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7/23/2019 PFC Valentin FINAL.pdf

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UNIVERSIDAD POLITCNICA DE MADRID

ESCUELA TCNICA SUPERIOR

DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACINPROYECTO FIN DE CARRERA

CONSTRUCCIN Y PUESTA A PUNTO DE UN

EQUIPO PARA PRUEBA DEL ESTRS TERMO-MECNICO DE CLULAS SOLARES DE

CONCENTRACIN

Alumno: D. Valentn Prez Fernndez

Tutor: D. Gabriel Sala Pano

MIEMBROS DEL TRIBUNAL:

Presidente: D. Gabriel Sala Pano

Vocal: D. Ignacio Rey-Stolle Prado

Secretario: D. Ignacio Antn Hernndez

Suplente: D. Carlos Algora del Valle

FECHA DE LECTURA:

CALIFICACIN:


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UNIVERSIDAD POLITCNICA DE MADRID

ESCUELA TCNICA SUPERIOR

DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIN

PROYECTO FIN DE CARRERA

CONSTRUCCIN Y PUESTA A PUNTO

DE UN EQUIPO PARA PRUEBA DELESTRS TERMO-MECNICO DECLULAS SOLARES DE

CONCENTRACIN

VALENTN PREZ FERNNDEZ

2014


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AGRADECIMIENTOS

En primer lugar, me gustara agradecer a Gabriel Sala la confianza que ha depositado en m

brindndome la oportunidad de iniciarme como ingeniero otorgndome el privilegio de realizar unproyecto de tales dimensiones. Gracias por todos los conocimientos adquiridos, por el apoyo constante

recibido y por motivarme a sacar lo mejor de m mismo.

Agradecer especialmente a Ignacio Antn todo el tiempo que ha dedicado a la construccin del equipo y

a guiarme en todo momento en su desarrollo. Gracias por tus consejos, lecciones y, en definitiva, por

todo lo que me has enseado.

Cmo no, dar las gracias a todos los dems componentes del grupo ISI que siempre han estado

dispuestos a resolverme cualquier mnima duda y a ayudarme en todo lo que he necesitado. De veras,

Gracias!.

Por supuesto, gracias a toda la gente del IES por su compaerismo y por el buen ambiente de trabajo

que se respira que hacen que nadie quiera dejar ese lugar. Gracias por tratarme como me habis

tratado, me habis hecho sentir en casa.

A mis dos compaeros y amigos inseparables de la carrera, lvaro y Visa, por estar ah en los buenos y

en los no tan buenos momentos, por apoyarme siempre y por todas las experiencias que hemos vivido

juntos a lo largo de estos aos y las que estn por venir.

Finalmente, quiero dar las gracias a mi familia por hacer de m la persona que soy y por apoyarme

siempre en las decisiones que he tomado. En especial a mi madre, que siempre ha confiado en m y que

ha luchado incansablemente contra viento y marea para que mis hermanos y yo podamos optar a todas

las oportunidades que la vida nos ofrece. A mi padre y a mi abuelo Valentn que, aunque ya no estn con

nosotros, son mi luz y mi gua en el camino. Donde quiera que estis, mi meta en la vida es hacer que os

sintis orgullosos de mi.

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RESUMEN

El ciclo trmico natural de la clula y receptores en mdulos CPV (Concentrated PhotoVoltaic) es

considerado un punto dbil en la operacin de campo real de estos dispositivos, as como la fluctuacin

entre valores altos y bajos de niveles de irradiancia incidente en la clula, comnmente causadas por

nubes, produce un estrs termo-mecnico que puede ser motivo de fallo.

La normativa IEC 6218 ha tenido en cuenta esta serie de problemas a la hora de disear una norma de

calificacin y homologacin para mdulos CPV. En concreto, este proyecto se va a basar en el test

denominado "Thermal cycling test" que realiza un ciclo trmico en la base de la clula mientras se le

inyectan pulsos de corriente. Sin embargo, este mtodo produce un nivel de estrs un 50% menor que

el estrs real en condiciones nominales.

En este proyecto se disea e implementa la mquina LYSS (Light cYcling Stress Source) que trata de

realizar dos tipos de ciclos basados en el definido en la IEC 62108 con la variacin de utilizar pulsos de

luz directa a muy alta irradiancia focalizada en la parte activa de la clula en lugar de los pulsos de

corriente mencionados. Con este mtodo se pretende acelerar el proceso de degradacin en la clula demanera que en tan solo 2 meses se pueda producir la misma que en 30 aos de vida til de la clula.

En el primer tipo de ciclo la temperatura permanece constante durante la ejecucin de los pulsos de luz

y, en el segundo se realiza un ciclo trmico que vara entre una temperatura mnima y otra mxima

durante estos pulsos. Adems, se establece un criterio de fallo basado en la estimacin de la resistencia

serie de la clula a partir de los valores de su curva caracterstica IV en condiciones de oscuridad.

La metodologa del proyecto realizado consiste en realizar un estudio detallado para identificar los

componentes necesarios para construir la mquina, adquirirlos, llevar a cabo el montaje de stos para

que la mquina pueda implementar los ciclos diseados, realizar los experimentos necesarios para

caracterizar los diferentes dispositivos que componen la mquina, programar una aplicacin de control,monitorizacin y adquisicin de datos que comande la mquina, realizar una serie de pruebas basadas

en uno de los ciclos trmico-luminosos diseados a receptores solares de concentracin reales y, por

ltimo, observar la degradacin que se pudiera producirse en sta conforme aumenta el nmero de

ciclos realizados analizando su curva IV en condiciones de oscuridad y obteniendo conclusiones sobre la

fiabilidad de la clula y/o el receptor CPV.

PALABRAS CLAVE

Sistemas de concentracin fotovoltaica, receptores CPV, estrs trmico, estrs mecnico, degradacin,

fiabilidad, ciclo trmico, ciclo luminoso, IEC 62108

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NDICE

AGRADECIMIENTOS ....................................................................................................................... ............ i

RESUMEN ................................................................................................................................................. ii

NDICE DE FIGURAS ................................................................................................................................. vi

NDICE DE TABLAS .................................................................................................................................. xii

GLOSARIO .............................................................................................................................................. xiii

CAPTULO 1 : INTRODUCCIN ......................................................................... ............................................. 1

1.1 ESTADO DEL ARTE ............................................................ ................................................................... 3

1.2 OBJETIVOS DEL PROYECTO .................................................................... ............................................. 3

1.2.1 TIPOS DE CICLO A IMPLEMENTAR ...................... ................................................................... ........... 51.3 ESTRUCTURA DE LA MEMORIA .............................................................. ............................................. 7

CAPTULO 2 : FUNDAMENTOS DE CLULAS SOLARES Y CRITERIO DE FALLO ............................................... 9

2.1 INTRODUCCIN .......................................................................... ...................................................... 11

2.2 LA CLULA SOLAR ........................... .................................................................. ................................ 11

2.3 ESTRUCTURA DE LAS CLULAS SOLARES .............. .................................................................. .......... 11

2.5 MODELO ELCTRICO TERICO ............................. .................................................................. .......... 12

2.6 CARACTERSTICA I-V DE ILUMINACIN ....................................................................... ..................... 13

2.6.1 PARMETROS DE LA CURVA CARACTERSTICA DE LA CLULA ........................................................ 13

2.6.2 CURVA CARACTERSTICA EN OSCURIDAD ....................................................................................... 16

CAPTULO 3 : ESTRUCTURA DE LA MQUINA.................................................. ........................................... 19

3.1 DESCRIPCIN GENERAL .............................................................. ...................................................... 21

3.2 MDULO PTICO ...................................... .................................................................. ..................... 21

3.2.1 INTRODUCCIN ........................................................................ ...................................................... 21

3.2.2 LMPARA DE ARCO CORTO DE XENN .............................................. ............................................ 22

3.2.2.2 MODELO DE LMPARA ESCOGIDO Y PROBLEMAS ENCONTRADOS ............................................ 24

3.2.2.3 MEDIDA DE LA EXTENSIN ANGULAR DEL HAZ LUMINOSO DE LA LMPARA ............................ 34

3.2.3 ESPEJO FUERA DEL EJE (OFF-AXIS MIRROR) .................. ................................................................. 37

3.2 MDULO DE CONTROL DE TEMPERATURA ................................................................. ..................... 58

3.2.1 INTRODUCCIN ........................................................................ ...................................................... 58

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3.2.2 EFECTO PELTIER ............................................................. ................................................................. 58

3.2.3 MODELO ESCOGIDO ........................................... ................................................................... ......... 60

3.3 MDULO DE CONTROL Y ADQUISICIN DE DATOS ................................................................ .......... 63

3.3.1 INTRODUCCIN ........................................................................ ...................................................... 63

3.3.2 COMPACT DAQ ................................................... ................................................................... ......... 63

3.3.3 CONTROLADOR DEL ACTUADOR LINEAL........................ ................................................................. 67

3.3.4 CONTROLADOR DE LA PLACA ENFRIADORA ................................................................................... 69

3.3.5 MEDIDA CURVA IV EN OSCURIDAD ................................................................ ................................ 71

3.3.6 FUENTE DE ALIMENTACIN DE LA LMPARA DE ARCO DE XENN ............................................... 73

3.4 ESTRUCTURA FINAL .............................................. .................................................................. .......... 76CAPTULO 4 : DISEO DEL SOFTWARE ........................... .................................................................. .......... 81

4.1 INTRODUCCIN .......................................................................... ...................................................... 83

4.1.1 COMPATIBILIDAD DE LOS DISPOSITIVOS CON LABVIEW ................................................................ 83

4.2 MAIN .................................................................................................................. ............................... 87

4.2.1 PANEL FRONTAL............................................................. ................................................................. 87

4.2.2 ESTRUCTURA INTERNA ....................................... ................................................................... ......... 94

4.3 CONFIGURATION ................................................................................... ........................................... 97

4.3.1 PANEL FRONTAL............................................................. ................................................................. 97

4.3.2 ESTRUCTURA INTERNA ....................................... ................................................................... ....... 107

4.4 MONITORING AND CELL POSITION ADJUSTMENT ................................ ......................................... 107

4.4.1 PANEL FRONTAL....................................... .................................................................. ................... 107

4.4.2 ESTRUCTURA INTERNA ....................................... ................................................................... ....... 109

4.5 START SELECTED CYCLE ............................. .................................................................. ................... 111

4.5.1 DESCRIPCIN GENERAL ...................................... ................................................................... ....... 111

4.5.2 MEASUREMENT ........................................................................ .................................................... 112

4.5.3 CYCLING ......................................................................... ............................................................... 117

4.5.4 STOP.............................................................................................................................................. 123

CAPTULO 5 : PRUEBAS Y ANLISIS DE RESULTADOS .............................................................................. 125

5.1.INTRODUCCIN ................................................................................................ .............................. 127

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5.2 MONTAJE DE LAS CLULAS Y CONSIDERACIONES PREVIAS ............................................................ 128

5.3 TIPO DE CICLO LARGO REALIZADO .............................................................................. ................... 133

5.4 ESTADO INICIAL DE LAS CLULAS .......................................................... ......................................... 133

5.5 EVOLUCIN DE LA RESISTENCIA SERIE ................................................................................... ........ 136

CAPTULO 6 : CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO .................. ............................................................... 139

6.1 CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO.................... .................................................................. ........ 141

6.1.1 CONCLUSIONES .............................................................. ............................................................... 141

6.1.2 TRABAJO FUTURO .......................................................... ............................................................... 141

6.2 PUBLICACIN REALIZADA EN EL MARCO DE ESTE PROYECTO ....................................................... 142

BIBLIOGRAFA ....................................................................................... .................................................... 143ANEXO 1 : ESQUEMA GENERAL DE CONEXIONES........... .................................................................. ........ 147

ANEXO 2 : PANEL DE CONTROL MANUAL ....................................................... ......................................... 151

A2.1 DESCRIPCIN GENERAL ............................................................ .................................................... 153

A2.2 ESQUEMA DE CONEXIONES DEL PANEL DE CONTROL MANUAL .................................................. 154

PLIEGO DE CONDICIONES ........................................................... .............................................................. 157

PRESUPUESTO ................................................................ .................................................................. ........ 198

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NDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Esquema propuesto por la IEC 62108 en relacin a pruebas con ciclado trmico. ..................... 3

Figura 1.2 Diagrama de tiempos para el ciclo de tipo 1 ................................................................... ............ 5

Figura 1.3 Diagrama de tiempos para el ciclo de tipo 2 ................................................................... ............ 6

Figura 2.1 Estructura de una clula de silicio convencional ....................................................................... 11

Figura 2.2 Modelo elctrico terico de la clula solar ......................... ...................................................... 12

Figura 2.3 Circuito equivalente de una clula solar............................................................... ..................... 12

Figura 2.4 Caracterstica I-V de iluminacin .......................................................................... ..................... 13

Figura 2.5 Ilustracin de los efectos de las resistencias serie y paralelo sobre la caracterstica de

iluminacin de una clula solar ......................................................................................................... ......... 15

Figura 2.6 Ejemplo de una curva caracterstica de una clula solar en condiciones de oscuridad ............ 17

Figura 2.7 Curvas IV en oscuridad a 15C, 25C, 35C y 45C ........................................................... .......... 18

Figura 2.8 Curva IV en oscuridad a 25 C y 27 C. ....................................................................................... 18

Figura 3.1 Esquema general de la mquina LYSS ........... .................................................................. .......... 21

Figura 3.2 Espectro de una fuente de arco corto de xenn. ............................................................ .......... 22

Figura 3.3 Muestra la imagen de una lmpara de arco de xenn donde se pueden observar los dos

electrodos, nodo y ctodo, enfrentados y separados a una distancia especfica. ................................... 23

Figura 3.4 Muestra como un punto de luz en el foco del reflector parablico crea un haz de luz colimada

de aproximadamente el dimetro del reflector. ........................................................ ................................ 23

Figura 3.5 Fotografa del modelo de lmpara CL1000DF ..................................................... ...................... 24

Figura 3.6 Izquierda: Fotografa de la lmpara de arco corto de xenn acoplada al disipador y a la carcasa

(disipador aleteado ms cubierta de plstico). Derecha: Fotografa de la fuente de alimentacin de la

lmpara....................................................................................................................................................... 25

Figura 3.7 Esquema de potencias de entrada y salida de la lmpara de arco de xenn ............................ 25

Figura 3.8 Superior: fotografa del disipador de calor proporcionado por el fabricante acoplado a la

lmpara. Inferior: representacin de las aletas y sus variables para el clculo de rea mojada ............... 26

Figura 3.9 Curva caracterstica resultante de ventiladores acoplados en serie ......................................... 29

Figura 3.10 Ventilador modelo G2E108-AA01-50 adquirido ...................................................................... 29

Figura 3.11 Cono acoplado a la lmpara acabado en un ventilador de prueba para poder medir la presin

que ejerce el conjunto lmpara-cubierta de plstico-disipador ................................................................ 30

Figura 3.12 Esquema de medicin de la presin. La diferencia h determinar la presin ejercida. .......... 31

Figura 3.13 Ventilador centrfugo acoplado a la lmpara de arco de xenn.................................... .......... 32

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Figura 3.36 Grfica de la energa acumulada para una distancia del centro del espejo al foco de 177.8

mm ............................................................................................................................................................. 51

Figura 3.37 Representacin de medida de una corona en el perfil por coronas para la medida del tamao

del spot creado por el espejo fuera del eje ................................................................ ................................ 51

Figura 3.38 Perfil por coronas para una distancia del centro del espejo al foco de 177.8 mm. ...... .......... 52

Figura 3.39 Izquierda: Energa acumulada. Derecha: Perfil por coronas. Ambas para una distancia del

centro del espejo al foco de 192.8 mm. ........................................................................................... .......... 52

Figura 3.40 Izquierda: Energa acumulada. Derecha: Perfil por coronas. Ambas para una distancia del

centro del espejo al foco de 162.8 mm. ............................................................................................ ......... 53

Figura 3.41 Muestra los ngulos de llegada de los rayos a la clula situada a 90 con respecto al centro

del espejo. .................................................................................................................................................. 54

Figura 3.42 Representa los ngulos con los que llegarn los rayos de luz a la clula inclinando el espejo y

la lmpara 2.5............................................................................................................................................ 55

Figura 3.43 Esquema de simulacin. En realidad el SOE no est inclinado 2.5, sino que, como ya se

conoce, es toda la estructura de la lmpara y espejo la que se inclina. ..................................................... 56

Figura 3.44 Distribucin de intensidad angular para diferentes tamaos de ctodo, receptores y posicin

del cilindro. ............................................................................................ ..................................................... 56

Figura 3.45 Grfica que muestra el porcentaje de la luz de la lmpara que llega a la salida del SOE con

respecto al radio de entrada del propio SOE....... .................................................................. ..................... 57

Figura 3.46 Fotografa del secundario asociado al tipo de clula para las pruebas experimentales ......... 58

Figura 3.47 Circuito que muestra el efecto Peltier ................................................................ ..................... 59

Figura 3.48 Representacin de un mdulo Peltier. .................................................................................... 59

Figura 3.49 Fotografa de la placa enfriadora CP-200HT-TT junto a su fuente de alimentacin y

controlador .......................................................... ................................................................... .................... 60

Figura 3.50 Grfica de rendimiento de la placa enfriadora .............................................................. .......... 61

Figura 3.51 Recorrido de la transferencia de calor desde los mdulos Peltier hasta la lmina nueva a

acoplar ................................................................. ................................................................... .................... 61

Figura 3.52 Fotografa de la lmina acoplada a la que viene de fabrica en la placa enfriadora................. 62

Figura 3.53 Chasis NI cDAQ-9174 ............................................................................................................... 64

Figura 3.54 Esquema de terminales y conexiones del NI 9211 ........................................................ .......... 64

Figura 3.55 Circuito de entrada del NI 9211 ............................................................... ................................ 65

Figura 3.56 Esquema de terminales y conexiones del NI 9215 ........................................................ .......... 65

Figura 3.57 Esquema de terminales del mdulo NI 9375 ................................................................. .......... 66

viii


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Figura 3.58 Izquierda: esquema de conexiones de entradas digitales. Derecha: esquema de conexiones

de salidas digitales ........................................................... .................................................................. ......... 66

Figura 3.59 Esquema de terminales del mdulo NI 9263 ................................................................. .......... 67

Figura 3.60 Esquema de conexiones para conectar una carga a un canal del mdulo NI 9263 ................. 67

Figura 3.61 Actuador lineal adquirido junto con el controlador compatible. ............................................ 68

Figura 3.62 Circuito de medida de las curvas IV en oscuridad de cada clula .......... ................................. 72

Figura 3.63 Circuito de medida de la corriente para cada uno de los canales de medida (circuito

adaptador) ........................................................... ................................................................... .................... 72

Figura 3.64 Fuente de alimentacin de la lmpara de arco de xenn ............................................. .......... 74

Figura 3.65 Grfica de potencia de salida contra Iprog ......................................................... ..................... 75

Figura 3.66 Grfica de tensin de salida de la fuente contra Iprog........................... ................................. 76

Figura 3.67 Representacin del diseo externo de la estructura de soporte de la mquina LYSS ............ 77

Figura 3.68 Fotografa del aspecto externo real de la mquina LYSS ......................................................... 77

Figura 3.69 Interior de la mquina LYSS .......................................................... ........................................... 78

Figura 3.70 Interior de la caja de control y adquisicin de datos ............................................................... 79

Figura 3.71 Fotografa que muestra donde se encuentra instalado el bimetal de proteccin .................. 79

Figura 3.72 Detector de humo y ventiladores asociados a cada clula ...................................................... 80Figura 4.1 DAQmx Create Channel (AI-Voltage Basic) ........................................................... ..................... 83

Figura 4.2 DAQmx Start Task .................................................................................................. .................... 84

Figura 4.3 DAQmx Read (Analog DBL 1Chan 1Samp) ................................................................................. 84

Figura 4.4 DAQmx Write (Analog DBL 1Chan 1Samp) ................................................................................ 84

Figura 4.5 DAQmx Clear Task ..................................................................................................................... 84

Figura 4.6 MPUSBOpen ............................................................. ................................................................. 85

Figura 4.7 writeVelocityFirgelli .............................................................. ..................................................... 85

Figura 4.8 writeAccuracyFirgelli .......................... .................................................................. ..................... 85

Figura 4.9 writePositionFirgelli ............................................................. ...................................................... 85

Figura 4.10 readPositionFirgelli ............................................................. ..................................................... 85

Figura 4.11 Serial Port Config ........................................................................................................... .......... 86

Figura 4.12 RS-232 Communitation................................ .................................................................. .......... 86

Figura 4.13 Panel frontal de Main (VI principal) ......................................................... ................................ 87

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Figura 4.14 Men Cycling Parameters ............................................................. ........................................... 89

Figura 4.15 Men Dark IV curve ........................................................... ...................................................... 90

Figura 4.16 Men Plate Cycling. Temperatura captada por el termistor de referencia de la placa

enfriadora. ........................................................... ................................................................... .................... 91

Figura 4.17 Men Monitoring - Temperature individual graphs. Temperatura de la lmpara (Lamp), de la

placa enfriadora (Plate) y de las clulas 1 (Cell 1) y 2 (Cell 2) captadas por los termopares conectados al

mdulo NI 9211. .............................................................. .................................................................. ......... 92

Figura 4.18 Men Monitoring - Temperature aggregated graphs. Todas las seales de temperatura

procedente de los termopares del mdulo NI 9211 pintadas en una misma grfica ................................ 93

Figura 4.19 Men Monitoring - VOC& ISC. Tensin de circuito abierto (parte superior) y corriente de

cortocircuito (parte inferior) de las clulas 1 y 2. ................................................................... .................... 94

Figura 4.20 Bucle while que contiene una estructura de eventos (event structure) ................................. 94

Figura 4.21. Esquema de la adquisicin de datos de temperatura procedente de los 4 termopares

conectados al mdulo NI 9211 ............................................................. ...................................................... 95

Figura 4.22 Esquema de las funciones de LabVIEW utilizadas para escribir la Iprog (V) consigna en el

canal AO2. .................................................................................................................................................. 96

Figura 4.23 Esquema de las funciones de LabVIEW utilizadas para medir el estado de la lmpara .......... 96

Figura 4.24 Esquema de funciones utilizadas para leer la posicin actual del actuador lineal .................. 97

Figura 4.25 Esquema de las funciones utilizadas para representar la temperatura de la placa enfriadora

.................................................................. ................................................................... ............................... 97

Figura 4.26 Panel frontal del subVI Configuration..................... ................................................................. 98

Figura 4.27 Superior: Esquema de tiempos del ciclo 1. Inferior: Men Cycle 1 ....................................... 100

Figura 4.28 Superior: Esquema de tiempos del ciclo 2 . Inferior: Men Cycle 2 (Izquierda: Temperatures;

Derecha: Time). .............................................................. .................................................................. ........ 101

Figura 4.29 Men Log ................................................................................................. .............................. 102

Figura 4.30 Captura parcial del archivo Excel que almacena los valores de curva IV en oscuridad de

ambas clulas. ..................................................... .................................................................. ................... 103

Figura 4.31 Captura parcial del archivo Excel que almacena los eventos que se producen en tiempo real

dentro de la ejecucin de un determinado ciclo. .................................................................. ................... 104

Figura 4.32 Captura parcial del archivo Excel para almacenar las temperaturas de cada termopar ....... 104

Figura 4.33 Captura parcial del archivo Excel destinado a almacenar la posicin del actuador lineal una

vez que comienza el ciclado de luz. ................................................................. ......................................... 105

Figura 4.34 Captura parcial del archivo Excel destinado a almacenar las tensiones en circuito abierto de

cada clula. ................................................................................. .............................................................. 105

Figura 4.35 Men Channels ...................................................................................................................... 106

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Figura 4.36 Men Time Limit ................................................................ .................................................... 106

Figura 4.37 Men Adjusting ..................... .................................................................. .............................. 107

Figura 4.38 Ventana de error en el actuador lineal ............................................................... ................... 108

Figura 4.39 Men Cold Plate temperature monitoring ......................................................... ................... 109

Figura 4.40 Esquema de las funciones utilizadas para medir VOCe ISCde cada clula...................... ........ 110

Figura 4.41 Esquema de las funciones necesarias para enviar la orden de temperatura consigna a la

placa ......................................................................................................................................................... 110

Figura 4.42 Esquema de funciones que se utilizan para abrir y cerrar rels ............................................ 111

Figura 4.43 Esquema de funciones utilizadas para enviar la posicin deseada al actuador lineal........... 111

Figura 4.44 Esquema de funcionamiento del evento Start Selected Cycle .............................................. 112

Figura 4.45 Esquema simplificado de la mquina de estados del evento Start Selected Cycle ............... 112

Figura 4.47 Esquema de utilizacin del Express VI denominado = to within Tolerance.......................... 113

Figura 4.48 Esquema de medida de un punto en la curva IV en condiciones de oscuridad. ........... ........ 114

Figura 4.49 Esquema simplificado del proceso de polarizacin de la clula ............................................ 115

Figura 4.50 VI Linear Fit .................................................................................... ........................................ 116

Figura 4.51 Grfica que muestra la temperatura en cada clula en el momento en el que se realiza la

medida ................................................................. ................................................................... .................. 116Figura 4.52 Esquema de estados de la implementacin del Ciclo 1 ......................................................... 117

Figura 4.53 Esquema del proceso de movimiento del actuador a la posicin de la clula 1 ................... 118

Figura 4.54 Elapsed Time ........................................................... ............................................................... 118

Figura 4.55 Representacin de las medidas realizadas en un ciclo de luz ............................................... 119

Figura 4.56 Esquema de la mquina de estados para la realizacin del ciclo de tipo 2 ........................... 120

Figura 5.1 Receptor de las clulas a degradar por la mquina LYSS......................................................... 127

Figura 5.2 Montaje de las clulas junto al secundario diseado en la placa enfriadora .......................... 128

Figura 5.3 Grfica que representa la insolacin directa normal de un da nublado en Madrid en un

sistema CPV ............................................................................... ............................................................... 129

Figura 5.4 Grfica de estabilizacin de la VOC.................................................................................... ....... 130

Figura 5.5 Grfica de estabilizacin de la VOC aumentada ............................................................... ........ 130

Figura 5.6 Izquierda: circuito trmico equivalente. Derecha: evolucin de la temperatura durante el

ciclado de luz en la parte superior del substrato ............................................ ......................................... 131

Figura 5.7 Representacin de la colocacin del termopar de medida en cada una las clulas a testear 131

xi


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Figura 5.8 Esquema de colocacin del termopar asociado a la placa enfriadora .................................... 132

Figura 5.9 Fotografa que muestra la disposicin empleada del termopar asociado a la carcasa de la

lmpara y del bimetal de proteccin. .............................................................. ......................................... 132

Figura 5.10 Curva IV de la clula 1 en iluminacin inicial para una concentracin de 800X .................... 134

Figura 5.11 Curva IV en oscuridad inicial de la clula 1 ......................................................... ................... 134

Figura 5.12 Curva IV de la clula 2 en iluminacin inicial para una concentracin de 800X .................... 135

Figura 5.13 Curva IV en oscuridad inicial de la clula 2 ......................................................... ................... 136

Figura 5.14 Evolucin de la resistencia serie de la clula 1 en relacin con el nmero de ciclos de luz

realizados ................................................................................................................................................. 136

Figura 5.15 Evolucin de la resistencia serie de la clula 2 en relacin con el nmero de ciclos de luz

realizados ................................................................................................................................................. 137

NDICE DE TABLAS

Tabla 3.1 Longitud de la varilla con respecto a la longitud del brazo del actuador lineal .......................... 48

Tabla 3.2. Variacin de la potencia de salida de la fuente de alimentacin con respecto a la variable Iprog

.................................................................. ................................................................... ............................... 75

Tabla 4.1 Coeficientes utilizados para las distintas rampas de subida de temperatura con Tmin=20 C y

Tmax= 100 C........................................................................................................................... ............. ....121

Tabla 4.2 Coeficientes utilizados para las distintas rampas de bajada de temperatura ......................... .122

Tabla 5.1 Nmero de cadas de irradiancia en Madrid causadas por nubes......................................... ...129

xii


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GLOSARIO

C

CPV :Concentrated PhotoVoltaic

I

IEC : International Electrotechnical Commission

L

LYSS :Light cYcling Stress Source

P

PC : Personal Computer

PID : Proporcional Integral Derivativo

S

SOE :Secondary Optical Element

U

USB : Universal Serial Bus

V

VI : Virtual Instrument

xiii


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xiv


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CAPTULO 1 :INTRODUCCIN

1


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2


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1.1 ESTADO DEL ARTE

El ciclo trmico natural de la clula y receptores en mdulos CPV (Concentrated PhotoVoltaic) ha sido

considerado un posible punto dbil en la operacin de campo real. De la misma manera, existe la

sospecha de que el estrs termo-mecnico inducido por cargas repentinas de luz directa a altos niveles

de irradiancia seguidas de cadas de nivel, causadas comnmente por nubes, podra ser motivo de fallo.

Esta serie de problemas han sido tomados en cuenta por la primera normativa IEC 62108 Design

qualification and type approval de la Comisin Electrotcnica Internacional (IEC, por sus siglas en

ingls), que pretende crear una norma de calificacin y homologacin de mdulos CPV. En ella se

pueden encontrar numerosos tipos de pruebas de estrs de humedad, elctricas, etc.

Uno de los test implementados en este documento es el denominado " Thermal cycling test", el cual se

basa en inyectar pulsos de corriente, con una intensidad determinada, una vez que la base de la clula

alcanza una temperatura de 25C, mientras dicha temperatura sigue una pendiente de variacin

constante desde una temperatura mnima a otra mxima. Despus se mantiene un cierto tiempo en la

temperatura mxima para despus volver a caer hasta la mnima con una pendiente similar.

Figura 1.1 Esquema propuesto por la IEC 62108 en relacin a pruebas con ciclado trmico.

Sin embargo la implementacin de un tipo prueba acelerada con ciclado trmico para este tipo de

receptores no ha sido implementado con luz concentrada real en las clulas, cuando el mdulo est

dentro de la cmara de ciclado trmico.

El efecto trmico de la variacin de la irradiancia se simula en la norma IEC 62108 por polarizacin

directa de clulas, como ha podido observarse en la anterior figura. Sin embargo, este mtodo no llega a

convencer a los fabricantes de clulas y est actualmente limitado a 1,25 veces la intensidad de

corriente nominal. El nivel de estrs es menor que el 50% del estrs real en condiciones nominales, lo

que est an ms lejos de cualquier condicin de prueba acelerada.

1.2 OBJETIVOS DEL PROYECTO

El objetivo del proyecto es el diseo, construccin y puesta a punto de una mquina, denominada

mquina LYSS (Light cYcling Stress Source) a partir de ahora, que pretende, entre otras cosas, realizar

dos tipos de test basados en el ciclo trmico-luminoso que se ha descrito anteriormente, citado en la

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Time

Tem

perature

I=Itest

I=0

Tmax

-40C

Start from room temperature

Current

No electrical current when T < 25C

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normativa IEC 62108 y denominado "Thermal cycling test", cambiando la polarizacin directa de las

clulas por luz directa concentrada a muy alta irradiancia (del orden de los 1000 soles).

Los pasos clave que se desean realizar son los siguientes:

Diseo de la estructura de la mquina

Bsqueda y adquisicin de los diferentes dispositivos que se van a emplear para su

construccin

Diseo e implementacin del software de control y monitorizacin, as como el montaje de los

dispositivos

Pruebas de funcionamiento del sistema con receptores CPV reales y anlisis de resultados

El funcionamiento de la mquina LYSS se basa en proyectar el haz de luz colimado proveniente de una

lmpara capaz de emitir con una alta irradiancia a un espejo fuera del eje ( off-axis mirror) que es el

encargado de concentrar todos los rayos de luz que le llegan en un punto, que ser la parte activa de la

clula. Si no se consiguiera la concentracin deseada en la clula, sera necesario fabricar algn tipo de

elemento ptico secundario (SOE, Secondary Optical Element) adaptado al tipo de clula a testear.

Con el fin de testear dos clulas simultneamente, el haz se va a mover de una clula a otra para que

cuando una de ellas est en iluminacin, la otra est en oscuridad (simulando el paso de una nube que

oculta la luz del sol). Para ello ser necesario disear una estructura que permita mover el espejo fuera

del eje empleado de manera que se produzca el efecto deseado. Esta parte se llevar a cabo con la

ayuda de un actuador lineal.

Para poder llevar a cabo el ciclado trmico de ambas clulas ser necesario utilizar algn tipo de placa

enfriadora/calentadora, comandada por un ordenador, que sea capaz de mantener una temperatura

especfica de base de la clula en todo momento.

Teniendo por objetivo medir la degradacin que producirn estos tipos de test en la clula se va a medirla curva caracterstica de la clula en oscuridad, es decir, la curva IV en condiciones de oscuridad. Antes

y despus de cada ciclo se deber de almacenar dicha curva para poder realizar una comparativa entre

los parmetros caractersticos de cada una y as observar la degradacin que se haya producido.

En conclusin, el objetivo principal de la mquina LYSS es el de acelerar el proceso de degradacin en la

clula de manera que en tan solo 2 meses se produzca la misma degradacin que en 30 aos de vida

til.

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1.2.1 TIPOS DE CICLO A IMPLEMENTAR

Ciclo 1

El primer tipo de ciclo a implementar cumple el siguiente diagrama:

Figura 1.2 Diagrama de tiempos para el ciclo de tipo 1

Este tipo de ciclo realiza el ciclado de luz a una temperatura constante (ciclo trmico-luminoso) de base

de clula. En particular realiza los siguientes pasos:

1. Medida de la curva IV en condiciones de oscuridad de las clulas a una temperatura de medida

(Tmeasure) especifica.

2. Cuando se alcanza la temperatura fija de ciclo (Tcycle) se procede a realizar el ciclo trmico-

luminoso con un ciclo de trabajo de pulsos de luz determinado por las constantes de tiempo tON

y tOFF. Hay que tener en cuenta que cuando una clula se encuentra iluminada la otra se

encuentra sombreada.

3. Cuando se realizan todos los ciclos de luz (Ncycles) se procede a realizar la medida de la curva IV

en oscuridad de nuevo a la temperatura de medida.

Un ciclo largo (Large Cycle) se compone de una primera medida de curva IV en oscuridad, ms el

correspondiente ciclo trmico-luminoso, para finalmente acabar con otra medida de curva IV enoscuridad. Hay que tener en cuenta que la segunda medida de curva IV de un determinado ciclo largo

equivaldra a la primera medida del siguiente ciclo largo a llevar a cabo.

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Ciclo 2

El diagrama de tiempos del segundo tipo de ciclo es similar al diagrama proporcionado en la normativa

IEC 62108:

Figura 1.3 Diagrama de tiempos para el ciclo de tipo 2

En este tipo de ciclo la temperatura de la base de la clula vara desde una temperatura mnima ( Tmin)hasta una temperatura mxima (Tmax) con una determinada pendiente de subida y bajada (ciclo

trmico).

De manera similar al ciclo proporcionado en la normativa, cuando la temperatura de la base de la clula

es menor que una determinada temperatura umbral (Tth) no se realiza el ciclado de luz.

En resumidas cuentas, los pasos que se realizan en este tipo de ciclo son los siguientes:

1. Medida de la curva IV en oscuridad a la temperatura de medida (Tmeasure)

2. Cuando se alcanza la temperatura mnima especificada (Tmin) en la base de la clula se espera

un tiempo determinado (twait) a esa temperatura.3. Rampa de subida de temperatura desde Tmin hasta Tmax con una determinada pendiente, es

decir, comienza el ciclo trmico y cuando se alcanza la temperatura umbral (Tth) comienza el

ciclado de luz.

4. Cuando se alcanza la temperatura mxima sta se mantiene un tiempo especificado por el

usuario (tmax)

5. Rampa de bajada de temperatura desde Tmax hasta Tmin con una determinada pendiente.

Cuando se alcanza la temperatura umbral (Tth) se detiene el ciclado de luz.

6. Cuando se alcanza de nuevo la temperatura mnima termina el ciclo trmico y se procede a

realizar una nueva medida de curva IV en oscuridad a la temperatura de medida (Tmeasure).

Con la realizacin de estos dos tipos de ciclos basados en la normativa IEC 62108, el objetivo de lamquina LYSS es producir la misma degradacin que pueda sufrir una clula al cabo de 10 aos en tan

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slo unas semanas de test continuo. Es sin duda, un mtodo rpido y eficaz de medir la vida til de

cualquier tipo de clula.

1.3 ESTRUCTURA DE LA MEMORIA

La memoria se compone de 6 captulos que se describen a continuacin:

El primer captulo no es ms que una primera introduccin del proyecto. Se explica qu es lo que se

desea implementar con este proyecto, cmo se desea implementar y los motivos por los cuales se

decidi abarcarlo, as como la metodologa de trabajo a seguir para la consecucin del mismo.

En el segundo captulo se exponen los conceptos bsicos de caracterizacin de clulas solares, como la

curva IV tanto en iluminacin como en oscuridad y los diferentes parmetros que se pueden obtener de

las mismas, as como definir el criterio de fallo de las pruebas de estrs termo-mecnico a realizar por la

mquina.

El tercer captulo se dedica plenamente a explicar el diseo estructural y funcional de la mquina, as

como la realizacin de medidas experimentales de diferentes parmetros de los dispositivos que la

componen.

En primer lugar, se exponen los componentes que son necesarios para la construccin de la mquina y

se resumen las caractersticas principales de los que finalmente se han adquirido. Adems, se realizan

medidas experimentales de algunas caractersticas de varios de ellos para comprobar, entre otras cosas,

su eficiencia de funcionamiento y su efecto en los dems dispositivos de la mquina.

El cuarto captulo corresponde al desarrollo software de la aplicacin. En este captulo se explica la

programacin de la aplicacin implementada en LabVIEWasociada a la mquina. Se presenta mediantediagramas de flujo, imgenes de la aplicacin, sencillas explicaciones y justificaciones. Proporciona una

idea clara y concisa de las diferentes funciones programadas en cada bloque funcional.

El fin de este captulo es introducir al usuario en el funcionamiento interno del programa. De este modo,

ser capaz de utilizar todas las herramientas proporcionadas por la aplicacin para la configuracin y

realizacin de un determinado ciclo largo. Adems, mediante este captulo, el usuario es capaz de

conocer a fondo la estructura del programa, con lo que se facilita la tarea de incluir en un futuro nuevas

funcionalidades a la aplicacin.

En el quinto captulo se presentan los resultados obtenidos al realizar una serie de ciclos luminosos a

temperatura constante (Ciclo 1) a dos receptores solares CPV comerciales. En l se explica con detalletanto el montaje como la configuracin que se ha llevado a cabo, as como las conclusiones que se

pueden recoger de estas pruebas.

El sexto captulo recoge las principales conclusiones del proyecto realizado as como el posible trabajo

futuro a realizar. Adems, incluye la referencia del artculo de congreso publicado en el marco de este

proyecto.

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CAPTULO 2 :FUNDAMENTOS DE

CLULAS SOLARES Y

CRITERIO DE FALLO

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mantenerse, un campo elctrico dirigido de la regin na la reginp, que es el responsable, tambin de

separar los electrones y huecos extras que se producen cuando la clula est iluminada.

2.5 MODELO ELCTRICO TERICO

Figura 2.2 Modelo elctrico terico de la clula solar

En la figura anterior se muestra el modelo elctrico terico de este tipo de clulas donde la uninp-n es

representada por un diodo, cuyo comportamiento elctrico es conocido, y por una fuente de corrientedispuesta en paralelo que representa la corriente fotogenerada.

En este circuito se pueden aplicar las leyes de Kirchoff obteniendo la expresin que describe su

funcionamiento:

= () = 0 1

donde k es la constante de Boltzman , T es la temperatura absoluta de la unin, A es el coeficiente de

emisin con 1


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y su valor es tal que la fotocorriente queda completamente compensada por la corriente de

polarizacin. Esto es, = ( ), en condiciones de circuito abierto y, teniendo en cuenta la ecuacinbsica de caracterizacin de la clula, resulta:

=

ln

0+ 1

De esta manera la definicin de los dos parmetros de operacin anteriores permite escribir la

caracterstica de la clula de la siguiente manera alternativa:

= 1 ( La frmula es prcticamente cierta alrededor del circuito abierto, pero su validez para todo el rango de

funcionamiento es cuestionable porque los parmetros m e I0 de la ecuacin bsica son, en general,

variables con el punto de trabajo.

Punto de mxima potencia

Como ya se ha indicado con anterioridad, la regin de la curva caracterstica comprendida entre I SCy VOC

corresponde al funcionamiento de la clula como generador.

Si la energa se suministra a una carga resistiva, como se muestra en la Figura 2.4, la potencia entregada

a la resistencia viene dada por el producto P = I V, y existir un punto de funcionamiento (Im, Vm) para el

que la potencia entregada sea mxima: es el punto de mxima potencia. Los valores de Imy Vmpueden

obtenerse de la condicin de mximo:

= 0

0 =

(

)

=

+

que tambin puede escribirse como

= / que representa una condicin de mximo completamente general.

Factor de forma

El producto entre Imy Vmda la potencia mxima entregada a la carga y viene representado en la Figura

2.4 por el rea del rectngulo rayado, que es obviamente menor que la del rectngulo que representa el

producto de ISC y VOC. Ambos productos se aproximan ms cuanto ms pronunciado sea el codo de lacurva caracterstica. Pero naturalmente en todos los casos reales el parmetro definido por el cociente

= es siempre menor que la unidad. Este cociente, llamado factor de forma, suele utilizarse como

cuantificacin de la forma de la curva caracterstica. El factor de forma es un parmetro de gran utilidad

prctica, que vara poco de unos dispositivos a otros.

Haciendo uso de estas ecuaciones, la potencia mxima entregada por la clula puede escribirse como:

= 14


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Eficiencia de conversin energtica

Es un parmetro muy importante que se define como el cociente entre la mxima potencia elctrica que

se puede generar a la carga y la potencia de la radiacin incidente PLsobre el dispositivo:

= Naturalmente, esta eficiencia y la potencia mxima se obtienen nicamente si la resistencia de carga es

la adecuada, dada por Vm/ Im.

En estos apartados se han presentado expresiones que describen el comportamiento de clulas solares

ideales. A continuacin se ilustra cmo influyen los efectos de las resistencias representadas

anteriormente en la curva caracterstica.

Efectos de Rsy RSh

Los efectos de RSy RShsobre el comportamiento extrnseco de la clula quedan ilustrados en la figura en

la siguiente figura:

Figura 2.5 Ilustracin de los efectos de las resistencias serie y paralelo sobre la caracterstica de

iluminacin de una clula solar

Observando la figura anterior se puede afirmar que el efecto de la resistencia paralelo, cuando es

suficientemente pequea, es el de reducir la tensin de circuito abierto y el factor de forma, sin afectar

a la corriente de cortocircuito.

Una alta resistencia serie, por contra, reduce el factor de forma y la corriente de cortocircuito, sin

afectar a la tensin de circuito abierto. El efecto de esta resistencia sobre la degradacin del factor de

forma es muy importante ya que es determinante de un bajo rendimiento del dispositivo, sobre todo,

en aquellas clulas que trabajan con altos niveles de corriente debido a la iluminacin mediante luz

concentrada por medios pticos.

En el caso de la mquina LYSS se esperar obtener valores de RS crecientes de forma proporcional al

nmero de ciclos de luz inyectados a la parte activa de la clula.

Es relativamente sencillo calcular los parmetros anteriormente descritos cuando se tiene una curva

caracterstica en iluminacin. Debido a que la mquina medir esta caracterstica en oscuridad, ya que

es ms sencillo hacerlo en esas condiciones, es necesario conocer cmo es posible conocer la

degradacin que sufren esos parmetros observando su curva de oscuridad.

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2.6.2 CURVA CARACTERSTICA EN OSCURIDAD

Existen mecanismos para predecir la curva IV en iluminacin a partir de la curva tomada en oscuridad,

aunque en este dispositivo no ser del todo necesario utilizarlos en principio, ya que simplemente se

observar la variacin en la resistencia serie ,que previsiblemente aumentar con el nmero de ciclos.

Para ello es necesario explicar el procedimiento de clculo de esta resistencia.

En primer lugar, se asume que la relacin V-Ide una clula en condiciones de oscuridad y obviando el

efecto de la resistencia paralelo se puede expresar de la siguiente manera:

= 0 ( ) 1Diferenciando la ecuacin anterior se obtiene una expresin para la resistencia serie a partir de la curva

de oscuridad:

=

( + 0)

En general, esta ecuacin diferencial se resolvera por el mtodo de aproximaciones sucesivas, en el cual

habra que realizar dos derivadas (una por cada trmino diferencial de la ecuacin anterior) que se

definen como la pendiente de la recta de regresin en un entorno determinado del punto en cuestin.

Criterio de fallo y estimacin de resistencia serie

En primer lugar, se debe de establecer un criterio de fallo de fiabilidad de la clula que sea viable con la

ejecucin continua de los ciclos de estrs, y que ser dependiente del tipo de clula que se est

degradando.

Se decide basar el criterio de fallo en la variacin de la resistencia serie, ya que el efecto en la curva deoscuridad de sta es ms evidente en zona de altas corrientes. Como ya se conoce, un incremento en la

resistencia serie conlleva una disminucin del rendimiento de la clula, es decir, de la potencia

entregada por sta que tendr que ser debidamente estimada a partir del valor de la resistencia serie.

Por tanto, es necesario estimar el valor de la resistencia serie de la clula solar en cuestin con un

mtodo ms sencillo que el explicado anteriormente, para que el proceso de observar el fallo en el

dispositivo se realice de manera ms rpida.

Adems, es importante tener en cuenta que la resistencia serie es diferente en condiciones de

iluminacin que en condiciones de oscuridad, por ello siempre se calcular y se comparar en estas

condiciones.

En general una curva IV en oscuridad para una clula determinada adquiere una forma similar a la que

se muestra en la siguiente figura:

16


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Figura 2.6 Ejemplo de una curva caracterstica de una clula solar en condiciones de oscuridad

Teniendo en cuenta todo lo anterior, se establece un mtodo de estimacin de la resistencia serie

basado en calcular la pendiente de la curva en un rango de corrientes especfico [ Imin , Imax] , en el

ejemplo [1 , 1.2], que podr ser controlado por el usuario mediante software, ya que depender de las

caractersticas de las clulas a medir.

Para el clculo de la pendiente de la curva, se establecer la correspondencia entre los valores

correspondientes de I y Vque se encuentran dentro del rango de corrientes especificado por el usuario

y ,entonces, se calcular la pendiente de la lnea de tendencia (ajuste lineal) que pasa por esos puntosque dar lugar a la estimacin de la resistencia serie, siendo sta la inversa de dicha pendiente.

Como ya se conoce, antes y despus de cada ciclo de estrs se mide la curva IV en oscuridad de cada

clula. En el momento en que se observe una variacin de resistencia serie que supere el umbral de

fallo, se remover la clula en cuestin de la mquina y se medir su curva caracterstica en iluminacin

que ser comparada con la curva obtenida antes de realizar el proceso de degradacin para poder

obtener conclusiones sobre su comportamiento.

Temperatura de medida

Uno de los factores ms importantes que hay que tener en cuenta a la hora de medir las curvas en

oscuridad es la temperatura a la que la clula se encuentra en el momento de la medida. El aumento de

la temperatura de la clula provoca que tanto la VOC como el factor de forma disminuyan y hace que, en

general, el rendimiento disminuya tambin.

Sin embargo, tambin es de suma importancia tener en cuenta que para variaciones de temperatura de

2 o 3 C estos efectos son totalmente despreciables, es decir, una curva IV en condiciones de oscuridad

de una clula determinada a 25 C es prcticamente la misma curva tomada a una temperatura de 27 C,

por ejemplo. De hecho, la diferencia entre estas temperaturas se traduce como un desplazamiento del

"codo" de la curva en oscuridad, pero no modifica la pendiente de la recta de conduccin de la clula,

tal y como se puede observar en la siguiente figura:

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Figura 2.7 Curvas IV en oscuridad a 15C, 25C, 35Cy 45C

Se observa que la pendiente en la zona de conduccin es prcticamente la misma para las 4

temperaturas.

Para una diferencia de temperatura de 2 C se obtienen las siguientes curvas:

Figura 2.8 Curva IV en oscuridad a 25 Cy 27 C.

Se comprueba que las curvas son prcticamente idnticas a ambas temperaturas.

En resumen, la situacin ideal se da cuando la medida de este tipo de curvas se realiza a temperatura

constante, pero en la mquina LYSS siempre se tendrn dos o tres grados de variacin durante todo este

proceso de medida, tal y como se detallar en el captulo 4.

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CAPTULO 3 :ESTRUCTURA DE LA

MQUINA

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3.1 DESCRIPCIN GENERAL

La estructura general que se ha diseado para la mquina LYSS se muestra en la siguiente figura:

Figura 3.1 Esquema general de la mquina LYSS

La estructura de la mquina LYSS se puede descomponer en 3 mdulos diferenciados:

1) Mdulo ptico. Como su propio nombre indica, se compone de todos los elementos pticos queconforman el dispositivo: la lmpara de arco corto de xenn, el espejo fuera del eje (espejo off-axis, en

el esquema), las mscaras y elementos pticos secundarios. Estos elementos son los que se encargan de

producir la luz y guiarla hasta la parte activa de la clula con la mayor eficiencia de concentracin

posible.

2) Mdulo de control de temperatura. Este mdulo se compone de la placa enfriadora (Cold Plate), que

ser la encargada de llegar a y/o mantener la temperatura especfica en cada instante.

3) Mdulo de control y adquisicin de datos. Se compone de todos los elementos que adquieren y

generan seales de control y adquieren datos. En concreto est formado por el CompactDAQ con los

diferentes mdulos que lo componen, el controlador del actuador lineal que se encarga del movimientodel haz, rels de seleccin y de apagado remoto de fuentes de alimentacin y el controlador de la placa

enfriadora. Tambin est compuesto del circuito de medida de la curva IV en oscuridad de cada clula

as como el ordenador de control del software utilizado.

3.2 MDULO PTICO

3.2.1 INTRODUCCIN

Tal y como se ha especificado en la descripcin general este mdulo consta de los siguientes elementos:

1) Lmpara de arco de xenn

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2) Espejo fuera del eje (off-axis mirror)

3) Mscaras y elementos pticos secundarios

3.2.2 LMPARA DE ARCO CORTO DE XENN

3.2.2.1 DESCRIPCIN TERICA

3.2.2.1.1 CARACTERSTICAS GENERALES

Una lmpara de arco de xenn es un tipo especial de lmpara de descarga de gas en la cual al pasar

electricidad a travs de gas xenn ionizado a alta presin.

El tipo de lmpara de arco de xenn que se va a utilizar en la mquina LYSS produce luz de forma

continua. Al contrario que para los dems tipos de gases utilizados en lmparas de descarga, la lmpara

de arco de xenn produce un espectro muy largo y uniforme a travs de la regin espectral visible, con

un espectro total similar al del sol.

Figura 3.2 Espectro de una fuente de arco corto de xenn.

La temperatura de color de la luz que emite es de aproximadamente 6000K, que es similar tambin a la

temperatura de color del espectro solar.

Adems, este tipo de lmparas proporciona una salida con valores muy altos de irradiancia y luminancia

en comparacin con las dems fuentes de luz continua existentes. Sus caractersticas son similares a las

de una fuente puntual de luz ideal. Suelen ser ms estables y de larga vida til en comparacin con otras

lmparas de descarga.

3.2.2.1.2 GENERACIN DE LUZ

La generacin de la luz en este tipo de lmparas es posible gracias a la produccin por la fuente de

alimentacin de un potencial elctrico extremadamente alto , generalmente de unos 30.000 Voltios,que pasar por dos electrodos (nodo y ctodo) enfrentados el uno al otro a una distancia especfica y

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separados por gas xenn. Este potencial que pasa por los dos electrodos hace que se produzca un arco

que hace posible el enfoque de la luz con una precisin aceptable, como si fuera puntual. Una vez que

se produce este arco la generacin de luz es continua manteniendo un potencial mucho ms bajo que el

que lo produce mantenindose a baja tensin y con corriente controlada (comportamiento similar al de

un tiristor).

Figura 3.3 Muestra la imagen de una lmpara de arco de xenn donde se pueden observar los dos

electrodos, nodo y ctodo, enfrentados y separados a una distancia especfica.

3.2.2.1.3 REFLECTOR PARABLICO

En el esquema propuesto en la descripcin general de la mquina se observa que se requiere una fuente

de luz colimada. Para que esto sea posible es necesario acoplar un reflector parablico a la lmpara.

Este reflector tiene la funcin de reflejar los rayos provenientes del punto de luz creado por la lmparateniendo en cuenta que el arco se debe situar en el foco de la parbola para hacer posible que el haz de

rayos de salida sea colimado.

Figura 3.4 Muestra como un punto de luz en el foco del reflector parablico crea un haz de luz colimada

de aproximadamente el dimetro del reflector.

Tal y como se mostrar en el siguiente apartado, en la prctica este haz no ser del todo paralelo lo que

har que el tamao del spot incidente en la clula sea de mayor tamao que el esperado.

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3.2.2.2 MODELO DE LMPARA ESCOGIDO Y PROBLEMAS ENCONTRADOS

3.2.2.2.1 MODELO ESCOGIDO

En primer lugar, se procedi a un estudio exhaustivo de los diferentes proveedores de este tipo de

lmparas. El propsito era encontrar un modelo que incluyera lmpara y reflector parablico junto conuna carcasa (housing) compatible, fuente de alimentacin y ventilador de refrigeracin. Cuando se habla

de la carcasa de la lmpara se refiere al conjunto de un disipador de calor (construido con aletas, en

general) para refrigeracin de la lmpara y una cubierta de plstico u otro material.

Adems, es muy importante encontrar un tipo de lmpara que sea de capaz de proporcionar la potencia

que se requiere para alcanzar una densidad de potencia suficiente para realizar las pruebas.

El modelo final escogido fue CL1000DFfabricado por Luxtel llc. Es una empresa especialista en este tipo

de lmparas en la cual se puede escoger entre una gran variedad de potencias mximas entre un rango

de 150 W a 1000 W. Se escoge la de 1000 W elctricos ya que proporciona una potencia de hasta 250 W

luminosos en un ancho de banda de 350 a 1000 nm, aproximadamente.

El tamao del haz de rayos procede de una ventana de 2 pulgadas, es decir, 50.2 mm.

Figura 3.5 Fotografa del modelo de lmpara CL1000DF

Las principales caractersticas de esta lmpara a su potencia nominal de 1000 W son:

Salida de flujo radiante (Radiant Output)= 250 W

Salida visible (Visible Output)=24000 lmenes

Salida en el ultravioleta (UV Output) = 13 W

Salida en el infrarrojo (IR Output)=135 W Temperatura de color (Color Temperature) = 5050 K

Voltaje mnimo de encendido (Minimum Ignition Voltage)= 32 kV

Es necesario utilizar elementos pticos para concentrar toda esa potencia en un spot con el tamao

mnimo posible focalizando todos los rayos de luz en la parte activa de la clula. El encargado de realizar

dicha funcin va a ser un espejo fuera del eje de 90 que se describir ms adelante.

3.2.2.2.2 PROBLEMAS ENCONTRADOS

El principal problema que hubo que solventar fue que el proveedor no suministraba ningn tipo de

ventilador de refrigeracin, simplemente ofreca la posibilidad de adquirir la lmpara de arco de xenn yel reflector parablico as como la fuente de alimentacin y la carcasa compatible de plstico. Se deba

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proceder entonces al acoplamiento de algn tipo de ventilador para poder refrigerar la lmpara de una

manera correcta y sin peligro de sobrecalentamiento.

Figura 3.6 Izquierda: Fotografa de la lmpara de arco corto de xenn acoplada al disipador y a la

carcasa (disipador aleteado ms cubierta de plstico). Derecha: Fotografa de la fuente de alimentacin

de la lmpara

Para resolver este problema se realiz un estudio terico para conocer qu flujo de aire forzado es

necesario para poder refrigerar de forma eficiente la lmpara.

La primera decisin que se tom fue la de que el ventilador tomara aire desde el interior de la mquina

hacia el exterior, es decir, el ventilador toma aire fro del interior de la estructura de la mquina y lo

expulsa al exterior a mayor temperatura debido a que ste fluye por la superficie del disipador acoplado

a la lmpara. Adems, de esta manera se evita que entre aire sucio del exterior y se mantenga dentro de

la estructura, lo que podra traducirse en una disminucin de la eficiencia de refrigeracin de la lmpara

y de los dems aparatos.

Flujo de aire mnimo del ventilador

Para poder realizar una correcta refrigeracin se debe de calcular el flujo de aire mnimo que deber de

proporcionar el ventilador. Observando con detalle el disipador de calor proporcionado, se procede a la

estimacin del caudal necesario.

En primer lugar, es necesario conocer la cantidad de energa calorfica que va a desprender el disipador

de calor unido a la lmpara de arco de xenn adquirida.

Figura 3.7 Esquema de potencias de entrada y salida de la lmpara de arco de xenn

Como se puede observar en el esquema anterior, tenemos a la entrada una potencia elctrica de

1000 W continuos. Segn las especificaciones proporcionadas por Luxtel llc. de estos 1000 W, unos

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250 Wsern convertidos en potencia luminosa, con lo que podemos suponer que 750 W sern

convertidos en calor.

De este modo, segn la ley de enfriamiento de Newton, la tasa de transferencia de calor por conveccin

es:

(W) = Donde

= = = = 85 ; = 110 ; = 25 Es necesario realizar la suposicin de que en todos los puntos del disipador se tiene la misma

temperatura, es decir, es isotrmico.

Como puede observarse, para calcular el coeficiente que se necesita para una correcta refrigeracin sedebe calcular el rea mojada por al aire que fluye a travs del disipador.El disipador de calor se compone de dos piezas idnticas (una en el ctodo y otra en el nodo de la

lmpara) con un nmero determinado de aletas con espesor pequeo ms una con cierto grosor que no

se puede despreciar, como se observa en la siguiente figura.

Figura 3.8 Superior: fotografa del disipador de calor proporcionado por el fabricante acoplado a lalmpara. Inferior: representacin de las aletas y sus variables para el clculo de rea mojada

A

BP

26


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De la figura anterior se obtienen las siguientes variables:

= = 12 mm

=

= 1 mm

= = 30 mm = = 2 mm Cada pieza se compone del siguiente nmero de elementos:

- 86 aletas como las descritas anteriormente

- 2 aletas centrales con las mismas caractersticas que las anteriores pero con un grosor de 9

mm

- Superficie lateral del cilindro que tambin estar en contacto con el aire.

Cada aleta tiene dos caras que entran en contacto con el aire, por lo tanto, el rea mojada de cada una

de las 86 aletas descritas anteriormente sin tener en cuenta el grosor es:

= 2 _ = 2 = 2 12 mm 30 mm = 720 mm2Para las dos aletas centrales la ecuacin, suponiendo que las aletas son idnticas salvo por el grosor que

es mayor, es:

_ = + = 720 mm2 + 12 mm 9 mm = 828 mm2 El rea lateral del cilndro donde estn soldadas las aletas, que tambin influye en la refrigeracin de la

lmpara, es:

_

= 2

Donde

= = 35 mm = = 30 mmy entonces _ = 2 35 30 = 6597.34 mm2 6600 mm2 El rea mojada por el aire que fluye en el disipador ser el doble (ya que se compone de dos piezas

idnticas) de la suma del rea de las 86 aletas ms delgadas, la de las 2 aletas centrales y la de la

superficie lateral del cilindro. Se puede expresar con la siguiente frmula:

= 2 86 + 2 _ + _ = 2 (86 720 mm2 + 2 828 mm2 + 6600 mm2) = 140852 mm2

Con todo esto, el coeficiente h necesario es:

= 750 W141 103 m2 85 = 62.6 Wm2

El disipador de calor est preparado para utilizar ventiladores de 92 mm de dimetro que tendrn un

rea de:

= 2 = 462 = 6647.6 mm2 = 6.65 103m2 27


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Cuando se utiliza aire forzado, la correspondencia entre la velocidad del aire y el coeficiente de

transferencia de calor necesario es la que refleja a continuacin:

1 m s = 10 Wm

2 m s

= 15

W

m

Se puede estimar que para el coeficiente hnecesario se obtiene una velocidad del aire de:

= 62.6 Wm2 2 m s15

Wm2 = 8.3 m/s

Se quiere conocer ahora el flujo de aire que pasar entre las rendijas del disipador de calor, para ello

sabemos que la distancia entre aletas es de 2 mm y que el aire pasar entre aproximadamente 86

huecos de anchura 2 mm y de altura A. De manera que:

= = 2 mm = = 12 mm 2 mm = 24 mm2 = 2.4 105m2Con lo que queda un flujo de aire necesario de __ = 86 (m2) (m/s) 3600 sh

= 86 2.4 105m2 8.3 ms

3600 sh

= 62m3h

Se deber de obtener un flujo mayor que ese para al menos proporcionar una temperatura mxima de

110

.

Una vez conocido el flujo necesario se procedi a la bsqueda de proveedores que pudieran

proporcionarnos un ventilador de las siguientes caractersticas:

Dimetro = 92 mm

Flujo de aire 62mh

Material: todos los componentes de metal, para que pueda resistir mayor temperatura.

Cojinete: a bolas que proporciona una vida til de larga duracin y mejores caractersticas en

cuanto a la temperatura.

Finalmente, se procedi a la compra del modelo 3656 del fabricante ebmpapst que proporciona las

siguientes caractersticas:

Axial

Dimensiones = 92x92x38 mm

Flujo de aire = 75

Velocidad nominal = 2700 rpm

Cojinete a bolas

Rango de temperatura = -40 a 75 Material : todos los componentes de metal.

El acoplamiento de los dos ventiladores en serie nos permitir mejorar caractersticas de presin y

caudal, tal y como se muestra en la siguiente figura:

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Figura 3.9 Curva caracterstica resultante de ventiladores acoplados en serie

Se observa que para una presin constante se obtendr un mayor caudal de aire siempre y cuando el

acoplamiento sea correcto, aunque los resultados son prcticamente imperceptibles en la prctica.

Las sesiones de prueba del estrs que se van a llevar a cabo con este tipo de lmparas sern, en general,

de muy larga duracin (entre 10 y 12 horas), con lo cual es necesario estar completamente seguro de

que la refrigeracin es suficiente para no tener que interrumpir ningn ciclo antes de que ste se haya

completado, ya que si la temperatura de la lmpara superara los 75 C o comenzara a producirse humo

dentro de la estructura de la mquina, la lmpara se apagara y el ciclo quedara incompleto, debido a

los elementos de proteccin que se detallarn ms adelante.

Por todo esto, se procedi a sobredimensionar las caractersticas del ventilador en este aspecto,adquiriendo uno que sea capaz de ofrecer un flujo mucho mayor. El modelo escogido fue el G2E108-

AA01-50 del mismo fabricante que el anterior, ebmpapst. Se decidi utilizar los ventiladores axiales

3656 para expulsar aire caliente del interior de la mquina, tal y como se ver en el ltimo apartado de

este captulo.

Figura 3.10 Ventilador modelo G2E108-AA01-50 adquirido

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Tiene las siguientes caractersticas:

Centrfugo

Dimensiones compatibles con la carcasa de la lmpara de 10 mm de dimetro

Flujo de aire = 155m

h

Cojinete a bolas Mxima temperatura ambiente = 60 C

Material : aluminio

Cada de presin en la carcasa de la lmpara

La cada de presin al atravesar las aletas del disipador debe medirse para conocer en qu punto de la

curva de carga trabaja el ventilador. Como esta presin va a ser pequea se decidi medirla con una

columna de agua mediante un tubo en "U".

Se procedi a la realizacin del siguiente montaje:

Figura 3.11 Cono acoplado a la lmpara acabado en un ventilador de prueba para poder medir la presin

que ejerce el conjunto lmpara-cubierta de plstico-disipador

Se utiliz un ventilador axial de gran flujo para poder realizar el experimento. Dicho experimento

consiste en realizar un agujero en el cono de aluminio delgado que se puede observar en la figura

anterior de manera que entre un pequeo tubo transparente de plstico. Se inserta el tubo y se deja

bien sellado con silicona para que no exista ningn escape de aire y presin. A este tubo se le inserta

agua mediante una jeringuilla y se observa cmo se queda en equilibrio.

De esta manera cuando se ponga en marcha el ventilador, crear una diferencia de presin entre la

atmosfrica (el extremo del tubo que no est insertado en el cono) y el conjunto a medir, de modo que

el agua del tubo subir en uno de sus extremos, y esa diferencia medida en cm ser proporcional a la

presin en Pascales.

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Figura 3.12 Esquema de medicin de la presin. La diferencia h determinar la presin ejercida.

Al realizar el experimento se observa una diferencia de = 0.5 cmde modo que teniendo en cuenta1 Pascal = 0.01 cmde agua, se tiene una presin de

(Pascales) = (cm)0.01

cm de aguaPascal

=0.5 cm

0.01cm de agua

Pascal

= 50 Pascales

El ventilador de prueba acoplado proporciona una velocidad del aire a la entrada de la lmpara (medidacon un anemmetro) de valor de 5 m/s, ms o menos constante en toda su superficie.

Con el ventilador centrfugo acoplado a la carcasa de la lmpara, la velocidad del viento que ste

proporciona a su salida en media es de 10 m/s, lo que segn las curvas de presin proporcionadas por el

fabricante equivale a una cada de presin a vencer de unos 100 Pascales, lo que es coherente ya que

este ventilador proporciona el doble de velocidad del viento que el de prueba y por tanto, tambin

dobla la cada de presin.

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Figura 3.13 Ventilador centrfugo acoplado a la lmpara de arco de xenn

En conclusin, el ventilador escogido debera de ser totalmente vlido para una correcta refrigeracin

de la lmpara.

Ventilador

centrfugo

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Figura 3.15 Variacin de la temperatura en la carcasa de la lmpara, medida con un termopar tipo K a

una potencia de lmpara 800 W.

Como puede observarse en la anterior figura, la temperatura prcticamente se estabiliza antes de llegar

a los 55 C despus de que la lmpara lleve unos 25 minutos funcionando a 800 W. Todava se tendran

unos 20 C de margen hasta que acte el bimetal, y ms de 50 C hasta que la lmpara se estropeara.

Con este experimento se puede concluir que el ventilador acoplado es lo suficientemente potente, en

cuanto a flujo de aire extrado, para una correcta refrigeracin de la lmpara.

3.2.2.3 MEDIDA DE LA EXTENSIN ANGULAR DEL HAZ LUMINOSO DE LA LMPARA

Es de suma importancia conocer una serie de parmetros de la lmpara que van a ser determinantes a

la hora de poder concentrar la mxima cantidad de luz en la parte activa de la clula.

El parmetro ms importante, que es el que limita el tamao del spot de luz incidente en las clulas a

probar, es la extensin angular del haz luminoso de la lmpara, entendindose como tal la desviacin

mxima en los ngulos de los rayos de luz de salida de la lmpara. Si el haz procedente de sta fuera

perfectamente colimado se tendra una extensin angular de 0, lo que proporcionara el spot ms

pequeo posible en la clula, es decir, un spot de dimensiones casi nulas donde se concentrara toda la

potencia luminosa que sale de la lmpara y el espejo fuera del eje se encarga de concentrar en un

punto.

Para conocer la distribucin de luz a la salida de la lmpara, se utiliza una cmara CCD (Charge-Coupled

Device) colocada en un plano perpendicular a los rayos de luz. El objetivo de la cmara est situado en elpunto que corresponde al centro del espejo concentrador (espejo fuera del eje), donde se puede

suponer que se trabaja con ptica de campo cercano. La fotografa se captura con el diafragma de la

cmara totalmente cerrado y sta se encuentra enfocando al infinito.

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Figura 3.16 Esquema de posicionamiento de los elementos para calcular la extensin angular de la

lmpara

Se toman 3 fotografas: una con la cmara concntrica con la lmpara, otra desplazando sta a travs

del eje z hacia la izquierda y otra desplazndola hacia la derecha, tal y como se muestra en la siguiente

figura:

Figura 3.17 Captura que muestra la distribucin de luz con la cmara en tres posiciones diferentes

La imagen central corresponde a la situacin en la que la cmara CCD (Charge-Coupled Device) se

encuentra situada concntricamente con el eje de revolucin de lmpara. Las imgenes de la izquierda y

de la derecha corresponden con las situaciones en las que la cmara se ha desplazado a travs del eje z

(izquierda eje positivo, derecha eje negativo).

Con todos estos datos es posible representar el perfil de la distribucin de intensidad angular de

iluminacin con la cmara situada en la posicin central, que es la posicin donde se va a encontrar el

espejo concentrador, as como la energa acumulada en funcin del ngulo de incidencia de la luz y su

perfil por coronas.

Estos conceptos se explican a continuacin:

Energa acumulada

La imagen captada por la cmara se puede interpretar como una matriz de datos, donde stos son

numricos y representan valores de intensidad de pxel.

Es decir, la imagen se puede representar como una matriz (, ) en coordenadas cartesianasy (, )en cilndricas, donde cada punto representa el valor de un pxel.El valor de la imagen es proporcional a un diferencial de energa que llega al punto (, ) (, ) = 2 (, )

r (pxeles)

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La energa total que viene de la fuente es:

= 2 (, ) 200

siendo el radio total de la imagen.La energa acumulada se define como la energa circunscrita hasta un radio , es decir:

() = () = 2 (, ) 200 Perfil por coronas

La contribucin de cada corona circular de radio

a la energa total es

() = () donde

() = 2 (, ) =20 (, ) =20 () 2 () = () 2donde () 2representa la suma de todos los pxeles que estn a una distancia rdel centro y ()es el valor medio de los pxeles (, )para constante.Resultados

Figura 3.18 Izquierda: Energa acumulada. Derecha: perfil por coronas. Ambas para la posicin central.

Tal y como se indic anteriormente, la cmara enfoca al infinito, esto conlleva que la distancia entre

puntos medida en pxeles equivale a la distancia medida en grados de inclinacin mediante una

constante de conversin proporcionada por la cmara y que depende de la distancia focal utilizada. Es

decir, todos los pxeles situados a la misma distancia radial del centro del spot tienen el mismo valor

absoluto de inclinacin.

La energa acumulada representa la cantidad de energa circunscrita hasta un radio

determinado, o

sea, hasta una inclinacin de rayos determinada medida en grados.

r

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Sin embargo, el perfil por coronas representa la energa o potencia que contiene una corona con radio y espesor medidos en pxeles que se convierten, de nuevo, en grados.Cada punto de la curva contiene la suma de los valores de intensidad de los pxeles contenidos en la

corona de radio

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PFC Valentin FINAL.pdf