habitual en este tipo de estaciones meteorológicas. La alimentación y la interconexión de los distintos elementos se hará a través del circuito acondicionador donde se centralizarán los distintos elementos y funcionalidad.

Las pruebas y verificaciones de conjunto del espectrómetro serán realizadas en las instalaciones del Instituto de Energía Solar, para evaluar el comportamiento en un simulador de concentración fotovoltaico. Posteriormente se analizarán las posibles aplicaciones en plantas reales con su comportamiento en el exterior.

Abstract

Photovoltaic solar energy, based on silicon cells, has experienced an exponential growth in recent years, on the basis of a intense research activity focused on this technology that has contributed to the improvement of efficiency and cost reduction, placing it in one of the energies to take into account in the framework of renewable energies.

The present project focuses on the study of high efficiency cells, based on other semiconductors than silicon, known as III-V semiconductors due to the presence of materials from these groups of the periodic table. The multijunction solar cells are capable of doubling the efficiency of conventional silicon photovoltaic modules based on a better use of the solar spectrum. As a consequence, this technology requires a more exhaustive characterization of the solar resource, especially its spectral composition. The objective of this project is to develop a spectrometer based on the multijunction cells themselves as spectral sensors sensitive to specific areas of the spectrum.

The purpose of this spectrometer is the characterization of the solar resource in photovoltaic plants of concentrator systems, accounting of the real installed power, the influence of the spectral variations in the energy produced and how it varies with the boundary conditions.

It is intended to add to the sensor, located in a collimator tube, a device that manages both the measurement of the received energy, and to regulate the type of incident light in the sensor. The treatment of this light will be one of the main points of the project, that apart from sunlight, artificial light will be needed to saturate the sensor and thus be able to independently analyze each of the areas of the spectrum. The device will consist of a light intensity regulator, implemented by means of a charge pump (DC / DC converter) that will power LED diodes, responsible for generating this artificial light. Due to the behavior of the multijunction cell, a circuit that polarizes the sensor must also be designed.

Finally, the government of the instrumentation and the measurement of the received energy will be managed by a datalogger, usual in this type of meteorological stations. The feeding and the interconnection of the different elements will be done through the conditioning circuit where the different elements and functionality will be centralized.

Índice

1 Introducción ........................................................................................................................ - 1 -

1.1 Contexto energético ......................................................................................................... - 1 -

1.2 Radiación Solar ............................................................................................................... - 3 -

1.3 Instrumentación de medida .............................................................................................. - 4 -

1.4 Características del Espectrómetro Solar .......................................................................... - 6 -

1.4.1 Sensor mediante Célula Multi-unión ........................................................................... - 7 -

1.4.2 Regulador de luminosidad ......................................................................................... - 10 -

1.4.3 Datalogger .................................................................................................................. - 11 -

2 Especificaciones y planteamiento del problema. .............................................................. - 13 -

2.1 Estado del arte y objetivos ............................................................................................. - 13 -

2.2 Requerimientos del diseño ............................................................................................ - 15 -

2.3 Planteamiento ................................................................................................................ - 18 -

2.4 Estado del Arte de Bombas de Carga ............................................................................ - 19 -

3 Diseño e implementación del sistema. .............................................................................. - 23 -

3.1 Regulador de luminosidad. ............................................................................................ - 23 -

3.1.1 Simulaciones. ............................................................................................................. - 26 -

3.1.2 Circuito impreso del regulador de luminosidad. ........................................................ - 32 -

3.2 Circuito acondicionador ................................................................................................ - 34 -

3.2.1 Diseño del circuito acondicionador del sensor .......................................................... - 34 -

3.2.2 Alimentación y conexionado con el datalogger ......................................................... - 38 -

3.2.3 Circuito impreso acondicionador ............................................................................... - 39 -

4 Verificación y caracterización del espectrómetro ............................................................. - 43 -

4.1 Caracterización circuito acondicionador ....................................................................... - 43 -

4.2 Simulador solar para la medida de módulos de concentración fotovoltaica ................. - 45 -

4.2.1 Mediciones con Helios 3198 ...................................................................................... - 47 -

4.3 Mediciones en condiciones reales ................................................................................. - 57 -

4.3.1 Resultados de las mediciones en condiciones reales ................................................. - 59 -

5 Conclusiones ..................................................................................................................... - 63 -

6 Presupuesto........................................................................................................................ - 65 -

Anexo ....................................................................................................................................... - 67 -

Referencias ............................................................................................................................... - 77 -

Índice de Figuras

Figura 1: Potencia fotovoltaica instalada Global.

Figura 2: Espectro de la radiación solar según AEMET.

Figura 3: Piranómetro LP02.

Figura 4: Pirheliómetro DR02.

Figura 5: Célula solar Multi-union según Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems.

Figura 6: Funcionamiento bomba de carga.

Figura 7: Esquema global: Partes del espectrómetro.

Figura 8: Interior del tubo colimador.

Figura 9: LTC3217.

Figura 10: Modo x1 carga y descarga LTC3217.

Figura 11: Modo x1.5 carga y descarga LTC3217.


Figura 13: Circuito de simulación LED.

Figura 14 a: Curva IV diodo top.

Figura 14 b: Curva IV simulación diodo top.

Figura 15 a: Curva IV diodo middle.

Figura 15 b: Curva IV simulación diodo middle.

Figura 16 a: Curva IV diodo bottom.

Figura 16 b: Curva IV simulación diodo bottom.

Figura 17: Circuito Simulación en LTspice.

Figura 18: Curva RSET.

Figura 19: Simulación con Bomba de carga Top.

Figura 20: Simulación con Bomba de carga Middle.

Figura 21: Simulación con Bomba de carga Bottom.

Figura 22: Circuito impreso regulador de luminosidad.

Figura 23: Curvas I-V subcélula de la multi-unión.

Figura 24: Circuito acondicionador.

Figura 25: Circuito alternativo sin polarización.

Figura 26: Filtrado paso bajo.

Figura 27: Entradas y salidas datalogger.


Figura 29: Acondicionamiento Caja IP68 con circuito acondicionador

Figura 30: Medidas subcircuito acondicionador Top.

Figura 31: Medidas subcircuito acondicionador Middle.

Figura 32: Medidas subcircuito acondicionador Bottom.

Figura 33: Esquema conceptual del simulador HELIOS 3198 del IES.

Figura 34a: Comportamiento célula multi-unión. Figura 34b: Comportamiento célula multi-unión. Figura 34c: Comportamiento célula multi-unión. Figura 35a: Comportamiento sensor Top. Figura 35b: Comportamiento sensor Top. Figura 35c: Comportamiento sensor Top. Figura 36a: Comportamiento sensor Middle. Figura 36b: Comportamiento sensor Middle. Figura 36c: Comportamiento sensor Middle. Figura 37a: Comportamiento sensor Bottom tipo I. Figura 37b: Comportamiento sensor Bottom tipo I. Figura 37c: Comportamiento sensor Bottom tipo I. Figura 38a: Sensor Bottom tipo II con Vpol 0V. Figura 38b: Sensor Bottom tipo II con Vpol 0V. Figura 38c: Sensor Bottom tipo II con Vpol 0V. Figura 39a: Comportamiento sensor Bottom tipo II. Figura 39b: Comportamiento sensor Bottom tipo II. Figura 39c: Comportamiento sensor Bottom tipo II. Figura 40: Espectrómetro anclado al seguidor solar Geotrack-3000.

Figura 41: Irradiación Espectrómetro Pseudo-isotype.

Figura 42: Comparación Irradiacia PseudoIso Top vs IsotypeTop.

Figura 43: Comparación Irradiacia PseudoIso Middle vs IsotypeMiddle.

Figura 44: Comparación Irradiacia PseudoIso Bottom vs IsotypeBottom.

Nomenclatura

AC Alternating Current (Corriente Alterna)

ADC Analog to Digital Converter (Convertidor Analógico Digital)

A.I. Amplificador de Instrumentación A.O. Amplificador Operacional B Irradiancia Directa (W/m2) CMRR Common Mode Rejection Ratio (Factor de rechazo al modo común) CPV Concentration Photovoltaics (Energía Solar Fotovoltaica de

Concentración). DC Direct Current (Corriente Continua) DIP Dual in-line package (Tipo de encapsulado) DNI Direct Normal Irradiation (Radiación Directa) FV Fotovoltaico IES Instituto de Energía Solar LED Light-Emitting Diode (Diodo Emisor de Luz) MJ Multi-junction (Multi-unión) PCB Printed Circuit Board (Placa de Circuito Impreso) REE Red Eléctrica Española SMD Surface Mount Device (Dispositivo de Montaje Superficial) SOP Small Outline Package (Tipo de encapsulado)

Sistema de alimentación para luz de polarización de sensores espectrales

- 1 -

1 Introducción

1.1 Contexto energético

La energía solar es una fuente de energía renovable que está en auge en los últimos años debido al encarecimiento de los combustibles fósiles además de tratarse de un recurso inagotable y respetuoso con el medio ambiente.

España es uno de los países de Europa con mayor calidad de sol, así como de horas de sol anuales. Esto es debido no solo a su localización sino también a su climatología haciendo que, actualmente, sea un país idóneo para su implantación tanto por su buena situación geográfica como por ser un país pionero en la investigación de este campo. Uno de estos centros de investigación es el Instituto de Energía Solar (IES), donde se desarrollará gran parte de la actividad de este proyecto.

En 2016 [2], la potencia instalada global de sistemas fotovoltaico aumentó un 33%, pasando de 229,9 GW en 2015 a 306,5 GW para finales de 2016. En este año, el mercado solar global estuvo dominado por China, que conectó 34,5 GW a la red, un aumento del 128% sobre los 15,1 GW que agregó el año anterior. Al final de 2016, China tenía un total de 77,9 GW de potencia instalados con sistemas solares fotovoltaicos, lo que equivale a un cuarto de toda la capacidad global de generación. Estados Unidos ocupó el segundo lugar en 2016 incrementando la capacidad en un 97% interanual, totalizando 14,8 GW comparado con 7,5 GW en 2015.

Mientras tanto, la energía solar en Europa continuó su tendencia descendente de varios años. En 2016, agregó 6.7 GW, a pesar de un ligero repunte del mercado en 2015, supuso una disminución del 21% en comparación con los 8.6 GW instalado en 2015. La mayor parte de la capacidad solar total de Europa sigue siendo viéndose representada por dos países: Alemania (39,4%) e Italia (18,2%). A cierta distancia detrás estos países se encuentra el Reino Unido, donde un corto boom solar de tres años se ha traducido en una participación del 11,1% para finales de 2016. Francia sigue en cuarto lugar (6,8%) y España mantiene su quinta posición (5,3%) a pesar de haber sumado menos de 600 MW en los últimos 5 años debido a los obstáculos de la legislación vigente.

Capítulo 1: Introducción

- 2 -

Figura 1: Potencia fotovoltaica instalada Global. [2]

Se calcula que durante 2017 se instalará un 5% más de potencia que lo instalado en 2016 (76,6 GW). Después de alcanzar el hito de 300 MW en 2016, se espera que la capacidad instalada global total de energía solar fotovoltaica exceda los 400 GW en 2018, 500 GW en 2019, 600 GW en 2020 y 700 GW en 2021.

Según las estimaciones Asia continuará dominando el sector solar en un futuro próximo, ya que se espera que la participación de Asia y el Pacífico absorba por lo menos dos tercios del total de la nueva capacidad instalada.

Los últimos cálculos de los costos nivelados de la electricidad (LCOE) realizados por el banco de inversión estadounidense Lazard demuestran claramente que la energía solar a escala es hoy más barata que las nuevas turbinas de gas de ciclo combinado (CCGT), centrales a carbón y nucleares. Por otra parte, uno de los factores más ligados al avance de la energía solar es la eficiencia. El aumento en la eficiencia de los módulos ha producido un notable descenso de los precios. En los últimos 10 años los precios se han reducido en un 75-80% en la cadena de valor. El incremento de la eficiencia de los módulos fotovoltaicos no solo muestra la viabilidad de esta tecnología, sino el auge que va a tener en las energías renovables, como en el marco energético global.

Una de las maneras de mejorar la eficiencia de conversión de energía solar en energía eléctrica, es mediante el uso de células solares multi-unión, que son capaces de alcanzar el 40% de eficiencia y con las que se trabajará en este proyecto a modo de sensor.

Sin embargo, para alcanzar eficiencias superiores al 50% es necesario incorporar más subcélulas, diseñando y fabricando dispositivos formados por cinco o seis uniones. En estos diseños, el reto


- 3 -

actual es conseguir el conjunto de semiconductores más adecuado para fabricar dichos dispositivos de manera rentable.

1.2 Radiación Solar

Por otro lado, hay que analizar el flujo de radiación solar y la manera en que llega a la superficie terrestre ya que es variable y depende de múltiples factores. Algunos de ellos son fijos como la ubicación del observador, la época del año, la hora del día, la orientación de la superficie receptora o la atenuación y dispersión de la radiación debida a una atmósfera estándar en un día claro. Otros factores, asociados al estado de atmósfera, varían en forma difícil de predecir, como son: la nubosidad, el nivel de actividad solar, el contenido y tipo de aerosoles o la cantidad de vapor de agua precipitarle en la atmosfera. Estos factores en su conjunto determinan la radiación solar incidente en la superficie.

Debido a la disparidad entre el radio terrestre y la distancia media entre la tierra y el sol, solo una pequeña fracción de la potencia emitida por el sol incide sobre la Tierra. De la energía que incide fuera de la atmosfera, una parte importante es reflejada al espacio o absorbida en la atmósfera, llegando al suelo, en el mejor de los casos, el 70 % de la potencia inicial. En la Figura 2 se puede apreciar esta diferencia.

Para analizar la radiación emitida por el Sol hay que centrarse en el estudio de su espectro y las componentes de las mismas en función de su incidencia, dejando a un lado los factores meteorológicos. El espectro solar se distribuye en un amplio espectro de longitudes de onda, como se puede observar en la figura, correspondiendo la mayor parte de la energía radiada, a la porción comprendida entre 250 y 3000 nm. Se observa como la mayoría de esta energía se encuentra dentro de la banda del espectro visible (0.39-0.77 μm). El resto de energía pertenece a la banda infrarroja a excepción de los 200 nm de acho de banda de la ultravioleta 200 nm. La radiación solar se mide usualmente mediante instrumentos especiales destinados a tal propósito denominados radiómetros. La radiación solar global se puede explicar mediante la suma de sus tres componentes: difusa, directa, y reflejada. En primer lugar la difusa es la que después de atravesar la superficie de la atmósfera se dispersa de su dirección original a causa de moléculas en el aire como las nubes. Puede suponer aproximadamente un 15% de la radiación global en los días soleados, pero en los días nublados, en los cuales la radiación directa es muy baja, la radiación difusa supone un porcentaje mucho mayor. En segundo lugar, la radiación directa (DNI) es la que viene directamente del disco solar. Por último, la reflejada es, como su propio nombre indica, aquella reflejada por la superficie terrestre. Existen varias clases de radiómetros, dependiendo del tipo de radiación a medir, estos se explicarán en el siguiente epígrafe.

https://es.wikipedia.org/wiki/Atm%C3%B3sfera


- 4 -

Figura 2: Espectro de la radiación solar según AEMET.

En la Figura 2 también se observa una diferencia entre el ancho de banda en radiación directa con el de la difusa. La componente difusa de la radiación tiene un ancho de banda que llega hasta los 1000nm en cambio el espectro de la directa se extiende hasta los 2500nm. De esto se puede deducir la importancia de la radiación directa en el espectro de la radiación total. Esta radiación se mide con un dispositivo de medición denominado pirheliómetro.

El espectrómetro que se pretende construir tiene como finalidad la caracterización de módulos de sistemas de concentración fotovoltaicos (CPV). En estos sistemas CPV solamente es aprovechada la radiación que incide perpendicularmente al módulo. Esta casi en su totalidad, es la componente directa de la radiación. Esto es debido a la óptica utilizada para generar dicha concentración de luz solar.

Se utilizarán como referencia, a la hora de realizar el diseño, diferentes dispositivos de medida existentes en el mercado.

1.3 Instrumentación de medida

La Organización Meteorológica Mundial define radiación global como la radiación solar en el intervalo espectral de 0.3 a 3 μm recibida sobre una superficie plana horizontal. La medida de la radiación global se realiza por medio de instrumentos llamado piranómetros. La radiación difusa se mide también sobre una superficie horizontal también con un piranómetro, que incorpora


- 5 -

un disco o una banda sombreadora, para evitar la visión del disco solar (lo que elimina la componente directa) en su recorrido diario.

Los piranómetros de uso más extendido, como el Eppley modelo PSP, sin protección es capaz de absorber la radiación solar en un rango entre los 300 y los 5000 nm. Por ello constan de dos cúpulas con un campo de visión de 180º. Su función principal es filtrar la radiación infrarroja procedente de la atmósfera y la radiación de onda corta procedente del sol, evitando que alcance al receptor. El sensor está constituido por una termopila, capaz de generar tensión eléctrica proporcional a la diferencia de temperatura entre los metales de los termopares. La unión caliente está recubierta de una pintura con capacidad de absorber fácilmente la radiación y transformarla en calor. El cuerpo del instrumento, constituido por una pieza cilíndrica de bronce protegida por un disco de guarda pintado para reducir la absorción de irradiancia solar, aloja la circuitería electrónica y sirve de sumidero de calor para la unión fría de la termopila. Se consigue así una respuesta espectral bastante precisa. El instrumento está dotado de un desecante para evitar la condensación en el interior del instrumento y de un nivel de burbuja para facilitar la correcta nivelación [4].

Otro tipo de piranómetro es el basado en sensores de silicio, implementado mediante una cúpula, con una serie de filtros y un fotodiodo. Este fotodiodo es capaz de detectar una parte del espectro solar localizada entre los 400nm – 1100nm. Convierte así, mediante el efecto fotoeléctrico, corriente eléctrica proporcional a la radiación solar. Se suelen utilizar amplificadores de transimpedancia para convertir dicha corriente en un voltaje proporcional.

El último tipo de piranómetro está basado en el uso de una célula fotovoltaica como sensor. La respuesta espectral de estos sensores no incluye todo el espectro de interés, por lo que la calidad de la medida depende de las condiciones atmosféricas. Sin embargo, su rápida respuesta, ligereza y, sobre todo, menores costes en comparación con los piranómetros de calidad alta hacen que este tipo de instrumento de medida vaya ganando terreno en algunos campos de aplicación, como los relacionados con la agricultura o con la evaluación de plantas fotovoltaicas.

Figura 3: Piranómetro LP02 Figura 4: Pirheliómetro DR02.

En cambio, la medida de la radiación solar directa se realiza con un aparato de medida denominado pirheliómetro, instrumento de tipo telescópico con una apertura de pequeño diámetro. El sensor de un pirheliómetro debe mantenerse en todo momento perpendicular a la dirección de


- 6 -

la radiación solar, por lo que es necesario el uso de sistemas de seguimiento solar. La apertura central de este instrumento está diseñada para que deje pasar sólo la radiación procedente del disco solar y de una estrecha franja anular en torno al sol, alcanzarán el sensor. Al igual que los piranómetros pueden utilizar diferentes tipos de sensores como una termopila o una célula fotovoltaica.

Los pirheliómetros de uso más frecuente, como el NIP (Normal Incidente Pyrheliometer) de Eppley, incorporan una termopila en la base de un tubo cuya relación entre diámetro de apertura y longitud es aproximadamente 1:10, siendo el ángulo subtendido de 5º a 11º (5°43'30" en el caso del NIP). A mayor ángulo, mayor será la cantidad de radiación solar procedente de la disco solar captada por el sensor, pero menores serán las exigencias de precisión en el seguimiento de la trayectoria solar. Gracias al desarrollo de seguidores solares más precisos, este último factor ha perdido peso en el diseño de pirheliómetros.

1.4 Características del Espectrómetro Solar

Este proyecto nace como continuación de las líneas de investigación en energía solar dentro del IES en el campo de sistemas de concentración fotovoltaicos (CPV). En concreto, consiste en crear un espectrómetro capaz de medir la irradiancia solar en tres zonas espectrales de forma independiente. Actualmente esto se lleva a cabo con unas células solares denominadas “Isotypes” que son bastante costosas, aparte de ser difíciles de conseguir en el mercado. Por este motivo se pretende sustituir estos sensores tipo células “Isotype”. La función de este dispositivo es la monitorización continua de la energía solar instantánea para la aplicación de mejoras en instalaciones fotovoltaicas de concentración. Esta caracterización a corto plazo posterior a la instalación de una planta de CPV es debida a una necesidad de controlar la potencia real instalada de acuerdo con las condiciones contractuales. La potencia real de grandes sistemas y plantas de alto grado de concentración tiene una fuerte dependencia espectral con el rendimiento de las células multi-unión. Debido a cómo afecta tanto la temperatura ambiente como la temperatura de la célula a la desviación de DNI se pretende utilizar este espectrómetro para realizar la corrección espectral.

En el conjunto del espectrómetro podemos diferenciar tres partes distintas entre sí: el instrumento de medida, un circuito acondicionador y datalogger:

1. El instrumento de medida está diseñado y sellado adecuadamente para exposición al aire libre, con el mismo ángulo de visión de un pirheliómetro estándar y habilitado para ser montado en un dispositivo de seguimiento solar. Estos seguidores solares se encargan de mantener la célula continuamente perpendicular a la trayectoria del sol, utilizados para maximizar la radiación incidente y captar la radiación directa.

Se puede desglosar el instrumento de medida en varias partes:

- Un sensor, compuesto de una célula solar multi-union.


- 7 -

- Dispositivo encargado de saturar lumínicamente el sensor para medir independientemente cada una de las tres zonas espectrales.

- Un conjunto formado por tres tubos colimadores, denominado tri-tubo, que alojará el regulador de luminosidad y el sensor.

2. El circuito acondicionador tiene como función, además de la polarización del sensor, la adaptación de la señal de salida para adecuarla a la entrada del datalogger. También servirá de nexo de unión entre los diferentes elementos que compone el espectrómetro.

3. El datalogger es una unidad remota de medida encargada de adquirir y almacenar todos los datos para su posterior análisis. No solo tiene la función de recoger y procesar datos, sino también tiene función de gobierno sobre los intervalos en los que se tienen que hacer las medidas.

1.4.1 Sensor mediante Célula Multi-unión

El sensor está hecho a partir de una célula fotovoltaica multi-unión, al que se le hará llegar la radiación solar directa, mediante el tubo colimador que limita la apertura angular del haz incidente a ±2.5º. La célula multi-unión se fabrica mediante procesos de crecimiento de capas epitaxiales, que forman varias uniones p-n cada una de ellas de diferentes materiales semiconductores. Cada unión es sensible a un determinad rango de longitudes de onda, produciendo así diferentes corrientes eléctricas. El hecho de agrupar diferentes materiales semiconductores supone, aparte de multiplicar el ancho de banda efectivo, multiplicar la eficiencia de la célula de unión simple. Siendo así, la principal causa de elección de este tipo de célula como sensor, gracias a que son sensibles prácticamente a la totalidad del espectro al contrario que en las células de silicio. Debido a los elevados costes de fabricación, esta tecnología está destinada a usos muy específicos como proyectos aeroespaciales o plantas CPV.

Los sistemas fotovoltaicos de concentración son una tecnología reciente en parte utilizada para reducir costes en sistemas fotovoltaicos comunes (FV), mediante concentradores de luz. Estos concentradores consisten en sistemas ópticos (lentes o espejos) empleados para aumentar la cantidad de luz que reciben las células. Reduciendo el área de célula respecto a sistemas fotovoltaicos convencionales para entregar una determinada potencia. Las células multi-unión debido a su alta eficiencia, son ideales para el uso de esta tecnología.

Sin embargo, debido al efecto de la óptica de concentración, un sistema CPV solamente es capaz de aprovechar la componente normal directa (DNI). Este requisito restringe la aplicación de la CPV a ciertas regiones del mundo con elevada irradiación solar. Por último, señalar que las eficiencias de las células multi-unión se han incrementado anualmente en los últimos años a un ritmo aproximado de un 1%. Además, el límite teórico de eficiencia máxima de las células multi-unión se sitúa alrededor de 68% (sin luz concentrada) frente al 31% de las células convencionales de silicio. Estos datos recalcan la proyección que tiene esta tecnología.


- 8 -

La célula utilizada como sensor es la denominada III-V, por los grupos de semiconductores a los que pertenece. Normalmente utilizados en sistemas de alta concentración solar, que equivalen a la radiación emitida de 300 a 2000 soles (entendiendo, que un “sol” equivale 1000W/m2). Esta consta de tres uniones diferentes InGaP/ InGaAs/Ge. Se pretende usar estas tres bandas de trabajo a las que es sensible para medir el espectro solar. Cada una de estas subcélulas tiene un conexionado en serie para formar la multi-unión. Por ejemplo, la tensión total de la multi-union será la suma de las tensiones individuales de cada subcélula. Mientras que la corriente total de la multi-unión viene limitada por la subcelular de menor corriente. Este comportamiento es descrito por las siguientes ecuaciones:

𝑉𝑀𝐽 = 𝑉𝑇𝑜𝑝 + 𝑉𝑀𝑖𝑑𝑑𝑙𝑒 + 𝑉𝐵𝑜𝑡𝑡𝑜𝑚

𝐼𝐿 = min(𝐼𝐿𝑇𝑜𝑝 , 𝐼𝐿𝑀𝑖𝑑𝑑𝑙𝑒 , 𝐼𝐿𝐵𝑜𝑡𝑡𝑜𝑚)

Esta capacidad hace posible que se pueda utilizar la célula solar como sensor obteniendo la corriente de la banda no saturada. Ya que las bandas saturadas siempre tendrán mayor corriente, la banda a medir será la limitadora en corriente. Pudiendo así caracterizar esta subcélula a partir de la corriente total de la multi-unión.

Las zonas o bandas a las que son sensibles cada una de las uniones dependiendo del semiconductor utilizado, son las siguientes:

- Subcélula Top con una unión formada de InGaP, hace referencia a la parte del espectro ultravioleta /espectro visible 350 - 700 nm.

- Subcélula Middle con una unión formada de InGaAs, corresponde a la parte del espectro visible/infraroja 750 - 900 nm.

- Subcélula Bottom con una unión formada de Ge pertenece al espectro infrarrojo 900 - 1750 nm.

Como se presenta en la Figura 5 vemos la comparativa entre la densidad de potencia por longitud de onda en condiciones AM 1.5 (Coeficiente estándar de aire de masa) y la eficiencia de conversión máxima para cada unión en función de su longitud de onda. Se puede observar como la multi-unión prácticamente cubre por completo el ancho de banda del espectro solar.


- 9 -

Figura 5: Célula solar Multi-union según Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems

En este proyecto se quiere medir la radiación directa de cada una de las subcélulas (top, middle y bottom) debido a que esta es determinante en sistemas CPV. Para ello se define una irradiancia equivalente Bsub-cell para cada una de las subcélulas, a partir de la medida de la fotocorriente de la misma, ponderada frente a la corriente del dispositivo calibrado con el espectro de referencia AM1.5D. Viene expresado a través de la ecuación:

𝐵𝑠𝑢𝑏−𝑐𝑒𝑙𝑙 =𝐼𝐿_𝑠𝑢𝑏−𝑐𝑒𝑙𝑙

𝐼𝐿𝑠𝑢𝑏−𝑐𝑒𝑙𝑙_(𝐴𝑀1.5𝐷)

· 𝐵𝐴𝑀1.5𝐷

Donde IL_sub-cell es la corriente generada por cada sub célula e IL_sub-cell(AM1.5D) es la corriente equivalente en esa subcélula para la radiación de referencia BAM1.5D.

Por ello, se necesita desarrollar un dispositivo que sature, mediante luz artificial, las zonas del espectro que no se quieren medir. De esta manera la multi-unión mostrará la información única y exclusivamente de la zona del espectro deseada. Por ejemplo, si se quiere medir únicamente la subcélula top, habrá que saturar la middle y la bottom. La saturación de las zonas de las células se hará mediante diodo emisores de luz del mismo rango de longitudes de onda que cada banda a saturar, en este caso las bandas middle y bottom.


- 10 -

1.4.2 Regulador de luminosidad

El regulador de luminosidad es un dispositivo capaz suministrar una determinada corriente eléctrica a unos LEDs cuya emisión de luz satura las diferentes bandas de la célula multi-unión. La emisión de luz se realiza en las longitudes de ondas centrales con una cierta desviación que es capaz de cubrir los anchos de bandas de cada subcélula. De esta manera se irá saturando la parte del espectro que no se pretenda medir.

Esta parte del diseño se hará a partir de un regulador DC/DC, en concreto una bomba de carga (charge pump) que alimentará a dichos LEDs. Las bombas de carga utilizan los condensadores como elementos de almacenamiento de energía que, en función de la frecuencia con la que se carguen y descarguen, producen una salida de tensión más alta o más baja. Estos circuitos son capaces de manejar altas eficiencias, del orden de 90-95%, siendo circuitos eléctricamente simples.

La mayor ventaja de usar el regulador de bomba de carga es que no tiene inductores en el regulador, esto hace que puedan alcanzar un tamaño bastante más reducido. También tiene la capacidad de aumentar o reducir la tensión de salida mediante la conmutación de carga. La desventaja es que esa conmutación puede producir rizado a la salida y ruido. Otro de los principales problemas es la capacidad limitada de corriente de salida debido al uso de condensadores sin elementos inductivos.

Ejemplo de bomba de carga de ganancia unitaria:

Las conexiones de los condensadores de la bomba son alteradas por los interruptores de modo que la carga y la descarga se controlan mediante un oscilador. Los conmutadores S1, S3 y S2, S4 están conmutando en períodos de tiempo complementarios: - Carga: S1, S3 encendido y S2, S4 apagado. - Descarga: S1, S3 apagado y S2, S4 encendido.

Figura 6: Funcionamiento bomba de carga.

Al invertir las conexiones de la salida a masa, la bomba de carga de ganancia unitaria se convierte en inversor de ganancia negativa. La ganancia puede variar según se realicen las conexiones con el condensador. Más adelante una vez seleccionado el componente se explicará que modos tiene y su funcionamiento.

El datalogger también cumple la función de gobierno del dispositivo creado, es decir cada vez que se requiera hacer una medida, el datalogger activará el dispositivo que permanecerá encendido únicamente durante la medición.


- 11 -

1.4.3 Datalogger

El datalogger utilizado para la tarea de adquisición de datos es la Estación MTD/HDT-3008/16 de fabricante Geonica de la serie 3000C. Este modelo especializado en la adquisición de datos meteorológicos, hidrología y procesos industriales. La unidad electrónica, en montaje totalmente compacto en un armario de protección IP66, es capaz de soportar la condición más extrema en localizaciones costeras, alta montaña y zonas de elevadas temperaturas. Permite la gestión de datos y avisos vía radio, GSM, TCP/IP e incluso SMS. Mediante el programa Teletrans -W3K para Windows se configurarán todos los parámetros para el funcionamiento de la estación. Característica no menos importante es su reducido consumo de energía, que permite al equipo mantenerse operativo varios meses, en incluso años, con sólo una batería de 12VCC 7 A/h (Ampliable a 12VCC 14A/h). Tiene un microprocesador de bajo consumo de 8bits y de 18Mhz de frecuencia de reloj, un conversor ADC de 19bits y 25 muestras por segundo con un margen de entrada de ±2.5V o ±5V, una memoria de almacenamiento de hasta 128MB y de un display con el que interaccionar con él. También posee varios tipos de alimentaciones: - Alimentación permanente, para sistemas que tengan que estar activos de forma ininterrumpida,

de 12VCC 1 ACC. - Alimentación analógica y digital de: 12VCC 1 ACC; 5VCC 0.7 ACC, 3.3VCC 0.7 ACC, 3VCC 0.05,

ACC y -3VCC 0.05 ACC. - Alimentación de sensores, controlada por el microprocesador del datalogger, se utiliza para

realizar habitaciones según un periodo de tiempo determinado. Estas señales servirán para indicar al espectrómetro cuando se quiere realizar la medición. En concreto hay dos señales que se puede utilizar con diferentes periodos SC1 y SC2.

Cabe enumerar el número de entradas que puede llegar a gestionar este datalogger: - Entradas analógicas de 8 canales, ampliable hasta 24. Los canales analógicos, antes de

procesarse, necesitan ser digitalizados. Para ello se utiliza el conversor analógico/digital que está incluido en el datalogger. La conversión de la señal a digital será tanto más fiel cuanto mayor sea la resolución y la precisión de dicha conversión. Con una resolución de 19 bit más signo (20 bits) que es la que utilizan los modelos de esta serie, se tiene la posibilidad de discriminar una parte entre 524.288 partes de la señal de entrada, tanto para señales positivas como negativas. Esta gran resolución evita tener que amplificar las señales de entrada, eliminando así los errores que se derivan del proceso de amplificación presente en otros equipos de menor resolución. Pudiendo así, trabajar con una resolución máxima inferior a 1 mV. También resaltar la velocidad de muestro del conversor A/D es 25 muestras por segundo con un periodo entre muestra y muestra de 400ms.

- Entradas digitales, 4 de medición frecuencia y 2 de estado. A diferencia de los analógicos, los canales digitales no necesitan ser convertidos y, por tanto, la información que aportan puede ser tratada directamente por el microprocesador del datalogger. Con la señal digital por frecuencia, el equipo recibe una señal pulsante cuya frecuencia es función del parámetro que


- 12 -

se desea medir. Cuando se mide este tipo de canales, el equipo analiza con gran precisión el número de pulsos que se han leído en un determinado período de tiempo y a partir de ahí, calcula la frecuencia o, su inversa, el período.

En el canal digital por estado, la señal procedente del sensor nos da información únicamente de un estado que puede ser nivel alto o nivel bajo. Este datalogger se encuentra en el IES y está siendo utilizado por varios sistemas, por lo tanto, es una característica de diseño utilizar este modelo y no entorpecer la utilización del mismo a los demás sistemas.

Sistema de alimentación para luz de polarización de sensores espectrales.

- 13 -

2 Especificaciones y planteamiento del problema.

Después del capítulo introductorio en el que se explican cada una de las partes individualmente, se encuentra este segundo capítulo en el que se pretende plantear el conjunto del proyecto para dar una visión global de lo que será el espectrómetro. También se mostrarán los requisitos y planteamientos aportados para elaborar el diseño, así como un estudio del estado del arte de la situación actual del proyecto y de los reguladores DC/DC.

2.1 Estado del arte y objetivos

Actualmente el IES tiene desarrollado un espectrómetro denominado Tri-band Spectro-Heliometer. Este espectrómetro mide la irradiancia correspondiente a las subcélulas Top, Middle y Bottom de una célula multi-unión GaInP/GaInAs/Ge. Esto es posible gracias a que cada canal del tri-tubo tiene como sensor una célula Isotype, teniendo así una medida de la Isotype top, otra de la Isotype Middle y otra de la Isotype Bottom. A su salida se obtendrá las corrientes de salida de cada una de las tres bandas de manera independiente. De esta forma, mediante este instrumento se puede predecir de una manera precisa el rendimiento de dichas células multi-unión y por consiguiente de sistemas CPV hechos a partir de ellas.

Al medir la radiación solar directa, el Tri-band Spectro-Heliometer necesita estar acoplado a un seguidor solar que haga que los sensores estén siempre perpendiculares a la radiación incidente. Además, necesita también de un una restricción angular de 5.7º, consiguiendo así captar únicamente la radiación que proviene del disco solar.

El diseño se materializa en el tri-tubo el cual es encargado de albergar y proteger el sistema de medición. Este se compone de una estructura de aluminio diseñada para ser montado en cualquier tipo de seguidor solar y unos tubos colimadores limitan la radiación incidente. También contiene un desecante tipo silica gel para proteger de humedades el interior. Gracias a este tri-tubo se acondiciona el espectrómetro para aguantar las condiciones de operación.

El objetivo del presente proyecto es diseñar un nuevo modelo de espectrómetro hecho a partir de diferentes sensores, pero que tenga el mismo comportamiento que el modelo Tri-band Spectro-Heliometer. Como sensores se utilizarán las células multi-unión, anteriormente comentadas, al que se le añadirá el circuito regulador de luz artificial encargado de polarizar estas células en la misma zona espectral de medida que la Isotype. Para implementar este nuevo modelo se utilizará el mismo tri-tubo al ya estar acondicionado para soportar las condiciones meteorológicas adversas.

Se parte con la premisa de un proyecto previo en el cual se realizó el estudio de comportamiento de los nuevos sensores con células multi-unión llamados “Pseudo-isotypes”. En él se determinan

Capítulo 2: Especificaciones y planteamiento del problema.

- 14 -

los elementos necesarios para conseguir el mismo comportamiento de las células Isotypes en los nuevos sensores. Estableciendo así los requisitos indispensables para formar el sensor, dados por: el tipo de luz emitida en función de la longitud de onda o la intensidad lumínica que requiere cada subcélula para ser saturada. Mediante las pruebas y los prototipos realizados por este proyecto se determinaron los tipos y la cantidad de LEDs que son necesarios para polarizar cada una se las subcélulas.

Como continuación al anterior proyecto, se fija como objetivo realizar los diseño de regulador de luminosidad con los LEDs seleccionados y de un circuito acondicionador de señal. Con este proyecto se culminará creación del nuevo Tri-band Spectro-Heliometer gracias a integración de los circuitos diseñados con el resto elementos que lo compondrán. Además, se realizarán todas las pruebas necesarias para analizar tanto individualmente los diseños como de manera general el conjunto del sistema. Estas verificaciones se realizarán primeramente en simulador y finalmente con medias en exteriores.

Una vez definidos los objetivos globales, se procede a explicar brevemente las funciones que deberá tener cada uno de los dispositivos integrantes del espectrómetro. Estos se pueden observar en el esquema general de la Figura 7.

Figura 7: Esquema global: Partes del espectrómetro.

Entre los elementos más destacados del nuevo Tri-band Spectro-Heliometer, está el datalogger encargado de generar la señal periódica de habilitación a través de su salida SC1, la cual será programada para señalar en que intervalos se deberá activar las medidaciones. A su vez realizará la lectura de los valores en forma de tensión provenientes del sensor, estos datos serán procesados


- 15 -

por el conversor A/D que incorpora el datalogger. Una vez configurada la estación meteorológica, la información será trasportada mediante el protocolo TCP/IP hasta el ordenador destino. Este ordenador generará, mediante los programas que controlan el datalogger, los archivos que contienen toda la información recabada.

Por otra parte, el instrumento de medida, representado por su tri-tubo en la imagen, contiene en su interior tanto al regulador de luminosidad como al sensor. Necesitará de un suministro de 5VDC con el que alimentar las bombas de carga del regulador de luminosidad. Estas no se pondrán en funcionamiento hasta que reciban la señal de habilitación SC1 del datalogger. También su salida del sensor tendrá que ser conectada al datalogger, como la salida del sensor se produce en corriente, será necesario el uso del circuito acondicionador que se encuentra alojado en la caja de protección, en el centro de la Figura 7. Este circuito, denominado circuito acondicionador se encargará, entre otras funciones, de convertir esa corriente en una tensión proporcional capaz de ser procesada por el ADC. En la caja de protección además del circuito acondicionador se encuentra la fuente de alimentación de 5VDC se, esta caja está preparada para aguantar temperaturas y precipitaciones extremas en exteriores.

2.2 Requerimientos del diseño

A la hora de comenzar el diseño, hay que tener en cuenta determinadas especificaciones que tiene que cumplir el regulador de luminosidad. El primer factor, es el comportamiento de la célula multi-unión y lo que se pretende conseguir con ella. Esto es hacer que la célula sea sensible únicamente a una parte del espectro, que por definición es pretender que la célula multi-unión se comporte como una célula Isotype. Una célula Isotype tiene la misma respuesta espectral que cada una de las uniones de la célula multi-unión por separado, haciendo posible conocer la corriente generada por cada subcélula que compone la multi-unión a un espectro determinado. Con tres células multi-unión iguales se pretende conseguir que emulen, gracias al regulador de luminosidad, el comportamiento de las células “Isotype Top”, “Isotype Middle” e “Isotype Bottom”.

Para poder llegar a implementarlo, se hace uso del comportamiento uso de la multi-unión que determina la siguiente ecuación:

𝐼𝐿 = min(𝐼𝐿𝑇𝑜𝑝 , 𝐼𝐿𝑀𝑖𝑑𝑑𝑙𝑒 , 𝐼𝐿𝐵𝑜𝑡𝑡𝑜𝑚)

Saturando dos de las tres subcélulas, se conseguiría que esas dos subcélulas tengan siempre corrientes mayores a la de la tercera banda que queda sin saturar. De esta manera la corriente de la banda no saturada pasará a ser la corriente limitante. Esto hace que, independientemente de la radiación recibida, la unión de la célula que genera la corriente mínima será siempre de la misma subcélula. Así, se podrá medir la corriente saliente de la multi-unión, que será la limitante y conseguir finalmente que el comportamiento sea como el de una célula Isotype. A este sensor, basado en una célula multi-unión saturada en dos de sus subcélulas con luz emitida por diodos LED le llamaremos pseudo-isotype.


- 16 -

Para cumplir con los requerimientos de saturación de las bandas de la célula se utiliza tres tipos de diodos LED. Cada uno de ellos han sido elegidos según la relación entre la zona de máxima eficiencia y longitud de onda a la que corresponde dentro del espectro. De estos diodos se mostrarán a continuación las características más relevantes:

- Diodo emisor de la capa Top: C503B-BAS/BAN o Punto de radiación de intensidad optimo: IF: 20mA VF: 3.2 V o Longitudes de onda: λC:475nm Δλ:20nm o Angulo de Emisión: ±15º

- Diodo emisor de la capa Middle: L760-03AU o Punto de radiación de intensidad optimo: IF: 50mA VF: 1.8 V o Longitudes de onda: λC:760nm Δλ:30nm o Angulo de Emisión: ±10º

- Diodo emisor de la capa Bottom: SFH 4544

o Punto de radiación de intensidad optimo: IF: 100mA VF: 1.6 V o Longitudes de onda: λC:940nm Δλ:42nm o Angulo de Emisión: ±10º

El diodo C503B-BAS/BAN emite luz azul, mientras los diodos L760-03AU y SFH 4544 emiten luz infrarroja, teniendo el L760-03AU una pequeña parte de rojo en su espectro. Únicamente serán visibles al ojo humano el C503B-BAS/BAN y ciertas longitudes de onda del L760-03AU.

Se estima que hay que poner del orden de 3 a 4 diodos por banda, a intensidad de corriente nominal para tener la certeza de que la saturación se realiza satisfactoriamente. Estos valores están sobredimensionados para poder asegurar su funcionamiento.

Habrá que adecuar la bomba de carga a cada una de las tensiones y corrientes nominales de cada diodo para mantener la intensidad lumínica. Decir que la corriente de salida necesaria para alimentar dichos diodos será elevada y por tanto habrá que encontrar un dispositivo que pueda suministrarlas.

El ángulo de emisión también es bastante determinante ya que establece el rango en el que potencia de emisión es máxima para aprovechar el rendimiento de los diodos. Al ser reducidos, hay que dirigir la emisión lumínica correctamente para que el sensor sature, por ello hay que dejar un espacio para que se pueda rectificar la colocación de la cabeza del diodo.

Uno de los factores más determinantes es el espacio, que es muy reducido debido a que en el interior del cada uno de los tubos colimadores deberá alojarse el regulador de luminosidad. El diámetro de los tubos utilizados es de 32 mm, teniendo en cuenta que el diámetro de la PCB del dispositivo tiene que ser menor para que pueda entrar en cada uno de los tri-tubos.


- 17 -

Este instrumento de medida tiene una apertura angular de 5.7°, transmitiendo por tanto sólo la radiación que proviene del disco solar y su entorno. La limitación angular se realiza disponiendo en el tubo varios deflectores (baffles), con forma de corona circular y cuyo diámetro interior se dimensiona para tal efecto. En el diseño del regulador de luminosidad también se implementa esta funcionalidad, sustituyendo al deflector que se ubica más cerca del final del tubo. Para ello, realizando el cálculo entre la distancia a la que se coloca el sensor que de 134 mm y el ángulo necesario, se requerirá un espacio en el centro de la PCB de máximo 11.75 mm de diámetro que deje pasar la luz solar. A continuación, se muestra el interior de uno de los tubos colimadores que conforman el tri-tubo:

Figura 8: Interior del tubo colimador.

Como se puede observar el espacio operativo del sistema es bastante reducido, por ello se tomó la decisión de realizar la fuente de alimentación de los diodos mediante bombas de cargar inductorless, que no requieren de bobinas, ahorrando así bastante espacio.

Se pretende instalar el instrumento en el IES y por eso se necesita utilizar el mismo dattaloger que ya se encuentra en esa estación meteorológica. Teniendo en cuenta que el dattaloger funciona con baterías habrá que hacer un uso eficiente de la energía utilizada.

La fuente de alimentación de 5VDC deberá ser flexible en la obtención de la energía. Sera así, un requisito del diseño el poder obtener la energía de corriente continua o alterna, utilizando así un convertidor DC/DC o un convertidor AC/DC. Para ello el encapsulado de dichos convertidores debe ser el mismo. Este diseño pretende conseguir flexibilidad en función del tipo instalación que se quiera realizar.

El circuito acondicionador deberá realizar la tarea de adaptar la señal saliente del sensor a través de tres amplificadores de transimpedancia independientes. Estos acondicionarán la salida del sensor a la entrada del ADC del datalogger. La polarización de las células, en caso de ser necesario deberá ser regulada mediante potenciómetros para poder ser ajustable dicha tensión de polarización. En estos circuitos, así como en la necesidad de polarización de la célula se profundizará más en el capítulo del diseño.


- 18 -

2.3 Planteamiento

En cuanto a las formas de abordar el diseño del regulador de luminosidad, se han tenido en cuenta varias opciones en función a la viabilidad de las soluciones aportada, las cuales se explican a continuación.

La primera opción que se barajó estaba enfocada a la optimización de recursos, tanto del tri-tubo como de la cantidad de sensores utilizados. Consistía en usar tres bombas de carga, una por cada tipo de diodo, con un único sensor. El objetivo era construir el espectrómetro con un solo tubo colimador y un solo regulador de luminosidad. En caso de que se quisiera usar el tri-tubo como colimador se tendría como ventaja la posibilidad de implantar, en el mismo tri-tubo, tres espectrómetros completos. Pudiendo así, promediar los datos recibidos de los tres espectrómetros para mejorar en precisión de los datos adquiridos.

Al usar una bomba para cada tipo de diodo, conseguimos la máxima eficiencia, ya que diseñamos el funcionamiento de esa bomba para las características concretas de los LEDs. Si se implementaran varios diodos diferentes en una misma bomba supondría ser menos eficientes, ya que se requerirá elementos resistivos y por tanto sería imposible conseguir la eficiencia que se busca. Para ello, haría falta un contador que regulara la habilitación los pares de bombas que se activan en cada medición de los sensores. Este contador se implementaría con tres flip-flops generando las tres señales de habilitación diferenciadas temporalmente. El principal motivo por el cual se descarta esta opción es por la falta de espacio para colocar las tres bombas con el mínimo de 9 diodo totales.

También se estudia el hecho de alimentar a las bombas con las salidas del datalogger, pero debido a la mucha demanda de corriente de los diodos y a que el datalogger funciona con baterías, esta idea también queda descartada.

Finalmente, debido a que el coste y el tamaño de estas bombas es bastante reducido, se decidió usar dos bombas de carga por sensor. En total serán necesarios tres sensores diferentes utilizando todo el tri-tubo para un solo espectrómetro. Se tendría como resultado tres dispositivos con dos bombas de carga y cuatro diodos LED por bomba. Cada sensor estará encargado de medir una banda de trabajo. Con esta solución no haría falta el contador, ya que con la misma señal de activación (VENA) del datalogger se recogerían los datos de cada sensor simultáneamente.

De esta manera, el planteamiento final quedaría en que cada uno de los tubos del tri-tubo, con su correspondiente PCB reguladora de luminosidad y sensor, medirá una zona espectral, formando así el espectrómetro.

Las tres PCBs deberán estar formadas por:

3.2.1 Primer regulador para la medición de la zona espectral Top (0 - 700 nm): - 1ª Bomba encargada de alimentar a cuatro diodos L760-03AU. - 2ª Bomba encargada de alimentar a cuatro diodos SFH 4544.


- 19 -

3.2.1 Segundo regulador para la medición de la zona espectral Middle (750 - 900 nm): - 1ª Bomba encargada de alimentar a C503B-BAS/BAN. - 2ª Bomba encargada de alimentar a SFH 4544.

3.2.1 Tercer regulador para la medición de la zona espectral Bottom (900 - 1000 nm):

- 1ª Bomba encargada de alimentar a cuatro diodos C503B-BAS/BAN. - 2ª Bomba encargada de alimentar a cuatro diodos L760-03AU.

Se realiza el estudio del arte de las bombas de carga para cumplir los requerimientos de corriente y tensiones nominales de cada diodo.

2.4 Estado del Arte de Bombas de Carga

En el campo de convertidores DC/DC está bastante extendido su uso específico para aplicaciones en smart phones, tabletas u otros dispositivos. Generalmente son utilizados para la retroiluminación de pantallas pequeñas o para otros tipos de iluminación de baja potencia como el flash de los teléfonos inteligentes. Debido a su auge en el mercado, hay algunos drivers de uso específico para la gestión de la alimentación por corriente de diodos LED.

En un principio, se pensó utilizar una bomba de carga que solo tuviera una única salida colocando los diodos necesarios en serie. Para ello, se analizan las características más restrictivas de los tres diodos. Para un mínimo de 3 diodos serie, las tensiones de salida máxima de la bomba variarían entre los 9.6V que se necesitaría para el diodo C503B-BAS/BAN y los 4.8V que se necesitara para el diodo SFH 4544. Siendo más restrictivos los 9.6 V del diodo emisor top. Luego está el aspecto de la corriente de salida, que en serie tiene que ser capaz de suministrar 20 mA del diodo C503B-BAS/BAN y a los 100mA del diodo SFH 4544. Por lo tanto, es importante adecuar las bombas de carga a las distintas necesidades de los tres reguladores de luminosidad a implementar.

Es difícil encontrar bombas que lleguen a los 10V y a 100mA si necesidad de bobinas. Al hacer el estudio de las bombas de carga inductorless, se ha ido comprobando sus limitaciones de cada uno de los integrados que se enumeran a continuación:

LM2765 (Texas Instrumentas)

Principales características: VoMax 11V e IoMax 40mA.

El problema de esta bomba es que no tiene habilitación diferenciada de la Vin, es decir, la alimentación es la propia habilitación. Habría que diseñar un controlador aparte para que fuera gobernado por el datalogger. Esto es debido a que no se puede usar el datalogger para suministrar una salida de control que pueda servir de alimentación, ya que el consumo es grande y que además el funcionamiento del datalogger es por batería. Este no sería un diseño óptimo, al ocasionar que se descargarán las baterías del datalogger. La opción más correcta sería realizar en adición un


- 20 -

circuito controlador mediante flip-flop, para generar la habilitación, pero debido a los problemas de espacio es imposible de implementar.

Además, los 40 mA nos son suficientes, esta bomba serviría para hacer el diseño únicamente del diodo C503B-BAS/BAN. Se observa también que la mayoría de las bombas tienen como salida máxima de tensión 5V. Después de ver la escasez de dispositivos que alcancen la tensión necesaria para ponerlos en serie los diodos LED, se decidió buscar bombas que permitieran poner los diodos en paralelo y así requerir menos tensión de salida, pero aumentando la corriente necesaria de salida.

Pasando así a tener unas restricciones de diseño más coherentes con el tipo de bombas que se encuentran en el mercado. Estas nuevas restricciones son de: VoMax 3.5V e IoMax 400 mA.

El problema de poner dos diodos en paralelo es que no son exactamente iguales, hay pequeñas variaciones en las características de modelos iguales. Como las tensiones umbrales no puede ser exactamente las mismas, la carga no se reparte de igual modo en cada diodo. Esta diferencia de tensión hace que por cada diodo pase una corriente diferente, haciendo que un diodo sufra más estrés que otro. Esto podría provocar a la larga que se rompiera algún diodo.

Para solucionarlo se podría colocar en serie con cada diodo una resistencia de bajo valor para compensar la variación de tensión, pero aparte de no ser una solución óptima, restaría eficiencia por la presencia de la resistencia. Por ello existen integrados que facilitan salida global, pero con una rama independiente de retorno para cada diodo. Pudiendo así, tener diferentes corrientes en cada rama, arreglando de esta manera el problema de colocar los diodos en paralelo. También añade la ventaja de que en caso de avería de un diodo el resto seguiría funcionando adecuadamente, cosa que es imposible en el conexionado en serie.

LM2662 (Texas Instrumentas)


La manera en que el LM2662 obtiene los 6 V de salida es mediante un modo de funcionamiento en el que dobla el voltaje de entrada hasta un máximo de 6 V. Este circuito de aplicación requiere de dos condensadores y dos diodos de protección, siendo esto una desventaja en cuanto al uso del espacio.

Esta bomba, aunque solo tiene una rama, cumpliría las restricciones de diseño para implementar el diodo L760-03AU y el diodo SFH 4544 poniendo los diodos en serie en esta única rama. Pudiéndose utilizar tres diodos de L760-03AU y cuatro de SFH 4544.

LTC3218 (Linear Technology)


Requiere de una resistencia que regula la corriente de salida y de 3 condensadores, uno de entrada otro de salida y por último el utilizado por la bomba de carga.

http://www.linear.com/product/LTC3218

http://www.linear.com/docs/19518


- 21 -

Esta bomba tiene dos habilitadores que otorgan la posibilidad de conseguir hasta cuatro tipos de salidas de corriente distintas en función de su disposición. Este tipo de dispositivos están orientados al uso de flash de cámaras de teléfonos móviles.

Si este dispositivo hubiera tenido 3 ó 4 ramas para cada uno de los diodos hubiera sido ideal, en cambio solo tiene una única rama. Por ello también se le relega a un posible escenario en el que no se encuentre una opción mejor para implementar, usando un conexionado en serie, en los diodos L760-03AU y SFH 4544.

LTC3210-2 (Linear Technology)


Esta bomba se trata de otro dispositivo para la retroalimentación de la pantalla de los teléfonos móviles y para el flash de la cámara. Tiene dedicadas cinco ramas a diodos, siendo una de ellas con salida de intensidad superior, ya que es la utilizada por el diodo del flash de la cámara. Este integrado requiere de 4 condensadores, uno de entrada otro de salida y dos para la bomba de carga, también de dos resistencias que establecen la corriente de salida.

A pesar de tener 5 ramas, tiene como inconveniente que la señal de programación de la corriente de salida de la bomba que se realiza mediante pulsos y ciclos de trabajo, aunque luego la habilitación es mediante nivel alto y la inhabilitación mediante nivel bajo. Después de revisar los tipos de salidas del datalogger, se comprueba que este no será capaz de suministrar las señales necesarias para programar dichas corrientes.

SP6661 (Exar)


Consiste en una bomba de carga de alta eficiencia con la capacidad de doblar la tensión de entrada a la salida y una única rama de salida. Para una tensión de entrada de 4.25 V es capaz de obtener 8 V de salida a 100 mA. La frecuencia de oscilación de esta bomba es seleccionable entre 120kHz y 900kHz. De los tres condensadores que son necesarios solo se utiliza únicamente uno como condensador de carga.

Con ella se podría cumplir las especificaciones de los tres diodos colocándolos en serie. También posee un tamaño reducido lo cual es ideal para el diseño. Uno de los inconvenientes es que no es posible utilizar más de tres diodos con esta bomba, ya que el conexionado sería en serie. Otro inconveniente sería que en caso de que alguno de los diodos se estropeara, los demás dejarían de funcionar a diferencia de la conexión en paralelo con varias ramas de salida.



- 22 -

LTC3217 (Linear Technology)


Este integrado necesita de dos resistencias para fijar la corriente de salida y de 4 condensadores, uno de entrada otro de salida y dos para las conmutaciones de la bomba de carga

Tiene una salida con 4 ramas, cumpliendo holgadamente con el número de diodos necesarios, así como con los requerimientos de tensión y corriente de salida. Otra característica es que no es necesario utilizar todas las ramas, haciendo que si se utilizan menos diodos en el diseño también sea posible implementarlo. También tiene dos entradas habilitadoras a parte de la alimentación de entrada, con las cuales se pueden hacer combinaciones de hasta 4 posibilidades para hacer variar la corriente de salida siendo habilitaciones a nivel alto.

Según las especificaciones con esta bomba se podría diseñar para los tres diodos sin problema.

MAX8645X (Maxim Integrated)


El Max8645 tiene dos tipos de salida, una principal con varias ramas para los LEDs con una corriente máxima de 100 mA por LED y una salida de alta corriente (Utilizada para flash) con una corriente máxima de 400mA. Cada uno de los canales se activan de manera independiente con una señal en estado alto. La corriente máxima de salida total es de 480mA. Este integrado tiene 28 pines y necesita de 2 resistencias encargadas de regular la corriente de salida y siete condensadores. Decir que tiene una capacidad de LEDs máxima de 6 en las ramas principales y de 2 en las ramas del flash (alta corriente).

Con este dispositivo sería posible implementar dos diodos cualesquiera en con una sola bomba de carga. Minimizando esta razón el inconveniente del tamaño, a pesar de que es grande y necesita de varios componentes para funcionar.



- 23 -

3 Diseño e implementación del sistema.

Con cualquiera de las dos últimas bombas de carga del capítulo 2, se podría desarrollar adecuadamente el regulador de luminosidad. A la hora de la selección final fue determinante la disponibilidad de cada uno, el MAX8645 estaba descatalogada, quedando así descartada, mientras que el LTC3217 se podía adquirir en unidades a un precio asequible. A continuación, se entrará más en detalle a cerca del diseño del reglador de luminosidad a partir del LTC3217, como del circuito acondicionador.

3.1 Regulador de luminosidad.

En este apartado se explicarán en detalle cada uno de los elementos que se han elegido para el diseño del regulador de luminosidad. Se entrará más en detalle a cerca del funcionamiento de cada una de las partes que conforman el regulador de luminosidad, destacando el papel de la bomba de carga elegida, el LTC3217.

LTC3217

Figura 9: LTC3217.

El LTC3217 es un convertidor DC/DC, una bomba de carga de bajo ruido, diseñada para alimentar cuatro LED de alta corriente. El LTC3217 requiere únicamente de cuatro pequeños condensadores cerámicos y de dos resistencias para formar una fuente de alimentación LED completa en un espacio muy reducido. El circuito está dotado de un modo de arranque suave que evita una corriente de entrada excesiva durante la puesta en marcha, así como en los cambios de sus modos

Capítulo 3: Diseño e implementación del sistema.

- 24 -

de funcionamiento. Gracias a la alta frecuencia de conmutación, permite el uso de condensadores externos bastante pequeños. Además, los ajustes de corriente se realizan por las dos resistencias externas (ISET1 e ISET2) tanto para el modo de alta como de baja corriente. La corriente de salida se activa a través de las entradas lógicas EN1 y EN2 [5].

En cuanto a su funcionamiento, esta bomba de carga utiliza la conmutación de sus condensadores, para aumentar la tensión de salida CPO hasta 2 veces la tensión de entrada, llegando a un máximo de 5.1VMAX. Este componente siempre se encenderá en el modo 1x. En este modo, se obtiene en CPO la misma tensión que a la entrada, siendo CPO 1xVBAT, proporcionado así eficiencia y mínimo ruido. El LTC3217 permanecerá 1x modo hasta la corriente que circule por el LED sea insuficiente. Abandona este modo cuando la demanda de corriente que está programada es mayor a la que es capaz de ser suministrada para la tensión de entrada. Esa falta de corriente se detecta, y hace que el LTC3217 avance al modo 1.5x, entonces el voltaje de CPO comenzará a aumentar e intentará alcanzar 1.5x VBAT hasta los 4.5 de VMAX. Si aun así la corriente sigue sin ser suficiente el dispositivo hará que el LTC3217 entre en el modo 2x. En este modo el voltaje de salida CPO intentará alcanzar 2xVBAT hasta los 5.1V de tensión máxima. El LTC3217 se reajusta al modo 1x cada vez que se deja de alimentar el integrado. Por otro lado, consta de un reloj de 850kHz de dos fases, sin superposición activa, que activará y desactivará los distintos interruptores internos correspondientes a los condensadores de carga [5].

A continuación, se explica el comportamiento del LTC3217 según sus modos:

Modo x1: Carga y descarga de los condensadores C2 y C3 paralelo a VBAT o CPO.


Modo x1.5: Carga de los condensadores C2 y C3 mediante el conexionado en serie a VBAT. Descarga en CPO mediante el conexionado de C2 y C3 en paralelo más VBAT en serie.

C2 C3VBAT C2 C3

CPO


- 25 -

Figura 11: Modo x1.5 carga y descarga LTC3217.

Modo x2: Carga de los condensadores C2 y C3 mediante el conexionado paralelo a VBAT. Descarga en CPO mediante el conexionado de C2 y C3 en paralelo más VBAT en serie.


Condensadores

En relación a la elección de los condensadores, hay que tener en cuenta que C1 y C4 son los encargados de evitar los rizados y el ruido a la entrada y a la salida (VBAT y CPO). En cambio, los condensadores C2 y C3 son los manejados por la bomba de carga para obtener la tensión y corriente deseada a la salida. Se ha elegido condensadores cerámicos X5R por tener una baja ESR y al tener una frecuencia de trabajo alta (850kHz), es un parámetro determinante ya que el ESR aumenta con la frecuencia. Por el mismo motivo, su elevada ESR, se ha descartado lo condensadores tántalo y aluminio.

Diodos

Los diodos son los que figuran en los requisitos del diseño: C503B-BAS/BAN, L760-03AU y SFH 4544. Al implementar la misma bomba para los tres diodos, habrá que seleccionar cual es la corriente de salida en cada caso. Esto se realizará con los resistores de ISET.

Resistores

Los resistores de cada bomba establecen la corriente de salida de cada una de las cuatro ramas de salida del LTC3217. El enable habilita a nivel alto la corriente de salida marcada por su resistor correspondiente. Siendo la entrada EN1 la habilitante de ISET1 y EN2 la habilitante de ISET2.

C2 C3VBAT

C2 C3

CPO

VBAT

C2 C3

CPO

VBAT


- 26 -

Si se habilitan los dos enables (EN1 y EN2) de forma simultánea, la corriente de salida es la suma de la establecida por ISET1 + ISET2.

3.1.1 Simulaciones.

La simulación del circuito se ha llevado a cabo mediante el programa del LTspice, proporcionado por el fabricante Linear Technology, el cual también es el proveedor del LTC3217. Este software es un simulador de circuitos electrónicos de alto rendimiento, basado en Spice con el añadido de contener todos los repositorios de los integrados que comercializa Linear Technology. Aprovechando este aplicativo se harán tanto las simulaciones de los diodos como del comportamiento de las bombas de carga.

Primeramente, se necesita estudiar el funcionamiento de los diodos para poder replicar su comportamiento en una simulación con el integrado LTC3217. Para ello es esencial utilizar un modelo que simule los diodos de la manera más próxima a la realidad posible. Una vez que la simulación de los diodos sea correcta, se pasará a la fase de simulación con LTC3217, recreando así las tres bombas.

Para simular adecuadamente los diodos de las diferentes bandas, se utiliza el modelo matemático de Shockley. Este permite aproximar, a la mayoría de las aplicaciones, la curva I-V del diodo mediante su corriente de saturación y su resistencia serie. Se basa esencialmente en las siguientes ecuaciones:

𝐼𝐹 = 𝐼𝑠(𝑒𝑞𝑉𝐷𝑛𝐾𝑇 − 1) 𝑅𝑆 =

∆𝑉𝐷

∆𝐼𝐹

Siendo:

- IF, la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo y VD la diferencia de tensión entre sus extremos.

- IS, la corriente de saturación. - q, la carga del electrón (1.9·10-19C) - T, la temperatura absoluta de la unión. - n, el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que suele

adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio). - K, la constante de Boltzmann (1.38·10-23 J/K) - El término VD es la diferencia de tensión entre sus dos extremos.

https://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3n

https://es.wikipedia.org/wiki/Kelvin

https://es.wikipedia.org/wiki/Germanio

https://es.wikipedia.org/wiki/Silicio

https://es.wikipedia.org/wiki/Constante_de_Boltzmann


- 27 -

El diodo será modelado en la simulación mediante los valores de: corriente de saturación (IS), resistencia serie (RS) y coeficiente de emisión (N). En la Figura 13 se encuentra el circuito de simulación de los diodos, en el cual se irá variando la tensión del diodo para caracterizar así, su curva I/V.

Figura 13: Circuito de simulación LED.

A continuación, se muestra en las Figuras14,15,16 el resultado de la simulación de los diodos. Las Figuras 14a, 15a, 16a corresponden con la información de los datasheet para cada diodo, mientras que las Figuras 14b, 15b, 16b hacen referencia a la simulación de los diodos con modelo Shockley en LTspice.

- Top: C503B-BAS/BAN Valores característicos del diodo:

IF = 20 mA VD = 3.2V

IS = 1.7e-56 A RS = 15 Ω N = 0.87

Figura 14a: Curva IV diodo Top. Figura 14b: Curva IV simulación diodo top.


- 28 -

- Middle: L760-03AU

Valores característicos del diodo:

IF = 50 mA VD = 1.8V

IS = 1.91e-32 A RS = 6.45 Ω N = 0.8

Figura 15a: Curva IV diodo middle. Figura 15b: Curva IV simulación diodo middle.

- Bottom: SFH 4544

Valores característicos del diodo:

IF = 100 mA VD = 1.6V

IS = 9.16e-29 A RS = 2.55 Ω N = 0.83

Figura 16a: Curva IV diodo bottom. Figura 16b: Curva IV simulación diodo bottom.


- 29 -

En las figuras anteriormente mostradas se aprecia como como la simulación de los diodos a través del modelo de Shockley es muy precisa, representando fielmente a los tres diodos. Por ello se procederá a la simulación con el LTC3217 implementando los tres modelos de los diodos.

Para contribuir al buen funcionamiento de la bomba se ha elegido una tensión de entrada cercana a los 5V de tensión máxima permitida por la bomba. De esta manera se consigue que la bomba trabaje en modo de funcionamiento x1 consiguiendo mejor eficiencia y reduciendo así el rizado a la salida.

Figura 17: Circuito Simulación en LTspice.

Se han simulado los diodos para la corriente a la que van a tener que estar funcionando. Para ello se le ha asignado la RISET1 que fija dichas corrientes según la Figura 18.

Las resistencias utilizadas en las simulaciones con el LTspice se realizan con valores comerciales para contribuir a una simulación más fiel a la realidad. Estas son referenciadas según al diodo que alimentan.

El valor de las resistencias utilizadas, según cada diodo, son:

- Bomba de carga diodo C503B-BAS/BAN: RISET1= 15kΩ - Bomba de carga diodo L760-03AU: RISET1= 8.2kΩ - Bomba de carga diodo SFH 4544: RISET1= 4.7kΩ

Figura 18: Curva RSET.


- 30 -

Las siguientes simulaciones se desarrollarán para ver el comportamiento de los diodos con la bomba de carga elegida. La tensión de entrada que se ha elegido esta para trabajar a un rendimiento de corriente elevado y en modo x1 es de 4.2V.

A continuación, en las gráficas se mostrará la simulación de la tensión en bornes del diodo y la corriente que circula por el mismo. Todas las simulaciones están hechas para cuatro diodos, de esta forma se comprobará se cumplen los requisitos holgadamente.

- Top: C503B-BAS/BAN

Figura 19: Simulación con Bomba de carga Top.

Se observa como el diodo está en conducción pasados 120us, con una tensión VD de 3.3V y una intensidad ID de 32mA. Por lo tanto, cumple con los requisitos deseados para esta banda de trabajo, dejando bastante margen con los valores máximos. Estos valores máximos, según simulaciones realizadas, son de 60 mA, sin llegar a hacer oscilar al LTC3217 para suministrar dicha corriente. Hay que tener en cuenta que estos datos son para una tensión de entrada de 4.2 V. Si por el contrario se coloca una tensión de entrada de 3.6 V la corriente máxima se reduciría hasta los 35 mA, de ahí la importancia de tener una tensión de entrada cercana a la tensión máxima permitida por el integrado.


- 31 -

- Middle: L760-03AU

Figura 20: Simulación con Bomba de carga Middle.

El diodo de la banda middle entra en conducción al alcanzar los 140us con una tensión VD de 1.8V y una intensidad ID de 58mA, estando por encima de la corriente nominal necesaria. Además, la corriente máxima de salida capaz de suministrar el LTC3217 para este diodo, según simulaciones realizadas es de 195 mA para una entrada de 4.2V. Para una entrada de 3.6V se tendría una corriente máxima de 150mA, teniendo así un margen holgado, para realizar la implementación de esta banda con una tensión menor de entrada.

- Bottom: SFH 4544

Figura 21: Simulación con Bomba de carga Bottom.

En la última banda se observa que entra en conducción a los 160us con una tensión VD de 1.6V y una intensidad ID de 105mA. Se ve como la demanda de mayor corriente hace empeorar el tiempo de respuesta, aunque es despreciable para esta aplicación. La corriente máxima de salida que es capaz de suministrar el LTC3217 para el SFH4544, según simulaciones realizadas, es de 255 mA


- 32 -

para la entrada de 4.2V. Para la entrada de 3.6V se tendría una corriente máxima de 215mA, siendo más que suficiente en ambos casos.

Al comprobar que las simulaciones cumplen sin ningún problema los requisitos establecidos, se procederá al diseño del circuito impreso para realizar el prototipado del regulador de luminosidad.

3.1.2 Circuito impreso del regulador de luminosidad.

Para el diseño del circuito impreso se ha utilizado el programa PCB editor 16.6 de Orcad, además, para la posterior identificación de cada una de las capas, se ha utilizado un formato Gerber RS274X creando así los “Artworks”. El Gerber es un formato vectorial ASCII de código abierto para imágenes binarias 2D usado frecuentemente en softwares industriales de diseño de circuitos impresos [6]. Mediante este estándar las empresas dedicadas a la fabricación de circuitos impresos son capaces de recrear el diseño realizado.

En el diseño también se tiene muy presente las restricciones mencionadas en el capítulo 2 como, por ejemplo, las dimensiones físicas que debe de ocupar. El circuito impreso contará con un diámetro exterior de 32 mm y de un hueco interior de 11.75 mm de diámetro. Este circuito consta, además de las dos bombas de carga y de sus diodos, con el añadido de tres tornillos de métrica 2 mm para sujetarse a la superficie del tubo colimador. Estos tornillos estarán distribuidos aproximadamente a 120º entre sí para una buena sujeción a la superficie.

Las resistencias utilizadas son todas de encapsulado SMD 0805, un estándar que tiene unas dimensiones suficientemente pequeñas como para implementarse en una PCB de estas características. Se han elegido las resistencias de baja tolerancia y de una potencia nominal de 0.125W que será suficiente, al no consumir estas apenas potencia. Los condensadores cerámicos multicapa tienen un encapsulado SMD 0805 por unificar los footprints para el layout.

Las pistas han sido adaptadas en función de su longitud y corriente para el caso que más corriente es suministrada, este es el de la bomba de carga que alimenta al SFH4544. Diferenciando las pistas en función de la corriente que circula por ellas y haciendo especial énfasis en la pista de alimentación la cual acarreará una corriente media de 1 A para la opción más restrictiva. Las pistas de los diodos están compuestas por: el ánodo común que llega a transportar 400mA y las pistas de retorno conectadas independientes a cada cátodo de 100 mA. En el resto de las pistas, en comparación con las anteriormente descritas, no circula corriente tan elevada, asignándoles un ancho de pista suficientemente estrecho para optimizar el espacio y sin causar ningún perjuicio en el circuito.

El diseño de las pistas se ha realizado en función de la norma ANSI IPC2221. Consiste en diseñar el ancho de la pista en función de su longitud, su margen de temperatura y la corriente que circula por ella. La ecuación que describe esta norma es:


- 33 -

𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜𝑑𝑒𝑝𝑖𝑠𝑡𝑎 =

𝐼𝐾1 · ∆𝑇𝐾2

1𝐾3

𝐿 · 1.378

Debido al tamaño de las pistas y del circuito impreso en sí, era imposible el desarrollo de esta PCB en las instalaciones de la UPM, por ello se decidió mandarla a producir en la empresa Eurocircuits. Aprovechando la fabricación, el circuito impreso se diseñó con capas de soldermask y silkmask para protegerlo y tener una serigrafia completa en el dispositivo. Debido también al tamaño, la soldadura a mano resultaba imposible, por eso se pidió un stencil. Un stencil es una plantilla utilizada para depositar en los pads la cantidad de pasta de soldar necesaria, con esto se evita la imprecisión de la soldadura manual y se reduce la posibilidad de generar cortocircuitos. El soldado se realiza en un horno de las instalaciones de IES en el cual se soldaron todos los componentes de montaje superficial a una temperatura de 250ºC, salvo los diodos LED que se soldaron de manera manual. Debido a la limitación de temperatura del horno se utiliza una pasta de soldado de estaño-plomo-plata con un punto de fusión bajo (180ºC).

La distribución de la PCB es simétrica, teniendo a cada lado una bomba con sus componentes y los diodos colocados formando un semicírculo. Los diodos se han dispuesto de forma radial para poder regular el ángulo de apuntamiento a la célula.

Finalmente, las tres entradas que son necesarias en este circuito, tensión de alimentación de 5 VDC, señal habilitadora y masa, son colocadas juntas y en un extremo para no estorbar en la colocación de tubo colimador.

Se puede encontrar en el Anexo la conexión entre el circuito acondicionador y el regulador de luminosidad, así como el esquema hecho con Spice del circuito.

El resultado del diseño del circuito impreso es el siguiente:

Figura 22: Circuito impreso regulador de luminosidad


- 34 -

3.2 Circuito acondicionador

El nexo de unión de los distintos elementos integrantes del espectrómetro es el circuito acondicionador. Interconectandose en él, de una manera eficiente y segura, las diferentes entradas y salidas entre datalogger y el instrumento de medida. Entre sus principales funciones se encuentra la de alimentar el conjunto del espectrómetro, tanto al regulador de luminosidad, implementado con las bombas de carga, como al circuito acondicionador. Por último, el circuito acondicionador, tendrá la tarea de fijar la tensión que polarice los tres sensores del tri-tuto (las células) y adaptar las señales salientes de estos para una correcta utilización del datalogger.

3.2.1 Diseño del circuito acondicionador del sensor

El circuito acondicionador tiene, entre sus funciones, convertir la corriente a la salida del sensor en una tensión proporcional que pueda ser medida por el datalogger. Se implementa mediante una serie de amplificadores de transimpedancia, los cuales son regulados por una resistencia de realimentación que variará la ganancia de cada una de las bandas de manera individual.

Este circuito será necesario en dos aplicaciones, la primera es de la que se viene hablando, el espectrómetro, instalándolo en la estación de media. La segunda, es para su uso en el simulador solar Helios 3198 que se describirá en detalle en el siguiente capítulo. El simulador permite un fondo de escala mayor al del datalogger, por ello se ha fijado de un fondo de escala de 0 a 1V para el datalogger y de 0 a 2.1V para el simulador. Siendo la única diferencia entre ambos, la ganancia con la que se amplifica la tensión de salida, de esta manera aprovecha la resolución de ambos conversores A/D para su correcto análisis.

La necesidad de polarizar las células multi-unión en el sensor suele venir dada por la pseudo-isotype bottom. Es habitual que la tensión de disrupción de la subcélula bottom, realizada en germanio, sea muy pequeña, inferior a la suma de las tensiones de conducción en directa de las otras dos subcélulas. Esto hace que si la multi-unión se polariza en cortocircuito o a tensiones pequeñas, la subcélula bottom no limite la corriente del dispositivo multi-unión, aunque sea la menos iluminada. Esto no sucede en todas las células, depende de la calidad del germanio, y ciertas características del proceso de crecimiento del material. Una explicación más detallada de este fenómeno puede encontrarse en el anterior proyecto referenciado [12].

No obstante, aunque la pseudo-isotype bottom sea la que exige habitualmente polarizar la célula a tensiones entorno a los 2V, la implementación de circuito acondicionador se ha realizado para cada uno de los tres sensores. Esto se ha hecho como medida preventiva por si en algún momento es necesario polarizar otro sensor.

El esquema general del circuito se muestra en la Figura 24. El circuito pasa por las siguientes etapas, la primera es la traducción de la energía solar por la célula sensor en corriente eléctrica,


- 35 -

luego la amplificación I/V y adaptación de la señal. Entre las dos fases amplificadoras se encuentra un filtrado para acondicionar la señal de entrada al A.I. Por último, se encontrará la digitalización producida por el datalogger para el posterior procesamiento de la información. Dicha estructura será repetida independientemente para cada uno de los tres sensores.


En la Figura 24 se observan varios elementos. En primer lugar, el divisor de tensión resistivo, representado con un potenciómetro regulará la tensión que polarizará la célula. Después se encuentra el amplificador de transimpedancia que convierte la intensidad de entrada en una tensión proporcional a la salida. Este amplificador, con la tensión de polarización y la resistencia de realimentación, fijará una salida de tensión negativa. La ganancia en tensión vendrá dada por la resistencia de retroalimentación y la tensión de polarización del divisor de tensión que creará una tensión en modo común en el circuito.

Siendo la ecuación a la salida del amplificador operacional:

𝑉𝑜𝑢𝑡𝐴.𝑂. = 𝑉𝑝𝑜𝑙 −𝑅𝑟𝑒𝑎𝑙𝑖𝑚 · 𝐼𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎

La tensión de modo común (Vpol) no contiene ningún tipo de información útil a la hora de digitalizar la señal que proviene de la célula. Además de que su contribución únicamente se centra en polarizar la célula, además también es necesario corregir la salida VA.O. ya que es negativa. Esto se consigue con el uso de un amplificador de instrumentación en la etapa final, encargado de eliminar la tensión en modo común e invertir la salida del amplificador de transimpedancia. Para conseguir esto se amplifica la tensión que cae en resistencia de realimentación del amplificador operacional. De esta manera se consigue aumentar la resolución de cara a la digitalización y gracias a esto también mejorar las relaciones de señal a ruido.


- 36 -

Despreciando el comportamiento del filtro del que se hablara posteriormente, se pude estimar como ecuación final del circuito:

𝑉𝑜𝑢𝑡𝐴.𝐼. = 𝐺𝐴.𝐼. · 𝑅𝑟𝑒𝑎𝑙𝑖. · 𝐼𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎

La intensidad típica producida por una célula multi-unión es de 14 mA/cm2 para una irradiancia de un sol. El tamaño de las células utilizadas en este proyecto es de 2-3 mm de lado. Para el diseño se han considerado los siguientes valores de corriente máxima para cada subcélula:

- ITOP: 1.196 mA.

- IMIDDEL: 1.273 mA.

- IBOTTOM: 1.851 mA.

La amplificación se pretende hacer con el A.I. esto hace que los valores de tensión que caen en las resistencias de realimentación sean muy bajos. La tensión máxima de entrada estará fijada en 100mV, por tanto, los valores de las resistencias de realimentación son:

- RTOP: 84.5Ω.

- RMIDDEL: 78.7Ω.

- RBOTTOM: 53.6Ω.

Para que la salida tenga un fondo de escala de 1 V, la ganancia del A.I. tiene que ser de 10 V/V. Haciendo necesario el uso de una RG, resistencia que determina el valor de la ganancia del A.I., sea de 5.56 kΩ. En cambio, para un fondo de escala de 2.1 V, la ganancia del A.I. tiene que ser de 21 V/V y su RG, 2.49kΩ.

Dependiendo de si la célula se quiere polarizar o no, se incluirá en este circuito la opción de seleccionar el tipo conversión corriente/tensión, mediante una serie de jumpers. La primera opción será la polarizadora, anteriormente explicada. la segunda opción será una conversión lineal mediante una simple resistencia. El valor de esta resistencia fijara la ganancia V/I.

Figura 25: Circuito alternativo sin polarización.

Para este circuito, la tensión de polarización de la célula será determinada por la resistencia elegida. Por esta razón no se podrá utilizar 1V como fondo de escala. La tensión máxima de salida será de 100 mV para el top y la middle. En el caso de la bottom, la tensión de circuito abierto (VOC) es muy pequeña se ha preferido guardar un margen de seguridad y colocar la tensión máxima de


- 37 -

salida a 50 mV. Los valores de las resistencias serán iguales que la resistencia de realimentación anterior para 100mV de salida. En cambio, para que la bottom tuviera una salida máxima de 50 mV tendría que tener una RBOTTOM de 27.1Ω.

Por último, se encuentra la etapa de filtrado previa a la amplificación final del A.I. El propósito del filtrado es eliminar señales no deseadas que puedan afectar a la señal que se trata de medir. Como el voltaje que cae en la resistencia de realimentación es una señal muy pequeña (mV), a la salida se debe procurar tener un filtro antes de ser amplificada dicha señal. Este filtro requerirá de un corte bastante pronunciado debido a que la frecuencia de muestreo del datalogger es bastante pequeña (25 muestras por segundo). En la Figura 26 se muestra más en detalle los componentes del filtro paso bajo.

Figura 26: Filtrado paso bajo.

La presencia de ruido de alta frecuencia puede ser causado por la fuente de alimentación o por las interferencias de radio frecuencia. Se dispone de un filtro paso bajo antes del amplificador de instrumentación, para atenuar el ruido a la entrada del amplificador de instrumentación. Además del filtro, se han añadido dos resistencias, llamadas Rp, para permitir la circulación de las corrientes de polarización del amplificador y evitar que se sature. Estas resistencias deben un valor muy superior a R1a y R1b para evitar efectos de carga que atenúen la señal.

Se puede apreciar que el filtro forma un puente, cuyas entradas están a través de los pines de entrada de la señal. Por este motivo, cualquier desigualdad entre las constantes de tiempo C1a R1a y C1b R1b va a desequilibrar la señal de entrada y reducir el rechazo en modo común en altas frecuencias; es necesario entonces que los resistores R1a y R1b y los capacitores C1a y C1b sean iguales. Para el filtro en modo común tiene que cumplir la siguiente ecuación:

R1a

C1a=R1b

C1b


- 38 -

El capacitor C2 está conectado a través de la salida del puente, haciendo un paralelo con la serie de C1a y C1b. Con esto se puede reducir el error en CMRR debido a la desigualdad de las constantes de tiempo antes mencionadas, haciendo que C2 sea al menos 10 veces mayor que C1.

El filtro configurado tiene dos anchos de banda: diferencial y en modo común. El ancho de banda diferencial define la respuesta de frecuencia del filtro a señales de entrada diferenciales aplicadas. Esta constante de tiempo se establece por la suma de los resistores R1a y R1b con la capacitancia diferencial de C2 en paralelo con la serie de C1a y C1b. El ancho de banda de -3dB del filtro diferencial es igual al de la siguiente ecuación:

Bwdiff =1

2πR1(2C2 + C1)

El ancho de banda en modo común define la frecuencia de las señales que entran en el amplificador. C2 no afecta este ancho de banda por estar conectado entre las dos entradas. Por esto el ancho de banda de -3dB está dado por el paralelo de las impedancias de las redes RC formadas por R1a/C1a y R1b/C1b, como se ve en la siguiente ecuación.

BWcom =1

2πR1C1

Para el modo diferencial se escogió una frecuencia de corte 11kHz. Esta frecuencia es muy elevada comparada con la frecuencia de muestreo del datalogger, pero es compatible con el uso de este circuito en el simulador solar. Como consecuencia los valores de los componentes del filtro son:

R1: 150Ω C2: 47nF C1: 1nF

Se ha realizado un segundo circuito con frecuencia de corte algo superior y que es la que tienen los acondicionadores usados en el simulador Helios 3198. El objetivo es disponer de un circuito con el mismo ancho de banda si se realizan comparaciones en el simulador entre el tri-tubo de pseudo-isotypes y el de isotypes. La frecuencia de corte fijada para el filtro es de 50.5kHz. Para ello los componentes tendrán los siguientes valores:

R1: 150Ω C2: 10nF C1: 1nF

Una vez selecionados los valores del filtro se determina que la resitencia de protecion (Rp) tiene que tener un valor de 47k Ω para que sea ampliamente mayor R1.

3.2.2 Alimentación y conexionado con el datalogger

Para poder alimentar todo el circuito, además de regulador de luminosidad, se requiere una fuente que suministre 5VDC con una corriente máxima de salida de 3 A. Esta fuente servirá de alimentación tanto al circuito acondicionador como al regulador de luminosidad. Se eligió de 3A por el elevado consumo de corriente de ambos circuitos, especialmente las corrientes pico que alcanza el regulador de luminosidad. También es un requisito de diseño, que el encapsulado de esta fuente sea de un estándar concreto, como se explicaba al comienzo del documento, para poder ser versátil en cuanto al tipo de fuente a utilizar. Por ello, se propondrán dos modelos de los que


- 39 -

poder obtener los 5VDC/3A necesarios, uno que los produzca a partir de una entrada en corriente alterna y otro de corriente continua. Se utilizará, el proveedor de Traco Power el cual propone soluciones utilizando módulos de encapsulados iguales para distintos tipos de fuentes. De esta manera en función de la necesidad de cada instalación se podrá elegir el tipo de alimentación.

Las conexiones serán centralizadas en el circuito acondicionador gracias a un par de cables bidireccionales, que hacen de enlace entre el datalogger y regulador de luminosidad. Las principales señales a interconectar por parte de cada dispositivo son:

- En el instrumento de medida: La entrada alimentación de 5V, la señal de habilitación (enable) que proviene del dattaloger, las tres salidas en corriente de cada uno de los sensores (Itop, Imiddle, Ibottom) conectadas a los amplificadores de transimpedancia. Por último, las masas, tanto del sensor como de la bomba de carga.

- En el datalogger: La salida de la señal de habilitación, las tensiones de salidas que provienen de los amplificadores (Vtop, Vbottom, Vmiddle) y por último las dos masas.

En el Anexo se pueden observar con más detalle el conexionado.

3.2.3 Circuito impreso acondicionador

Para albergar el circuito se utiliza una caja capaz de ser expuesta en exteriores a inclemencias meteorológicas. Dicha caja protectora, hecha de aluminio, tiene un grado de protección IP68, siendo este un alto grado de protección ambiental. Sus dimensiones, 220 x 120 x 90mm, fijarán el tamaño máximo del circuito impreso acondicionador. Ya que el tamaño de las fuentes de alimentación es de 54x96mm, y se quiere dejar espacio entre los tres elementos (los bordes caja, alimentación y PCB acondicionadora) el espacio determinado para el circuito impreso acondicionador es de:75x70mm.

Por otra parte, las fuentes de alimentación elegidas para abastecer el circuito acondicionador y las bombas de carga serán:

- La alimentación AC/DC: TMP 15105C es una fuente de alimentación de modo conmutado de 15W (Salida: 5VDC / 3A Entrada: entre 85VAC a 265 VAC de 47-440 Hz).

- La alimentación DC/DC: TMDC 20-2411 es un convertidor DC/DC aislado regulado con salida única de 20W (Salida: 5 VDC / 4A Entrada: entre 9VDC a 36VDC).

Los amplificadores se han elegido del fabricante Texas Instruments. Para amplificador operacional se ha seleccionado el TL074CN, es un integrado bastante versátil que incorpora 4 operacionales en el mismo encapsulado. Por otro lado, para eliminar la tensión en modo común una de las mejores opciones es utilizar un amplificador de instrumentación con una adecuada Relación de Rechazo al Modo Común (CMRR). Se ha seleccionado el INA128 por ser un A.I. de alta precisión aparte de por tener un CMRR (80 dB) aceptable además de un buen comportamiento en frecuencia. También consta de un valor alto de Slew Rate pudiendo así acondicionar la salida al


- 40 -

funcionamiento del simulador. Ambos amplificadores con encapsulado DIP y con zócalos para poder ser reemplazados en caso de avería.

Como los amplificadores necesitarán de alimentación simétrica se ha utilizado otro convertidor DC/DC aislado para a partir de los 5V de entrada, para sacar una alimentación de ±5V con una corriente máxima de ±100mA. Este convertidor es el NTA0505MC cuenta con encapsulado SOP. Su función no es sólo alimentar a los amplificadores, también de su salida de +5V alimentará los elementos que interviene en el circuito acondicionador, haciendo que la masa aislada que provee sea el punto de referencia, tanto de los sensores de entrada como de salida en tensión.

Por cuestiones de espacio, las resistencias se han elegido con encapsulado SMD 0805 al igual que en el regulador de luminosidad. Como algunas de las resistencias elegidas tienen valores muy pequeños, como por ejemplo las resistencias de realimentación, se han seleccionado con baja tolerancia, en concreto de 0,1%. En las resistencias que fijan la ganancia del amplificador de instrumentación también tienen que ser bastante precisa, pero al ser del orden de los “k Ω” serán suficiente una tolerancia del 1%. Teniendo en cuenta que el circuito está pensado para exteriores se mira que tenga un coeficiente de temperatura adecuado para evitar problemas de recalentamiento. El coeficiente de temperatura más bajo que se ha seleccionado es de ±10ppm/°C, siendo más que suficiente para este diseño. Finalmente, las entradas del ADC de datalogger que vienen con nomenclatura: “Axx+” y “Axx-” se conectan a las salidas de tensión de cada uno de los amplificadores de instrumentación. Donde Axx+ será cada una de las salidas (Vtop, Vbottom, Vmiddle) y Axx- se conectarán la masa del circuito de polarización. Esta masa estará puenteada a todos los Axx- ya que es común para las tres salidas.

Por otro lado, en el circuito se pueden diferenciar fácilmente dos masas. La primera proviene de la fuente de alimentación simétrica haciendo de referenciase al circuito acondicionador. La segunda masa es la que va asociada a la señal de habilitación, que proviene del datalogger, y la alimentación del regulador de luminosidad, que viene directamente de la fuente de alimentación de 5V. La salida que hará de enable será 5C1 y su masa será conectada a la entrada GNDD.

Se podrá visualizar más claramente en el Anexo las conexiones del circuito acondicionador y el datalogger, así como el esquema del diseño del circuito hecho con Spice.

Figura 27: Entradas y salidas datalogger.

http://es.rs-online.com/web/p/convertidores-dc-dc-aislados/6895438/


- 41 -

Por último, se han añadido cuatro tornillos de métrica 3mm a los extremos de la PCB para poder anclar el circuito a la base de la caja de protección. A esta base de la caja también será anclado la fuente de alimentación (AC/DC o DC/DC) de manera independiente. Para este circuito también se tomado la decisión de mandarlo a fabricar a Eurocircuits. El resultado de circuito una vez soldado y montado es el siguiente:


El montaje de la PCB encargada de realizar las medidas reales en el exterior se acondiciona junto la fuente de alimentación en la caja de protección IP68. Esta caja se ha adaptado para introducir de forma segura tres conectores, uno de ellos situado en un extremo habilitado para corriente alterna. En el otro extremo dos conectores de tipo M12 con 8 pines con los que se conectará al circuito acondicionador, el instrumento de medida y el datalogger. El resultado es el siguiente:

Figura 29: Acondicionamiento Caja IP68 con circuito acondicionador.


- 42 -


- 43 -

4 Verificación y caracterización del espectrómetro

El proceso de ensayo con el prototipo consta de dos fases, la primera es la caracterización de los dos circuitos diseñados. En el caso del regulador de luminosidad es fácil asegurarse de que su funcionamiento es correcto, ya que consiste en ver que los distintos tipos de diodos emiten con la intensidad esperada cada vez que son excitados. Después se regularán las cabezas de los diodos para apuntar correctamente el sensor del tri-tubo. Una vez hechas estas comprobaciones se da por adecuado el funcionamiento del regulador de luminosidad. En cambio, para el circuito acondicionador se dedicará un apartado a examinar su comportamiento. Una vez constatado el funcionamiento de los dos circuitos se pasará a la segunda fase, en ella se harán mediciones con el espectrómetro ya montado. Las primeras mediciones se realizarán mediante un simulador de irradiacia solar Helios 3198. Mientras que la segunda, una vez verificado el prototipo, se realizará la instalación a aire libre y se analizaran los datos de las mediciones solares reales. Antes de entrar en materia se hará una breve introducción sobre el simulador usado.

4.1 Caracterización circuito acondicionador Para poder caracterizar bien este circuito hay que analizar sus dos etapas de amplificación, la amplificación de transimpedancia y la amplificación con A.I.. Se tomarán medidas de cada una de las etapas para los tres sensores a fin de compararlas con los valores ideales. Así se determinará los errores de ganancia, no linealidad y offset del conjunto del circuito acondicionador. En la Figuras 30, 31 y 32 se muestran los siguientes datos de las medidas reales:

- En la primera columna la corriente de entrada del circuito que emula la corriente saliente del sensor.

- En la segunda y tercera columnas, la tensión fruto de la ganancia de transimpedancia de la primera etapa y su valor ideal para valores de corriente de entrada.

- En la cuarta y quinta columnas, la tensión de salida final gracias a la amplificación del A.I., acompañada de su valor ideal para los valores de corriente de entrada.

- En la sexta columna se encuentra la tensión de salida total del circuito con los errores de offset y ganancia corregidos.

- En la séptima y última columna el error final de no linealidad total de circuito. Valores que determinan la función de trasferencia de la banda Top: GR: 82.5 V/I GA.I.: 21.08 V/V GTOTAL: 1739.1 V/I

Capítulo 4: Verificación y caracterización del espectrómetro.

- 44 -

Figura 30: Medidas subcircuito acondicionador Top.

Ganancia real total top: 1734 V/V

Valores que determinan la función de trasferencia de la banda Middle: GR: 78.7 V/I. GA.I.:21.08 V/V. GTOTAL:1659 V/I.

Figura 31: Medidas subcircuito acondicionador Middle.

Ganancia total real middle: 1652.4V/V. Valores que determinan la función de trasferencia de la banda Bottom: GR: 53.6 V/I. GA.I.:21.08 V/V. GTOTAL:1129.9 V/I.

Figura 32: Medidas subcircuito acondicionador Bottom.

Ganancia real bottom:1128.1 V/V. Como conclusión de estas medidas se saca que el error de offset es totalmente despreciable al ser ínfimo, siendo el mayor error de offset de 1,6mV para la banda bottom. También que los errores de ganancia para cada banda son:


- 45 -

EG_Total_Top: -0,16%. EG_Total_Middle: -0,40%. EG_Total_Bottom: -0,29%.

Una vez calculado los errores de ganancia se procede han comprobar los errores de máximos de no linealidad del conjunto de cada subcircuito que son:

ENL_Max_Total_Top: 5,4mV ENL_Max_Total_Middle: 7,5mV ENL_Max_Total_Bottom: 6,7mV

Dado que los errores analizados tanto de ganancia como de no linealidad son mínimos, se da por correcto el funcionamiento del circuito acondicionador. Si se quisieran ver con más detalle las funciones de trasferencia se pueden encontrar en el Anexo.

4.2 Simulador solar para la medida de módulos de concentración fotovoltaica

Este simulador solar desarrollado por el IES, que tiene como nombre Helios 3198, permite medir y clasificar paneles fotovoltaicos de concentración en condiciones “indoor”, en el laboratorio o en la línea de producción. Los estudios llevados a cabo por la UPM han permitido desarrollar una solución global a la complejidad técnica que la medición de módulos CPV presenta como son: la necesidad de colimación, el control de la uniformidad en la irradiancia y la necesidad de controlar la distribución espectral de la fuente de luz durante la medida. Las partes fundamentales del simulador se dividen en tres, la primera es una fuente de luz artificial, formada por una lámpara flash de Xenón, que simula la luz solar. Después se encuentra el espejo colimador que consigue que el haz de luz divergente que proviene de la fuente de luz incida sobre el panel fotovoltaico simulando la radiación directa. La última parte se compone del centro de control y medidas que regula la lámpara, además de recibir y procesar la señal eléctrica producida por el panel al ser excitado artificialmente. El Helios 3198 hace que el haz de luz proveniente de una fuente artificial incida sobre la superficie del panel de la misma forma que los rayos del sol y con un espectro de referencia controlado. Cabe destacar a su vez que el espectro de luz simulada es el adecuado para medir módulos fotovoltaicos equipados con células multi-unión, habiéndose fijado como referencia por la comunidad científica de CPV, el espectro de referencia AM1.5D. Además, ha sido diseñado para iluminar uniformemente con una luz colimada cuya anchura corresponde a la del disco solar, requisito indispensable para caracterizar el espectrómetro. Este método de medida “en interior” hace que se puedan recoger muestras de la curva I-V del panel y analizar su comportamiento con independencia de las condiciones atmosféricas. Un


- 46 -

módulo CPV puede medirse, en diferentes condiciones de irradiancia y espectro de luz, en apenas unos segundos (10-30 segundos, dependiendo de la resolución de la curva I-V).

Figura 33: Esquema conceptual del simulador HELIOS 3198 del IES. En la Figura 33 se observa el uso del simulador con un módulo CPV, compuesto por células multi-unión similares a las del espectrómetro. Para este caso práctico en concreto el posicionamiento del espectrómetro será en el mismo lugar donde se encuentra el módulo, donde los rayos de luz son perpendiculares al sensor. En el caso del espectrómetro, al estar formado por tubos colimadores hay que tener más en cuenta la alineación del tubo con el espejo. Este tiene que ser totalmente perpendicular a los rayos reflejados que son paralelos entre sí, para que la célula reciba toda la radiación prevista. Uno de los aspectos esenciales para la caracterización “indoor” de módulos CPV es la necesidad de obtener una fuente de luz similar a la del sol. Por ello las principales características del sistema de iluminación son:

- Nivel de irradiancia ajustable desde 750-1100 W/m². - Uniformidad de irradiancia mejor que ± 5%. - Tamaño angular de fuente inferior a ± 0.4°. - Similitud espectral: AM1.5D. - Apto para uso con módulos células multi-unión III-V. - Colimador de 2 metros de diámetro útil. - Sistema de medida multi-flash de alta velocidad: >120 módulos/hora.

El sistema óptico se caracteriza a su vez por su versatilidad, pudiendo adoptar dos configuraciones diferentes dependiendo del tamaño del módulo y de la localización de la lámpara, “on-axis” y “off-axis”. Esto dota al sistema de una gran versatilidad pudiéndose ajustar a las necesidades específicas de cada cliente.


- 47 -

4.2.1 Mediciones con Helios 3198 El sistema de iluminación del simulador produce un pulso flash de irradiancia variable, y duración de unos pocos milisegundos. Durante la caída del flash, la irradiancia en el panel varía proporcionalmente. Pero, además, a medida que el flash se apaga, el espectro también cambia. Por tanto, en cada punto de la curva de caída del flash se produce un nivel de irradiancia y espectro diferente. Esto hace que en función de ese cambio en la irradiacia y el espectro varíe la subcélula que limita en corriente del conjunto de la multi-unión. En la Figura 34a se muestra la evolución de un pulso flash con el tiempo. También se puede observar la diferente evolución de la corriente medida por las subcélulas top y middle, ya que ambas responden a bandas espectrales diferentes. El comportamiento de una célula solar multi-unión, dependiendo de qué unión sea la limitante en corriente, irá variando según la irradiación en estas bandas. Comportándose el conjunto de la multi-unión como la limitante en corriente. Como ejemplo en la Figura 34b, se tiene la relación de las células isotype top y middle con el de la multi-union, teniendo, así como resultado el porcentaje de similitud entre ambas. En ella se observa como al comienzo del muestreo el conjunto de la célula multi-unión sigue a la banda middle (en esa zona el flash es más azul, por lo que limita la subcélula middle), mientras que al final acaba siguiendo a la banda top (en esa parte el flash es más rojo) como se observa en la Figura 34c. Esta comparación es posible gracias a otro tri-tubo con tres células isotypes (Top, Middle y Bottom) capaces de medir únicamente una banda de la multi-unión, cada una de ellas. Teniendo así independientemente de los resultados de la Top, la Middle y la Bottom, con los que poder comparar la multi-unión. Las simulaciones se han realizado con dos tipos de células multi-unión diferentes debido a las necesidades de polarización de la subcélula bottom. Estas dos células, llamadas tipo I y tipo II, tienen las mismas características en las uniones top y middle, teniendo como única diferencia las tensiones de disrupción de la unión bottom. Debido a que en los dos tipos de células se obtienen respuestas idénticas en las uniones top y middle se presenta una sola simulación de ellas. En cambio, en las simulaciones realizadas con la bottom se hace diferenciación entre las bottom tipo I y tipo II. En estas simulaciones se mostrará el comportamiento de dicha unión para diferentes tensiones de polarización en función de las tensiones de disrupción de los dos tipos.


- 48 -

Figura 34a: Comportamiento célula multi-unión.

Figura 34b: Comportamiento célula multi-unión.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0,3

9

0,5

3

0,6

7

0,8

1

0,9

5

1,0

9

1,2

3

1,3

7

1,5

1

1,6

5

1,7

9

1,9

3

2,0

7

2,2

1

2,3

5

2,4

9

2,6

3

2,7

7

2,9

1

3,0

5

3,1

9

3,3

3

3,4

7

3,6

1

3,7

5

3,8

9

4,0

3

4,1

7

4,3

1

4,4

5

4,5

9

4,7

3

4,8

7

Sole

s (k

W/m

2)

Tiempo (ms)

Comportamiento Célula Multi-unión

top mid MJ

0,0%

20,0%

40,0%

60,0%

80,0%

100,0%

120,0%

140,0%

160,0%

180,0%

200,0%

0,4

6

0,6

0,8

4

0,9

8

1,1

2

1,2

6

1,4

1,5

4

1,6

8

1,8

2

1,9

6

2,1

2,2

4

2,3

8

2,5

2

2,6

6

2,8

2,9

4

3,0

8

3,2

2

3,3

6

3,5

3,6

4

3,7

8

3,9

2

4,0

6

4,2

4,3

4

4,4

8

4,6

2

4,7

6

4,9

Po

rcen

taje

de

Sim

ilitu

d (

%)

Tiempo (ms)

Relación entre Multi-unión e Isotype Top y Middle

MJ/top MJ/mid


- 49 -

Figura 34c: Comportamiento célula multi-unión. A diferencia del caso anterior, lo que se pretende conseguir es que, independientemente de la radiación recibida, la célula solar multi-unión se comporte como una pseudo-isotype, esto es, que la corriente siempre esté limitada por una única subcélula. De esta manera cada uno de los tri-tubos estará siempre midiendo la zona espectral que le corresponda gracias a la función de los diodos encargados de saturar lumínicamente la célula. A continuación, se mostrará las mismas mediciones realizadas sobre el diseño del conjunto del espectrómetro, comparándose los sensores pseudo-isotypes basados en células multi-unión saturadas con luz artificial de los LEDs y los sensores isotype verdaderos. Medición pseudo-isotype Top: En esta medición presentada en a Figura 35a y Figura 35c se observa como esta vez el conjunto de la multi-unión sigue sólo a una banda de trabajo. La célula multi-unión se comporta como una isotype para la banda Top gracias a la saturación lumínica en las bandas de la subcélulas middle y bottom. Mientras, en la Figura 35b se ve la similitud es plena, a pesar del ruido del final debido al bajo nivel de la señal de salida. Aun así, el promedio de este ruido se mantiene cercano al porcentaje del 100%.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

B p

seu

do

iso

typ

e to

p (

kW/m

2)

B isotype top (kW/m2)

Comportamiento Célula Multi-unión

Series1

Multi-union siguiendo a la Middle

Multi-unión siguiendo a la Top


- 50 -

Figura 35a: Comportamiento sensor Top.

Figura 35b: Comportamiento sensor Top.

0,0%

20,0%

40,0%

60,0%

80,0%

100,0%

120,0%

140,0%

160,0%

180,0%

200,0%

0,5

7

0,7

1

0,8

5

0,9

9

1,1

3

1,2

7

1,4

1

1,5

5

1,6

9

1,8

3

1,9

7

2,1

1

2,2

5

2,3

9

2,5

3

2,6

7

2,8

1

2,9

5

3,0

9

3,2

3

3,3

7

3,5

1

3,6

5

3,7

9

3,9

3

4,0

7

4,2

1

4,3

5

4,4

9

4,6

3

4,7

7

4,9

1

Po

rcen

taje

sim

ilitu

d (

%)

Tiempo (ms)

Relación entre Sensor Top(MJ) e Isotype Top y Middle

MJ/top MJ/mid

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0,0

1

0,1

7

0,3

3

0,4

9

0,6

5

0,8

1

0,9

7

1,1

3

1,2

9

1,4

5

1,6

1

1,7

7

1,9

3

2,0

9

2,2

5

2,4

1

2,5

7

2,7

3

2,8

9

3,0

5

3,2

1

3,3

7

3,5

3

3,6

9

3,8

5

4,0

1

4,1

7

4,3

3

4,4

9

4,6

5

4,8

1

4,9

7

Sole

s (k

W/m

2)

Tiempo (ms)

Sensor Top

top mid Pseudo-Isotype top


- 51 -

Figura 35c: Comportamiento sensor Top. Medición pseudo-isotype Middle: Se observa en las Figuras 36 a y 36c el mismo comportamiento que anteriormente, la subcélula middle es la limitante en corriente y se comporta como una célula pseudo-isotype para la banda Middle. En la Figura 36b se aprecia mejor como la comparativa entre la pseudo-isotype middle y la isotype middle es cercana al 100%. En ella también se tiene ruido al final, como en la anterior simulación, debido a que la señal en ese punto tiene un valor cercano a 0V.

Figura 36a: Comportamiento sensor Middle.

R² = 0,9998

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

B p

seu

do

iso

typ

e to

p (

W/m

2)

B isotype top (W/m2)

Sensor top (pseudo-isotype) vs isotype top

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0,0

1

0,1

7

0,3

3

0,4

9

0,6

5

0,8

1

0,9

7

1,1

3

1,2

9

1,4

5

1,6

1

1,7

7

1,9

3

2,0

9

2,2

5

2,4

1

2,5

7

2,7

3

2,8

9

3,0

5

3,2

1

3,3

7

3,5

3

3,6

9

3,8

5

4,0

1

4,1

7

4,3

3

4,4

9

4,6

5

4,8

1

4,9

7

Sole

s (k

W/m

2)

Tempo (ms)

Sensor Middle

top mid Pseudo-Isotype mid


- 52 -

Figura 36b: Comportamiento sensor Middle.

Figura 36c: Comportamiento sensor Middle. Medición pseudo-isotype Bottom para célula tipo I: En este caso aparece, en la zona del pulso flash de mayor irradiancia, una parte saturada en la célula isotype bottom. Esto es debido a que la amplificación se ha configurado para dar mayor resolución a zona de potencia de 1 sol, y la zona saturada es de menor interés en las medidas habituales en el simulador. Obviamente, esa zona saturada no nos sirve para comparar la pseudo-isotype bottom con la isotype verdadera. En la

0,0%

20,0%

40,0%

60,0%

80,0%

100,0%

120,0%

140,0%

160,0%

180,0%

200,0%

0,5

4

0,6

6

0,7

8

0,9

1,0

2

1,1

4

1,2

6

1,3

8

1,5

1,6

2

1,7

4

1,8

6

1,9

8

2,1

2,2

2

2,3

4

2,4

6

2,5

8

2,7

2,8

2

2,9

4

3,0

6

3,1

8

3,3

3,4

2

3,5

4

3,6

6

3,7

8

3,9

Po

rcen

taje

Sim

ilitu

d (

%)

Tiempo (ms)

Relación entre Sensor Middle(MJ) e Isotype Top y Middle

MJ/top MJ/mid

R² = 0,9998

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

B p

seu

do

iso

typ

e m

id (

W/m

2)

B isotype mid (W/m2)

Sensor Middle (pseudo-isotype) vs isotype middle


- 53 -

Figura 37a se observa claramente cómo el sensor pseudo-isotype bottom sigue a su correspondiente isotype en el rango que va desde los 0.2 a 1.4 soles (200W/m2 a 1400 W/m2). Hay que reseñar que esta célula multi-unión se comporta adecuadamente como sensor pseudo-isotype bottom polarizada cerca del cortocircuito, que es el caso que se muestra en las Figuras 37a, 37b y 37c. Sin embargo, esto no es generalizable para cualquier célula multi-unión, sino que depende del valor de la tensión de disrupción de la subcélula de germanio (bottom). Cuando dicha tensión es menor de 2 V, es necesario polarizar la célula multi-unión a tensiones entre 1 y 2.4V para conseguir que la subcélula bottom limite la corriente del dispositivo, como veremos en el siguiente ejemplo. Debido a este comportamiento de la subcélula bottom, el grado se similitud de con la isotype bottom depende en gran medida de la tensión de polarización. Esto hace que la relación entre sensor bottom e isotype bottom no sea tan cercana al 100% como en los anteriores casos.

Figura 37a: Comportamiento sensor Bottom tipo I.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0,4

9

0,5

9

0,6

9

0,7

9

0,8

9

0,9

9

1,0

9

1,1

9

1,2

9

1,3

9

1,4

9

1,5

9

1,6

9

1,7

9

1,8

9

1,9

9

2,0

9

2,1

9

2,2

9

2,3

9

2,4

9

2,5

9

2,6

9

2,7

9

2,8

9

2,9

9

3,0

9

3,1

9

3,2

9

3,3

9

3,4

9

Sole

s (k

W/m

2)

Tiempo (ms)

Sensor Bottom Tipo I

mid pseudo Iso top bot


- 54 -

Figura 37b: Comportamiento sensor Bottom tipo I.

Figura 37c: Comportamiento sensor Bottom tipo I.

0,0%

50,0%

100,0%

150,0%

200,0%

0,6

1

0,6

9

0,7

7

0,8

5

0,9

3

1,0

1

1,0

9

1,1

7

1,2

5

1,3

3

1,4

1

1,4

9

1,5

7

1,6

5

1,7

3

1,8

1

1,8

9

1,9

7

2,0

5

2,1

3

2,2

1

2,2

9

2,3

7

2,4

5

2,5

3

2,6

1

2,6

9

2,7

7

2,8

5

2,9

3

Po

rcen

taje

de

Sim

ilitu

d (

%)

Tiempo (ms)

Relación entre Sensor Bottom tipo I (MJ) e Isotype Top y Middle

MJ/mid MJ/bot

R² = 0,9999

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

B p

seu

do

iso

typ

e b

ot

(W/m

2)

B isotype bot (W/m2)

Sensor Bottom tipo I (pseudo-isotype) vs isotype bottom


- 55 -

Medición pseudo-isotype Bottom tipo II: Como ejemplo del comportamiento de la subcélula bottom tipo II, a una tensión de polarización de 0 V, se encentran las Figuras 38a y 38b. Estas muestran el cociente entre el sensor bottom tipo II y las tres células Isotypes (top en azul, middle en verde y bottom en rojo), para una amplia variación espectral (SMR top/mid de 0.8 a 1.2). La célula multi-unión, para 0V de tensión de polarización, no responde igual como su correspondiente isotype ya que el cociente entre ambas no es constante. En cambio, se observa una buena respuesta de la célula multi-unión como pseudo-bottom cuando está polarizada a 2.15 V y 2.33 V. La tabla muestra las diferencias entre ambas para todas las tensiones de polarización simuladas que se podrán encontrar en el Anexo.

Polarización de la MJ pseudo-bottom tipo II

Diferencia entra la pseudo-bottom tipo II y la isotype bottom

V = 0 ± 63 % V = 1.20 ± 35 % V = 1.48 ± 20 % V = 1.80 ± 5% % V= 2.15 ± 1.9 % V = 2.33 ± 1.1 % V = 2.53 ± 45 %

Figura 38a: Sensor Bottom tipo II con Vpol 0V Figura 38b: Sensor Bottom tipo II con Vpol 0V

En este caso se ha polarizado la subcélula pseudo-isotype bottom con una tensión de 2.33V ya que se consigue mejor relación pseudo-isotype/isotype. Mediante esta tensión sitúa al conjunto de la


- 56 -

multi-unión en la zona donde la célula bottom es la limitante. Igual que en el anterior caso, para dar una mayor resolución a la zona de irradiación media, aparece saturada la zona de máxima irradiación de la pseudo-isotype bottom. Se puede observar en las Figuras 39a, 39b y 39c como el comportamiento de la pseudo-isotype bottom es como el de isotype bottom.

Figura 39a: Comportamiento sensor Bottom tipo II.

Figura 39b: Comportamiento sensor Bottom tipo II.

0,0%

50,0%

100,0%

150,0%

200,0%

0,0

1

0,0

9

0,1

7

0,2

5

0,3

3

0,4

1

0,4

9

0,5

7

0,6

5

0,7

3

0,8

1

0,8

9

0,9

7

1,0

5

1,1

3

1,2

1

1,2

9

1,3

7

1,4

5

1,5

3

1,6

1

1,6

9

1,7

7

1,8

5

1,9

3

2,0

1

2,0

9

2,1

7

Po

rcen

taje

de

Sim

ilitu

d (

%)

Tiempo (ms)

Relación entre Sensor Bottom tipo II (MJ) e Isotype Top, Middle y Bottom

mj/top mj/mid mj/bot

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0,0

1

0,1

7

0,3

3

0,4

9

0,6

5

0,8

1

0,9

7

1,1

3

1,2

9

1,4

5

1,6

1

1,7

7

1,9

3

2,0

9

2,2

5

2,4

1

2,5

7

2,7

3

2,8

9

3,0

5

3,2

1

3,3

7

3,5

3

3,6

9

3,8

5

4,0

1

4,1

7

4,3

3

4,4

9

4,6

5

4,8

1

4,9

7

Sole

s (k

W/m

2)

Tiempo (ms)

Sensor Bottom Tipo II

mj pesudo bot ajustada mid bot


- 57 -

Figura 39c: Comportamiento sensor Bottom tipo II.

4.3 Mediciones en condiciones reales

Las configuraciones de la medición con el datalogger se hacen a través del programa TeletransW3K. Para ello se tienen que configurar los tres canales que intervienen en la medida. En TeletranW3K se genera el parámetro que se desea medir en el canal, para ser posteriormente almacenado en la base de datos. En este caso harán falta generar tres paramentos (Top, Middle, y Bottom) uno para cada canal. Luego se selecciona en cada uno de ellos la alimentación del sensor, que en este caso es el enable 5C1. Al configurar el canal se selecciona la frecuencia a la que se van a realizar las muestras y el tiempo de calentamiento del sensor. El calentamiento del sensor es el tiempo previo con él que tiene que estar activo el sensor para que el DAC realice la muestra correctamente.

Aunque el tiempo de respuesta de la bomba es bastante rápido, se seleccionado un segundo de tiempo de calentamiento de manera preventiva. Así el enable 5C1 se activará 1 segundo antes de que el DAC realice el muestreo. El periodo de muestreo fijado es de 60 segundos teniendo así más de 600 muestras al día útiles dependiendo de las horas de sol. Por último, la selección del canal físico se hace en función del tipo de medición que se quiera hacer, por ejemplo: canales radiométricos, canales digitales, canales analógicos de precisión media, canales analógicos de alta

R² = 0,9996

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

B p

seu

do

iso

typ

e b

ot

(kW

/m2

)

B isotype bot (kW/m2)

Sensor Bottom tipo II (pseudo-isotype) vs isotype bottom


- 58 -

precisión, pulsos, frecuencias, etc [10]. En este caso se va a utilizar un canal analógico de precisión media, ya que los de alta precisión están pensados para sensores con salidas inferiores a los 50mV.

Finalmente, sólo queda seleccionar las clemas del ADC para relaciónalas al parámetro elegido. La distribución de canales: canal Top clema A13+, Canal Middle clema A14+ y Canal Bottom clema A16+. En el Anexo se encuentra un ejemplo de configuración de canal con TeletransW3K donde se puede observar los parámetros de configuración de los que se habla.

La recepción de datos se hace mediante una base de datos generada cada día, por el programa de Datagraph-W3K. A partir de esta base de datos y una función en Mathlab se genera un documento con formato “.txt” para poder ser tratada la información de manera más sencilla y exportada a otras plataformas como por ejemplo Excel.

Una vez configurado el datalogger se coloca el instrumento de medida en un seguidor solar, concretamente en el modelo Geotrack-3000 de Geonica S.A. El Geotrack-3000 es un sistema de seguimiento solar cronológico de dos ejes basado en la altitud y el acimut. Se le llama cronológico porque el sistema es guiado por un algoritmo que calcula la posición del sol, en base a la localización geográfica y la fecha y hora. Además, los sistemas de dos ejes permiten una mayor precisión al situar el sol dentro de la bóveda celeste, ya que se adaptan tanto al movimiento Este‐Oeste como a la elevación del sol, mientras que los de un solo eje siguen tan sólo el primer movimiento. Al basarse en la altitud y el acimut, se beneficia de una estructura mecánica compacta y sencilla que, al referenciar a un sistema local de coordenadas, facilita su correcta y precisa colocación y orientación [11]. A continuación, en la Figura 40 se muestra ya el instrumento de medida, representado por el tri-tubo, montado en el Geotrack-3000. Las conexiones de las salidas del instrumento de medida tienen que hacerse a través del eje del Geotrack-3000. De lo contrario esto provocaría problemas ya que éste, al estar en continuo movimiento, pudiera enredarse alrededor o deteriorar el cableado. En concreto cuenta con capacidad para albergar ocho señales salientes [11]. Como el instrumento de medida consta de siete señales, el uso de este seguidor solar será exclusivamente para este espectrómetro.

Figura 40: Espectrómetro anclado al seguidor solar Geotrack-3000.


- 59 -

4.3.1 Resultados de las mediciones en condiciones reales

En la verificación final del comportamiento del espectrómetro, se analizan las mediciones realizadas en la azotea del IES en condiciones meteorológicas adecuadas (días de sol) para comprobar si estas concuerdan con las simulaciones. Por lo tanto, se encontrarán dos tri-tubos, uno con las células multiunión tipo I polarizada en cortocircuito y el regulador de luminosidad, y otro tri-tubo con sensores isotypes. Ambos tri-tubos serán situados en seguidores solares y conectados al mismo datalogger de Geonica para ser comparados entre sí.

Como primera comprobación en la Figura 41 se muestra la irradiancia directa (B) por cada pseudo-isotype captada por el espectrómetro a lo largo de un día despejado de otoño. Este día corresponde en concreto al día 18 de noviembre de 2017. Al compararla con días similares en el histórico de AEMET, para la componente directa en la localización geográfica y el periodo del año que se encuentra, se determina que el funcionamiento del seguidor solar y de los instrumentos es el adecuado.

Figura 41: Irradiación Espectrómetro Pseudo-isotype.

Posteriormente al corroborar que el espectrómetro está midiendo correctamente, se comienza la última fase de validación. En esta parte, se comprueba la relación entre los sensores pseudo-isotypes con su correspondiente isotype. Para ello se muestra en las Figuras 42, 43 y 44 para cada sensor, la comparación de ambas irradiancias.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12

Irra

dia

nci

a (W

/m2

)

Horario del díaa (hh:mm)

Irradiacia Espectrometro Pseudo-isotype

B peudo_top B peudo_mid B peudo_bot


- 60 -

Figura 42: Comparación Irradiacia PseudoIso Top vs IsotypeTop.

Figura 43: Comparación Irradiacia PseudoIso Middle vs IsotypeMiddle.

R² = 0,9996

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

B P

seu

do

-iso

typ

e To

p (

W/m

2)

B Isotype Top (W/m2)

Comparación Irradiacia PseudoIso Top vs Isotype Top

Top Lineal (Top)

R² = 0,9987

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000B P

seu

do

-iso

typ

e M

idd

le (

W/m

2)

B Isotype Middle (W/m2)

Comparación Irradiacia PseudoIso Mid vs IsotypeMid

Middle Lineal (Middle)


- 61 -

Figura 44: Comparación Irradiacia PseudoIso Bottom Tipo I vs IsotypeBottom.

En estas tres graficas se puede observar como la relación entre las irradiancias medidas por ambos sensores muy lineal, con un elevado coeficiente de correlación entre la pseudo-isotype y su correspondiente isotype. Al encontrase resultados similares a los simulados durante varios días consecutivos se da por adecuado el diseño y se finaliza el proyecto del nuevo Tri-band Spectro-Heliometer.

R² = 0,9971

0

200

400

600

800

1000

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

B P

seu

do

-iso

typ

e B

ott

om

(W

/m2

)

B Isotype bottom (W/m2)

Comparación Irradiacia PseudoIso Bot Tipo I vs IsotypeBot

Botttom Lineal (Botttom)


- 62 -


- 63 -

5 Conclusiones

En este proyecto se ha afrontado el diseño de un nuevo modelo de espectrómetro basado en el Tri-band Spectro-Heliometer desarrollado a partir de sensores con células “isotypes” por el IES. En este nuevo espectrómetro, se han adaptado células multi-unión como sensores, gracias a la intervención de un circuito regulador de luz artificial, que polariza estas células en la misma zona espectral de medida que las isotypes.

Este circuito ha sido diseñado cumpliendo todos los requerimientos fijados, algunos de los más determinantes son: el espacio útil, las características de emisión lumínica, la utilización de un regulador DC/DC a partir de bombas de carga, el alto consumo en corriente de LEDs o la limitación de radiación solar. Posteriormente ha sido fabricado y verificado con éxito de manera independiente, pasando así a la fase de implementación en el tri-tubo.

Tras las distintas pruebas realizadas con el conjunto del instrumento de medida tanto en condiciones de “indoor” con simulador, como las medias reales “outdoor” se llegaron a varias conclusiones:

· La primera es que el funcionamiento de los sensores pseudo-isotype top y middle es correcto para los dos tipos de células multi-unión probadas.

· La segunda conclusión es que debido a las características de la subcélula bottom, en concreto de su tensión de disrupción, el sensor pseudo-isotype bottom necesita polarizar la multi-unión en la zona en la que esta subcélula es la limitante en corriente. Este es un requisito indispensable para que el funcionamiento del sensor sea como el de la isotype bottom. En concreto para los dos tipos de células planteados necesitan de una tensión de polarización de, en el tipo I, 0 V y en el tipo II de 2.33V, para una respuesta lineal de la pseudo-isotype bottom.

De la casuística anterior, se encuentra el segundo circuito diseñado, el circuito de adaptación, con el que se ha conseguido, previa la verificación en capítulo 3, los siguientes aspectos:

· Un correcto acondicionamiento de señales E/S entre instrumento de medida y datalogger según las características de ambos elementos.

· Fijar una tensión de polarización regulable necesaria para el adecuado funcionamiento del sensor bottom.

· Interconexión segura, gracias a la caja IP68, entre los distintos elementos: Instrumento de medida, Datalogger y Fuente de alimentación.

Otra de las características más reseñables que se han conseguido con la solución propuesta es el diseño flexible y modular del conjunto del espectrómetro. Esto posibilita la instalación en cualquier tipo de emplazamiento, pudiéndose adaptar a diferentes especificaciones que pudieran ser requeridas según las condiciones de las plantas.

Capítulo 5: Conclusiones.

- 64 -

Una vez hecho el estudio de todos los elementos por separado se realiza la integración final en la estación de medida. El espectrómetro se encuentra actualmente recabando datos sobre la irradiación solar para el equipo de investigación del IES.

Por último, cabe señalar que este nuevo Tri-band Spectro-Heliometer construido hace una modesta aportación al amplio campo de investigación sobre sistemas CPV. Con este proyecto se espera ayudar a futuros estudios sobre la mejora de plantas CPV mediante la caracterización de la eficiencia de sus módulos.


- 65 -

6 Presupuesto

A continuación, se desglosa el coste que supone realizar este proyecto. Se excluye todo el material aportado por el IES tales como el tri-tubo o el datalogger. Únicamente se expone el coste material que supone replicar los dos circuitos diseñados para la creación del espectrómetro. Estos son:

Presupuesto circuito acondicionador:

Capítulo 6: Presupuestos.

- 66 -

Presupuesto circuito regulador luminosidad:

- 67 -

Anexo

Esquemático circuito acondicionador

- 68 -

Esquemático circuito regulador luminosidad

Tabla componentes circuito acondicionador

- 69 -

Conexionado Datalogger – Circuito acondicionador

Conexionado Tri-tubo – Circuito acondicionador

- 70 -

Ejemplo configuración canal TeleransW3K

- 71 -

PCB circuito acondicionador capa Top

PCB circuito acondicionador capa Bottom

- 72 -

PCB circuito regulador luminosidad capa Top

PCB circuito regulador luminosidad capa Bottom

- 73 -

Función de trasferencia subcircuito acondicionador Top

Función de trasferencia subcircuito acondicionador Middle

y = 1,734x - 0,0009

0,0000

0,5000

1,0000

1,5000

2,0000

2,5000

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

Vo

ut

(V)

Iin (mA)

Función Trasferencia Top

y = 1,6524x - 0,0003

0,0000

0,5000

1,0000

1,5000

2,0000

2,5000

0,000 0,200 0,400 0,600 0,800 1,000 1,200 1,400

Vo

ut

(V)

Iin (mA)

Función Trasferencia Middle

- 74 -

Función de trasferencia subcircuito acondicionador Bottom

Simulaciones de comportamiento subcélula bottom tipo II para diferentes tensiones de polarización

y = 1,1281x + 0,0007

0,0000

0,2000

0,4000

0,6000

0,8000

1,0000

1,2000

1,4000

1,6000

1,8000

0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60

Vo

ut

(V)

Iin (mA)

Función Trasferencia Bottom

- 75 -

- 76 -

- 77 -

Referencias

[1] Ren21, “Renewables 2017 Global Status Report”, Renewable Energy Policy Network for the 21st Century, 2017.

[2] Michael Schmela and SolarPower Europe, “Global Market Outlook For Solar Power 2017 - 2021”, SolarPower Europe, 2017.

[3] J.M Sancho, J. Riesco, C. Jiménez M.C. Sánchez, J. Montero y M. López, “Atlas de Radiación Solar en España”, AEMET, 2005.

[4] Daniel Pérez Carrasco y Manuel A. Silva Pérez “Procedimiento de Mantenimiento y Calibración de Estación Radiométrica”, Universidad de Sevilla, 2007.

[5] Linear tecnology, “LTC3217 600mA Low Noise Multi-LED Camera Light Charge Pumps”, Linear tecnology, 2005.

[6] Kraig Mitzner,“Complete PCB Design using OrCAD Capture and PCB Editor”, Newnes, 2009.

[7] IES, “Tri-band Spectro-heliometer”, Instituto de Energía Solar, 2017.

[8] Geonica, “Meteodata/Hydrodata Serie 3000C, Manual de utilización y funcionamiento”, Geonica Ciencias de la Tierra, 2006.

[9] Eduardo Fernández Fernández, “Modelización y caracterización de células solares III-V multi-unión y de módulos de concentración”, Universidad de Santiago de Compostela, 2012.

[10] Geonica, “Manual TeletransW3K”, Geonica S.A Ciencias de la Tierra, 2007.

[11] Geonica, “Manual de Usuario del Geotrack-3000”, Geonica S.A Ciencias de la Tierra, 2007.

[12] Haidée Pérez Hernández, “Sensores Basados en Diodos y Células Multi-unión”, 2017.

- 78 -

Documents

PROYECTO FIN DE GRADOoa.upm.es/53160/1/TFG_ALVARO_ASENJO_AMELL.pdf · La energía solar es una fuente de energía renovable que está en auge en los últimos años debido al encarecimiento