Conexión Serie, Paralelo y Serie-Paralelo de Paneles Solares

Configuración serie, paralelo y serie-paralelo de matrices fotovoltaicas

¿Qué es una matriz solar fotovoltaica?

Un Módulo Solar Fotovoltaico está disponible en un rango de 3 W_P a 300 W_P . Pero muchas veces, necesitamos potencia en un rango de kW a MW. Para lograr una potencia tan grande, necesitamos conectar una cantidad N de módulos en serie y en paralelo.

Una cadena de módulos fotovoltaicos

Cuando N-número de módulos fotovoltaicos están conectados en serie. La cadena completa de módulos conectados en serie se conoce como cadena de módulos fotovoltaicos. Los módulos están conectados en serie para aumentar el voltaje en el sistema. La siguiente figura muestra un esquema de módulos fotovoltaicos conectados en serie, en paralelo y en serie en paralelo.

Matriz de módulos fotovoltaicos

Para aumentar el número N actual de módulos fotovoltaicos conectados en paralelo. Tal conexión de módulos en una combinación en serie y en paralelo se conoce como "Conjunto de módulos fotovoltaicos solares" o "Conjunto de módulos fotovoltaicos". En la figura siguiente se muestra un esquema de un conjunto de módulos fotovoltaicos solares conectados en una configuración en serie-paralelo.

Célula de módulo solar:

La celda solar es un dispositivo de dos terminales. Uno es positivo (ánodo) y el otro es negativo (cátodo). Una disposición de células solares se conoce como módulo solar o panel solar, donde la disposición de paneles solares se conoce como matriz fotovoltaica.

Es importante tener en cuenta que con el aumento de la conexión en serie y en paralelo de los módulos, también se agrega la potencia de los módulos.

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Conexión de Módulos en Serie

A veces, el voltaje del sistema requerido para una planta de energía es mucho más alto que lo que puede producir un solo módulo fotovoltaico. En tales casos, N-número de módulos fotovoltaicos se conectan en serie para entregar el nivel de voltaje requerido. Esta conexión en serie de los módulos fotovoltaicos es similar a la de las conexiones de N número de celdas en un módulo para obtener el nivel de voltaje requerido. La siguiente figura muestra paneles fotovoltaicos conectados en configuración en serie.

Con esta conexión en serie, no solo aumenta el voltaje sino también la potencia generada por el módulo. Para lograr esto, el terminal negativo de un módulo se conecta al terminal positivo del otro módulo.

Si un módulo tiene un voltaje de circuito abierto V_OC1 de 20 V y otro conectado en serie tiene V_OC2 de 20 V, entonces el circuito abierto total de la cadena es la suma de dos voltajes

V_OC =V_OC1 + V_OC2

V_OC =20 V + 20 V =40 V

Es importante tener en cuenta que la suma de los voltajes en el punto de máxima potencia también se aplica en el caso de la matriz fotovoltaica.

Cálculo del Número de Módulos Requeridos en Serie y su Potencia Total

Para calcular la cantidad de módulos fotovoltaicos que se conectarán en serie, se debe proporcionar el voltaje requerido de la matriz fotovoltaica. También veremos la potencia total generada por el conjunto fotovoltaico. Tenga en cuenta que todos los módulos son idénticos y tienen los mismos parámetros de módulo.

Paso 1: Tenga en cuenta el requisito de voltaje de la matriz fotovoltaica

Dado que tenemos que conectar N-número de módulos en serie, debemos saber el voltaje requerido de la matriz fotovoltaica

• Voltaje de circuito abierto del campo fotovoltaico V_OCA
• Voltaje del conjunto fotovoltaico en el punto de máxima potencia V_MA

Paso 2: Tenga en cuenta los parámetros del módulo fotovoltaico que se conectará en la cadena en serie

Parámetros del módulo fotovoltaico como corriente y voltaje en el punto de máxima potencia y otros parámetros como V_OC , Yo_SC, y P_M también debe tenerse en cuenta.

Paso 3: Calcular el número de módulos a conectar en serie

Para calcular el número de módulos "N", el voltaje total del conjunto se divide por el voltaje del módulo individual. Dado que se supone que el módulo fotovoltaico funciona bajo STC, la relación del voltaje del conjunto en el punto de máxima potencia V_MA a la tensión del módulo en el punto de máxima potencia V_M se toma.

También se puede realizar un cálculo similar para el voltaje de circuito abierto de PV, es decir, la relación del voltaje del conjunto en el circuito abierto V_OCA al voltaje del módulo en circuito abierto V_OC . Tenga en cuenta que el valor de "N" puede no ser un número entero, por lo que debemos tomar el siguiente número entero más alto y, por lo tanto, el valor de V_MA y V_OCA también aumentará de lo que deseábamos.

Paso 4: Cálculo de la potencia total del campo fotovoltaico

La potencia total del conjunto fotovoltaico es la suma de la potencia máxima de los módulos individuales conectados en serie. Si P_M es la potencia máxima de un solo módulo y “N” es el número de módulos conectados en serie, entonces la potencia total del conjunto fotovoltaico P_MA es N × P_M .

También podemos calcular la potencia del conjunto mediante el producto del voltaje y la corriente del conjunto fotovoltaico en el punto de máxima potencia, es decir,

V_MA × YO_MA

Ejemplo:

Ahora para entender estos pasos de una manera más matemática. Tomemos un ejemplo de una planta de energía de 2 MW, en la que una gran cantidad de módulos fotovoltaicos están conectados en serie. El inversor de 2 MW puede tomar tensión de entrada de 600 V a 900 V.

Determine la cantidad de módulos que se conectarán en serie para obtener un voltaje de punto de potencia máxima de 800 V. También determine la potencia entregada por este arreglo fotovoltaico. Los parámetros del módulo fotovoltaico único son los siguientes;

• Tensión de circuito abierto V_OC =35 V
• Tensión en el punto de máxima potencia V_M =29 V
• Corriente de cortocircuito I_SC =7,2 A
• Corriente en el punto de máxima potencia I_M =6,4A

Paso 1: Tenga en cuenta el requisito de voltaje de la matriz fotovoltaica

• Voltaje de circuito abierto del campo fotovoltaico V_OCA =No proporcionado
• Voltaje del conjunto fotovoltaico en el punto de máxima potencia V_MA =800 V

Paso 2: Tenga en cuenta los parámetros del módulo fotovoltaico que se conectará en la cadena en serie

Tensión de circuito abierto V_OC =35 V

Tensión en el punto de máxima potencia V_M =29 V

Corriente de cortocircuito I_SC =7,2 A

Corriente en el punto de máxima potencia I_M =6,4 A

Potencia Máxima P_M

P_M =V_M x yo_M

=29 V x 6,4 A

P_M =185,6W

Paso 3: Calcular el número de módulos a conectar en serie

N =V_MA / V_M

N =800 / 29

N =27,58 (Valor entero superior 28)

Toma 28 módulos de valor entero más alto. Debido al valor entero más alto de N, el valor de V_MA y V_OCA también aumentará.

V_MA =V_M × N

=29 × 28

=812 V

Paso 4: Cálculo de la potencia total del campo fotovoltaico

P_MA =N × P_M

=28 × 185,6

=5196,8 W

Por lo tanto, necesitamos 28 módulos fotovoltaicos para conectarlos en serie que tenga una potencia total de 5196,8 W para obtener la tensión máxima deseada del campo fotovoltaico de 800 V.

Discordancia en los módulos fotovoltaicos conectados en serie

La potencia máxima en el módulo fotovoltaico es el producto del voltaje y la corriente a la potencia máxima. Cuando los módulos no están conectados en serie, la potencia producida por un módulo individual es diferente. Tome el ejemplo de la tabla 1 que se muestra a continuación.

Tabla 1

Módulos	VM en voltios	YoM en amperios	PM en vatios
Módulo A	16	4.1	65,6
Módulo B	15,5	4.1	63,55
Módulo C	15.3	4.1	62,73
Total	En serie =46,8	En serie =4.1	191,88

Si los tres módulos de la tabla 1 están conectados en serie, se suma su voltaje pero la corriente permanece igual considerando que todos los módulos son idénticos y tienen el mismo valor de I_M =4,1 A.

La diferencia en los voltajes de los módulos A, B y C conectados en serie no resulta en la pérdida de energía producida por el conjunto de módulos fotovoltaicos considerando que todos los módulos están idéntico que tiene el mismo valor de I_M =4,1 A.

Pero si la capacidad de producción de corriente de los módulos conectados en serie no es idéntica, entonces la corriente que fluye a través de los módulos fotovoltaicos conectados en serie será igual a la corriente más baja producida por un módulo. en la cuerda. Tome una tabla de ejemplo 2 dada a continuación.

Tabla 2

Módulos	VM en voltios	YoM en amperios	PM en vatios
Módulo A	16	4.1	65,6
Módulo B	15,5	3.2	49,6
Módulo C	15.3	4.1	62,73
Total	En serie =46,8	En serie =3.2	177,93

Si todos los módulos de la tabla 2 están conectados en serie, la corriente que fluye a través de los módulos conectados en serie está determinada por el módulo con la corriente más baja. En este caso, el módulo B tiene la corriente más baja de 3,2 A en comparación con los módulos A y C.

Entonces, la corriente que fluye a través de estos tres módulos conectados en serie es de 3,2 A. Ahora compare las tablas 1 y 2 y la potencia total producida por ambos. Debido a los módulos de corriente no idénticos de la tabla 2, la potencia total producida es de 177,93 W, que es menor que la potencia total producida por los módulos de la tabla 1, es decir, 191,88 W.

Podemos ver que debido a la falta de coincidencia en la corriente, la potencia de salida producida por los módulos conectados en serie se ve muy afectada. Por lo tanto, en la conexión en serie de los módulos, la falta de coincidencia en el voltaje no es un problema, pero la falta de coincidencia en la corriente da como resultado una pérdida de energía. Por lo tanto, los módulos con diferentes valores nominales de corriente no deben conectarse en serie.

Conexión de módulos en paralelo

A veces, para aumentar la potencia del sistema solar fotovoltaico, en lugar de aumentar el voltaje conectando módulos en serie, la corriente aumenta conectando módulos en paralelo. La corriente en la combinación en paralelo de la matriz de módulos fotovoltaicos es la suma de las corrientes individuales de los módulos.

El voltaje en la combinación en paralelo de los módulos sigue siendo el mismo que el voltaje individual del módulo considerando que todos los módulos tienen el mismo voltaje.

La combinación en paralelo se logra conectando el terminal positivo de un módulo al terminal positivo del siguiente módulo y el terminal negativo al terminal negativo del siguiente módulo como se muestra a continuación figura. La siguiente figura muestra paneles solares conectados en configuración paralela.

Si el actual I_M1 es la corriente máxima del punto de potencia de un módulo e I_M2 es la corriente máxima del punto de potencia de otro módulo, entonces la corriente total del módulo conectado en paralelo será I_M1 + I_M2 . Si seguimos añadiendo módulos en paralelo la corriente sigue sumando. También es aplicable para corriente de cortocircuito Isc.

Cálculo del Número de Módulos Requeridos en Paralelo y su Potencia Total

Para calcular el número de módulos fotovoltaicos que se conectarán en paralelo, se debe proporcionar la corriente requerida del conjunto fotovoltaico. También veremos la potencia total generada por el conjunto fotovoltaico. Tenga en cuenta que todos los módulos son idénticos y tienen los mismos parámetros de módulo.

Paso 1: Tenga en cuenta el requisito actual de la matriz PV

Dado que tenemos que conectar N-número de módulos en paralelo, debemos saber la corriente requerida de la matriz fotovoltaica

• Corriente de cortocircuito del campo fotovoltaico I_SCA
• Corriente del conjunto fotovoltaico en el punto de máxima potencia I_MA

Paso 2: Tenga en cuenta los parámetros del módulo fotovoltaico que se conectará en paralelo

Parámetros del módulo fotovoltaico como corriente y voltaje en el punto de máxima potencia y otros parámetros como V_OC , Yo_SC, y P_M también debe tenerse en cuenta.

Paso 3: Calcular el número de módulos a conectar en paralelo

Para calcular el número de módulos N, la corriente total del conjunto se divide por la corriente de un módulo individual. Dado que se supone que el módulo fotovoltaico está funcionando bajo STC, la relación de la corriente del conjunto en el punto de máxima potencia I_MA a la corriente del módulo en el punto de máxima potencia I_M se toma.

También se puede realizar un cálculo similar para la corriente de cortocircuito de PV, es decir, la relación de la corriente de cortocircuito de la matriz I_SCA al módulo corriente de cortocircuito I_SC .

Tenga en cuenta que el valor de N puede no ser un número entero, por lo que debemos tomar el siguiente número entero más alto y, por lo tanto, el valor de I_MA y yo_SCA también aumentará de lo que deseábamos.

Paso 4: Cálculo de la potencia total del campo fotovoltaico

La potencia total del conjunto fotovoltaico es la suma de la potencia máxima de los módulos individuales conectados en paralelo. Si P_M es la potencia máxima de un solo módulo y “N” es el número de módulos conectados en paralelo, entonces la potencia total del campo fotovoltaico P_MA es N × P_M . también podemos calcular la potencia del conjunto mediante el producto del voltaje y la corriente del conjunto fotovoltaico en el punto de máxima potencia, es decir, V_MA × YO_MA .

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Ejemplo:

Pongamos un ejemplo, calculemos el número de módulos necesarios en paralelo para obtener la corriente de punto de máxima potencia I_MA de 40 A. El requisito de voltaje del sistema es de 14 V. Los parámetros del módulo fotovoltaico individual son los siguientes:

• Tensión de circuito abierto V_OC =18 V
• Tensión en el punto de máxima potencia V_M =14 V
• Corriente de cortocircuito I_SC =6,5 A
• Corriente en el punto de máxima potencia I_M =6A

Paso 1: Tenga en cuenta el requisito actual de la matriz PV

• Corriente de cortocircuito del campo fotovoltaico I_SCA =No proporcionado
• Corriente del conjunto fotovoltaico en el punto de máxima potencia I_MA =40A

Paso 2: Tenga en cuenta los parámetros del módulo fotovoltaico que se conectará en paralelo

Tensión de circuito abierto V_OC =18 V

Tensión en el punto de máxima potencia V_M =14 V

Corriente de cortocircuito I_SC =6,5 A

Corriente en el punto de máxima potencia I_M =6 A

Potencia Máxima:

P_M =V_M x yo_M

P_M =14V x 6A

P_M =84W

Paso 3: Calcular el número de módulos a conectar en paralelo

N =YO_MA / Yo_M

=40 / 6

N =6,66 (valor entero superior 7)

Toma 7 módulos de valor entero más alto. Debido al valor entero más alto de N, el valor de I_MA y yo_SCA también aumentará.

YO_MA =Yo_M × norte

=6 × 7

YO_MA =42A

Paso 4:Cálculo de la potencia total del conjunto fotovoltaico

P_MA =N × P_M

=7 × 84

P_MA =588W

Por lo tanto, necesitamos conectar 7 módulos fotovoltaicos en paralelo con una potencia total de 588 W para obtener la corriente máxima deseada del campo fotovoltaico de 40 A.

Discordancia en módulos fotovoltaicos conectados en paralelo

En una conexión en paralelo, la falta de coincidencia en la corriente no es un problema, pero la falta de coincidencia en el voltaje es un problema. En módulos conectados en paralelo, el voltaje seguirá siendo el mismo si los módulos tienen clasificaciones de voltaje idénticas.

Pero si la clasificación de voltaje de los módulos conectados en paralelo es diferente, entonces el voltaje del sistema está determinado por el módulo que tiene la clasificación de voltaje más baja que resulta en la pérdida de energía.

El efecto del desajuste de voltaje no es tan grave como el desajuste de corriente, pero se debe tener cuidado al elegir los módulos. Se recomienda que se prefieran los módulos combinados en serie de la misma corriente nominal y los módulos combinados en paralelo de la misma tensión nominal.

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Serie – Conexión de Módulos en Paralelo – Combinación Mixta

Cuando necesitamos generar una gran potencia en un rango de gigavatios para grandes plantas de sistemas fotovoltaicos, necesitamos conectar módulos en serie y en paralelo. Primero, en las grandes plantas fotovoltaicas, los módulos se conectan en serie, lo que se conoce como "cadena de módulos fotovoltaicos" para obtener el nivel de voltaje requerido.

Luego, muchas cadenas de este tipo se conectan en paralelo para obtener el nivel de corriente requerido para el sistema. Las siguientes figuras muestran la conexión de los módulos en serie y en paralelo. Para simplificar esto, eche un vistazo a la derecha en la siguiente figura.

El módulo 1 y el módulo 2 están conectados en serie, llamémoslo la cadena 1. El voltaje de circuito abierto de la cadena 1 V_OC1 se agrega, es decir,

V_OC1 =V_OC + V_OC =2V_OC

Mientras que la corriente de cortocircuito de la cadena 1 I_SC1 es lo mismo, es decir,

Yo_SC1 =Yo_SC

Al igual que la cadena 1, los módulos 3 y 4 forman la cadena 2. El voltaje de circuito abierto de la cadena 2 V_OC2 se agrega, es decir,

V_OC2 =V_OC + V_OC =2V_OC

Mientras que la corriente de cortocircuito de la cadena 2 I_SC2 es lo mismo, es decir,

Yo_SC2 =Yo_SC

Ahora la cadena 1 y la cadena 2 están conectadas en paralelo, en ninguna parte el voltaje permanece igual, pero se agrega la corriente, es decir, el voltaje de circuito abierto de la matriz de módulos fotovoltaicos

V_OCA =V_OC1 =V_OC2 =2V_OC

Y corriente de cortocircuito de la matriz de módulos fotovoltaicos

Yo_SCA =Yo_SC1 + yo_SC2 =Yo_SC + yo_SC =2I_SC

El mismo cálculo se aplica para el voltaje y la corriente en el PowerPoint máximo.

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Cálculo del Número de Módulos Requeridos en Serie – Paralelo, y su Potencia Total

Aquí para el cálculo del número de módulos necesarios en serie y paralelo, y potencia hemos asumido que todos los módulos tienen parámetros idénticos. Tenga en cuenta que;

• N_S =Número de módulos en serie
• N_P =Número de módulos en paralelo

Paso 1: Tenga en cuenta los requisitos de corriente, voltaje y potencia del conjunto fotovoltaico

• Potencia del conjunto fotovoltaico P_MA
• Voltaje del conjunto fotovoltaico en el punto de máxima potencia V_MA
• Corriente del conjunto fotovoltaico en el punto de máxima potencia I_MA

Paso 2: Tenga en cuenta los parámetros del módulo fotovoltaico

Parámetros del módulo fotovoltaico como corriente y voltaje en el punto de máxima potencia y otros parámetros como V_OC , Yo_SC, y P_M también debe tenerse en cuenta.

Paso 3: Calcular el número de módulos a conectar en serie y en paralelo

Para calcular el número de módulos en serie N_s el voltaje total del conjunto se divide por el voltaje de un módulo individual. Dado que se supone que el módulo fotovoltaico está funcionando bajo STC, la relación del voltaje del conjunto en el punto de máxima potencia V_MA a la tensión del módulo en el punto de máxima potencia V_M se toma.

Del mismo modo, para calcular el número de módulos en paralelo N_p la corriente total del conjunto se divide por la corriente de un módulo individual. Dado que se supone que el módulo fotovoltaico está funcionando bajo STC, la relación de la corriente del conjunto en el punto de máxima potencia I_MA a la corriente del módulo en el punto de máxima potencia I_M se toma.

Se pueden realizar cálculos similares para el voltaje de circuito abierto y la corriente de cortocircuito. Tenga en cuenta que el valor de N_s y N_P puede ser un número no entero, por lo que tenemos que tomar el siguiente número entero más alto y, por lo tanto, el valor de I_MA , Yo_SCA , V_MA y V_OCA también aumentará de lo que deseábamos.

Paso 4: Cálculo de la potencia total del campo fotovoltaico

La potencia total del conjunto fotovoltaico es la suma de la potencia máxima de los módulos individuales conectados en serie y en paralelo.

Si P_M es la potencia máxima de un solo módulo, y N_S es el número de módulos conectados en serie y N_P es el número de módulos conectados en paralelo, luego la potencia total del conjunto fotovoltaico

P_MA =N_P × N_S × P_M

También podemos calcular la potencia del conjunto mediante el producto del voltaje y la corriente del conjunto fotovoltaico en el punto de máxima potencia, es decir,

V_MA × YO_MA

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Ejemplo:

Ahora tomemos un ejemplo para la mezcla – combinación. Tenemos que determinar la cantidad de módulos necesarios para un conjunto fotovoltaico que tenga los siguientes parámetros:

• Potencia de matriz P_MA =40 KW
• Voltaje en el punto de máxima potencia del arreglo V_MA =400 V
• Corriente en el punto de máxima potencia de la matriz I_MA =100 A
• El módulo para el diseño de la matriz tiene los siguientes parámetros;
• Tensión en el punto de máxima potencia del módulo V_M =70 V
• Corriente en el punto de máxima potencia del módulo I_M =17 A

Paso 1: Tenga en cuenta los requisitos de corriente, voltaje y potencia del conjunto fotovoltaico

• Potencia del conjunto fotovoltaico P_MA =40 KW
• Voltaje del conjunto fotovoltaico en el punto de máxima potencia V_MA =400 V
• Corriente del conjunto fotovoltaico en el punto de máxima potencia I_MA =100 A

Paso 2: Tenga en cuenta los parámetros del módulo fotovoltaico

Tensión en el punto de máxima potencia del módulo V_M =70 V

Corriente en el punto de máxima potencia del módulo I_M =17 A

Potencia máxima P_M :

P_M =V_M x yo_M

P_M =70V x 17A

P_M =1190W

Paso 3: Calcular el número de módulos a conectar en serie y en paralelo

N_S =V_MA / V_M

N_S =400 / 70

N_S =5,71 (valor entero superior 6)

Toma 6 módulos de valor entero más alto. Debido al valor entero más alto de N_S , el valor de V_MA y V_OCA también aumentará.

V_MA =V_M × N_S

=70 × 6

V_MA =420 V

Ahora,

N_P =YO_MA / Yo_M

N_P =100 / 17

N_P =5,88 (valor entero superior 6)

Toma 6 módulos de valor entero más alto. Debido al valor entero más alto de N_P , el valor de I_MA y yo_SCA también aumentará.

Yo_MA =Yo_M × N_P

YO_MA =17 × 6

YO_MA =102 A

Paso 4: Cálculo de la potencia total del campo fotovoltaico

P_MA =N_S × N_P × P_M

=6 × 6 × 1190

P_MA =42840W

Por lo tanto, necesitamos 36 módulos fotovoltaicos . Una cadena de seis módulos conectados en serie y seis de esas cadenas conectadas en paralelo, con una potencia total de 42840 W para obtener la corriente máxima deseada del conjunto fotovoltaico de 100 A y el voltaje de 400 V.

Tenga en cuenta que, debido al valor entero más alto de 6, la corriente y el voltaje máximos del conjunto de elementos fotovoltaicos son 102 A y 420 V, respectivamente.

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Conclusion

In this article, an in-depth study of the solar photovoltaic module and array was carried out. The need, structure, and design of the modules for higher power level was studied. It also included a procedure for parameter measurement and explanation of bypass diode and blocking diode for the safety of the module.

We also saw an explanation of the PV module array along with its need and connection combination. Calculation and procedure for the design of series, parallel, and mix connections were done in detail along with the study of mismatch in voltage and current of the modules. Such a study of Photovoltaic module and array is a must requirement for a designer of the PV system.

The article gives a significant design understanding of important components (modules and array) in the PV system, which can be utilized to make a proper, efficient, and reliable design in a PV system.

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