Cálculo y diseño de paneles y módulos solares fotovoltaicos

Determinación del número de celdas en un módulo, medición de los parámetros del módulo y cálculo de la corriente de cortocircuito, voltaje de circuito abierto y características V-I del módulo y matriz solar

¿Qué es un Módulo Solar Fotovoltaico?

La potencia requerida por nuestras cargas diarias varía en varios vatios o, a veces, en kilovatios. Una sola celda solar no puede producir suficiente energía para satisfacer tal demanda de carga, difícilmente puede producir energía en un rango de 0,1 a 3 vatios, según el área de la celda. En el caso de las centrales eléctricas industriales y conectadas a la red, requerimos energía en el rango de Megavatios o incluso Gigavatios.

Por lo tanto, una sola celda fotovoltaica no es capaz de satisfacer una demanda tan alta. Entonces, para cumplir con estas altas demandas, las celdas solares están dispuestas y conectadas eléctricamente. Tal conexión y disposición de las células solares se denominan módulos fotovoltaicos. Estos módulos fotovoltaicos permiten satisfacer una demanda mayor que la que podría suministrar una sola célula.

Cuando la radiación solar cae sobre una sola celda solar, se produce potencial entre dos terminales, el ánodo y el cátodo (es decir, el ánodo es el terminal positivo y el cátodo es el terminal negativo). Para aumentar el potencial de la potencia requerida, N-número de celdas se conectan en serie. El terminal negativo de una celda está conectado al terminal positivo de la otra celda como se muestra en la figura a continuación.

Cuando conectamos un número N de celdas solares en serie, obtenemos dos terminales y el voltaje entre estos dos terminales es la suma de los voltajes de las celdas conectadas en serie. Por ejemplo, si el valor de una sola celda es de 0,3 V y 10 de estas celdas están conectadas en serie, el voltaje total en la cadena será de 0,3 V × 10 =3 voltios.

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Si se conectan en serie 40 celdas de 0,6 V, el voltaje total sería 0,6 V × 40 =24 voltios. Es importante tener en cuenta que cuando las celdas se conectan en serie, el voltaje se agrega mientras que la corriente permanece igual.

Del mismo modo, cuando las celdas se conectan en paralelo, se suma la corriente de las celdas individuales. El terminal del ánodo de una celda se conecta al terminal del ánodo de la siguiente celda y, de manera similar, el terminal del cátodo se conecta al terminal del cátodo de la siguiente celda, como se muestra en la figura 2.

A diferencia de la conexión en serie, el voltaje total de la cadena en la conexión en paralelo permanece sin cambios. Por ejemplo, si una celda tiene una capacidad de producción de corriente de 2 A y 5 celdas solares de este tipo están conectadas en paralelo. Entonces, la capacidad total de producción de corriente de la celda será de 2 A × 5 =10 A.

Los fabricantes mencionan los parámetros del módulo fotovoltaico bajo la condición de prueba estándar (STC), es decir, temperatura de 25 °C y radiación de 1000 W/m ² . En la mayoría de las ocasiones y lugares, no se dan las condiciones especificadas en STC. Esto sucede porque la radiación solar siempre es inferior a 1000 W/m ² y la temperatura de funcionamiento de la celda es superior a 25 °C, esta incertidumbre da como resultado una potencia de salida reducida del módulo fotovoltaico.

Como discutimos antes, el módulo fotovoltaico está compuesto por el número de celdas solares, por lo tanto, sus parámetros y factores que afectan la generación de electricidad son similares a los de la celda solar que ya lo hemos cubierto en nuestro artículo anterior. Así que no volveremos a cubrir esa parte aquí.

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Determinación del número de celdas en un módulo

Uno de los requisitos básicos del módulo fotovoltaico es proporcionar voltaje suficiente para cargar las baterías de los diferentes niveles de voltaje bajo la radiación solar diaria. Esto implica que el voltaje del módulo debe ser mayor para cargar las baterías durante la baja radiación solar y las altas temperaturas.

Los módulos fotovoltaicos están diseñados para proporcionar voltajes en el nivel de batería múltiplo de 12 V, es decir, 12 V, 24 V, 36 V, 48 V, etc. Para cargar una batería de 12 V a través de un módulo fotovoltaico necesitamos un módulo que tenga V_M de 15 V y para batería de 24 V necesitamos un módulo con V_M de 30 V y así sucesivamente. Otros dispositivos utilizados en el sistema fotovoltaico se hacen compatibles para funcionar con un nivel de voltaje de batería.

Para proporcionar el nivel de voltaje requerido, necesitamos conectar las celdas en serie. Dependiendo de las diferentes tecnologías utilizadas en la celda fotovoltaica, la cantidad de celdas requeridas para conectarse en serie diferirá. El número de celdas a conectar en serie depende del voltaje en el punto de máxima potencia, es decir, V_M de la celda individual y la caída de voltaje que ocurre debido a un aumento en la temperatura de la celda por encima de STC.

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Ejemplo:

Entendamos esto con un ejemplo, se va a diseñar un módulo fotovoltaico con células solares para cargar una batería de 12 V. El voltaje de circuito abierto V_OC de la celda es de 0,89 V y la tensión en el punto de máxima potencia V_M es 0,79 V.

La temperatura de funcionamiento de las celdas es de 60 °C y hay una disminución de voltaje de 2 mV por cada grado Celsius de aumento de temperatura. ¿Cuántas celdas se requieren conectar en serie para cargar la batería?

Paso 1: Encuentre el voltaje en el punto de máxima potencia V_M =0,79 V .

Si V_M no está especificado, entonces tome V_M como 80 a 85% de V_OC .

Paso 2: Encuentre la pérdida de voltaje a temperatura de funcionamiento, es decir, a 60 °C.

Aumento de la temperatura por encima de STC =Temperatura de funcionamiento – Temperatura en STC.

Aumento de la temperatura por encima de STC =60 °C – 25 °C =35 °C

Por lo tanto, pérdida de voltaje debido al aumento de temperatura por encima de STC:

Pérdida de voltaje =35 °C × 0,002 V =0,07 V

Paso 3 :Determinación del voltaje en la condición de funcionamiento.

El voltaje en la condición de operación =Voltaje en STC (V_M ) – pérdida de tensión debido a un aumento de temperatura por encima de STC.

Por lo tanto, voltaje en condiciones de funcionamiento =0,79 V – 0,07 V =0,72 V

Paso 4: Determine el voltaje requerido del módulo fotovoltaico para cargar la batería.

Para cargar una batería de 12 V necesitamos que la tensión del módulo esté en torno a los 15 V.

Paso 5: Determinar el número de celdas para conectar en serie.

La cantidad de celdas conectadas en serie =voltaje del módulo fotovoltaico/voltaje en la condición de funcionamiento.

Número de celdas conectadas en serie =15 V / 0,72 V =20,83 o aproximadamente 21 celdas

Por lo tanto, necesitamos 21 celdas conectadas en serie para cargar una batería de 12V . Es importante tener en cuenta que para diferentes tecnologías de celdas solares necesitaremos un número diferente de celdas en serie para el mismo voltaje de salida. En la figura 3 a continuación se muestra una foto real del módulo fotovoltaico que consiste en un número N de celdas conectadas eléctricamente.

Parámetros del módulo de medición

Para la medición de parámetros de módulos como V_OC , Yo_SC , V_M, y yo_M necesitamos voltímetro y amperímetro o multímetro , reóstato y cables de conexión.

Medición de voltaje de circuito abierto (V_OC ):

Mientras se mide el V_OC , sin carga debe conectarse a través de los dos terminales del módulo. Para encontrar la tensión de circuito abierto de un módulo fotovoltaico a través de un multímetro , siga los sencillos pasos siguientes.

• Configure la perilla del multímetro en la medición de voltaje de CC y seleccione el rango correspondiente para la medición de voltaje, es decir, 6 V, 12 V, 24 V, etc.
• Asegúrese de que una sonda esté conectada al puerto COM del multímetro y la otra al puerto de medición de voltaje.
• Después de seleccionar el modo y el rango, conecte las puntas de prueba del multímetro a los dos terminales del módulo fotovoltaico y observe la lectura en la pantalla.
• Asegúrese de que la sonda positiva (puerto de medición de voltaje) esté conectada al terminal positivo y la sonda negativa (puerto COM) al terminal negativo. Si las sondas están conectadas a la inversa, dará una lectura negativa.
• La lectura en la pantalla del multímetro es el voltaje de circuito abierto V_OC del módulo fotovoltaico.

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Medición de corriente de Cortocircuito (I_SC ):

Mientras se mide el I_SC , sin carga debe conectarse a través de los dos terminales del módulo.

Para encontrar la corriente de cortocircuito de un módulo fotovoltaico a través de un multímetro , siga los sencillos pasos siguientes.

• Ajuste la perilla del multímetro a la medición actual y seleccione el rango para la medición actual en consecuencia, es decir, normalmente entre 0,1 y 10 A.
• Asegúrese de que una sonda esté conectada al puerto COM del multímetro y otra al puerto de medición actual.
• Después de seleccionar el modo y el rango, conecte las puntas de prueba del multímetro a los dos terminales del módulo fotovoltaico y observe la lectura en la pantalla.
• Asegúrese de que la sonda positiva esté conectada al terminal positivo (puerto de medición de corriente) y la sonda negativa (puerto COM) al terminal negativo. Si las sondas están conectadas a la inversa, dará una lectura negativa.
• La lectura que se observa en la pantalla del multímetro es la corriente de cortocircuito I_SC del módulo fotovoltaico.

Medición de la Curva I-V:

Para medir la curva I-V, el módulo fotovoltaico solar debe estar conectado en serie con la resistencia variable como se muestra en la figura a continuación.

El terminal negativo del módulo se conecta al terminal positivo del amperímetro y el voltímetro se conecta directamente a través del módulo fotovoltaico como se muestra en la figura 4.

Si sin saberlo las conexiones se hacen al revés entonces la lectura obtenida tendrá signo negativo, reconecte los medidores para obtener valores correctos. Una vez hecho esto, ajuste correctamente la resistencia variable (reóstato) en un lado para que el voltaje sea máximo y la corriente sea mínima.

Anote los valores de corriente y voltaje en esta posición del reóstato. Ahora deslice lentamente el reóstato hacia el otro lado y anote las lecturas de cada ajuste deslizante hasta que el reóstato esté completamente en cortocircuito. Calcula la potencia para cada valor de voltaje y corriente usando la siguiente ecuación.

P =V × I

Por lo tanto, al utilizar estos valores medidos, se pueden obtener todos los demás parámetros del módulo fotovoltaico.

Módulos con mayor potencia 

Una de las celdas más comunes disponibles en el mercado es la tecnología de "células de silicio cristalino". Estas celdas están disponibles en un área de 12,5 × 12,5 cm ² y 15×15cm ² . Es difícil encontrar celdas más allá de esta área en el mercado, la mayoría de las plantas solares más grandes usan módulos con estas áreas de celdas.

Pero, ¿cuánto vataje más alto puede proporcionar este módulo y cómo se puede obtener una mayor potencia por módulo? Un módulo fotovoltaico de diseño típico tiene una V_M de 15 V para cargar una batería de 12 V. Para obtener este voltaje se conectan en serie de 32 a 36 celdas dependiendo de su temperatura de operación y voltaje pico V_M de una celda individual.

La corriente producida por las celdas depende del área, la cantidad de luz que cae sobre ellas, el ángulo de la luz que cae sobre ellas y la densidad de corriente. La Celda de Silicio Cristalino tiene una densidad de corriente J_SC en un rango de 30 mA/cm ² a 35 mA/cm ² .

Tomemos la densidad de corriente de 30 mA/cm ² para nuestro ejemplo. Luego, la corriente de cortocircuito para un área de 12,5 × 12,5 cm ² se puede calcular como;

Yo_SC =J_SC × Área =30 mA/cm ² × 12,5 × 12,5 cm ² =4,68 A

Del mismo modo, para 15 × 15 cm ² la corriente de cortocircuito se calcula como;

Yo_SC =J_SC × Área =30 mA/cm ² × 15 × 15 cm ² =6,75 A

Para la mayoría de los fabricantes, el I_M es aproximadamente del 90 al 95 % de I_SC . Para nuestro ejemplo, tomemos I_M como el 95 % de I_SC .

Yo_M =0,95 × I_SC

Entonces el YO_M para un área de 12,5 × 12,5 cm ² se puede calcular como;

Yo_M =0,95 × 4,68 A =4,446 A

Del mismo modo, para 15 × 15 cm ² Yo_M se calcula como;

Yo_M =0,95 × 6,75 A =6,412 A

Ahora podemos determinar la potencia pico máxima para estas dos celdas;

P_M =V_M × YO_M

P_M =15 V × 4,446 A =66,69 W (para un área de 12,5 × 12,5 cm ² )

P_M =15 V × 6,412 A =96,18 W (para un área de 15 × 15 cm ² )

Por lo tanto, al utilizar la mejor tecnología de celdas disponible con un área de 12,5 × 12,5 y 15 × 15 cm ² obtenemos una potencia de salida de 66,69 W y 96,18 W respectivamente (Considerando I_M ser el 95 % de I_SC y densidad de corriente de 30 mA/cm ² ).

Para aumentar el voltaje y la corriente del módulo se debe conectar más celdas en serie y en paralelo respectivamente, esto aumentará la potencia total del módulo más de lo que hemos calculado .

Ejemplo:

Ahora, para una mejor comprensión, diseñemos un módulo fotovoltaico que pueda proporcionar un voltaje a la potencia máxima V_M de 45 V bajo STC y 33,5 V bajo 60 °C de temperatura de funcionamiento. Usaremos las celdas que tienen un voltaje de circuito abierto V_OC de 0,64 V, con una disminución de 0,004 V en V_M por °C de aumento de temperatura.

Paso 1: Encuentre el voltaje en el punto de máxima potencia V_M .

Si V_M no está especificado, entonces tome V_M como 80 a 85% de V_OC

Supongamos que V_M =0,85 × V_OC =0,85 × 0,64 V =0,544 V

Paso 2: Encuentre la pérdida de voltaje bajo la temperatura de operación, es decir, a 60 ^o C.

Aumento de la temperatura por encima de STC =Temperatura de funcionamiento – Temperatura en STC.

Aumento de la temperatura por encima de STC =60 °C – 25 °C =35 °C

Por lo tanto, pérdida de voltaje debido al aumento de temperatura por encima de STC =35 °C × 0,004 V =0,14 V

Paso 3: Determinación del voltaje en la condición de operación

El voltaje en la condición de operación =Voltaje en STC (V_M ) – pérdida de tensión debido a un aumento de temperatura por encima de STC.

Por lo tanto, el voltaje en la condición de funcionamiento =0,544 V – 0,14 V =0,404 V

Paso 4: Determine el voltaje requerido del módulo fotovoltaico

necesitamos que el voltaje del módulo sea de alrededor de 33,5 V.

Paso 5: Determine el número de celdas que se conectarán en serie

La cantidad de celdas conectadas en serie =voltaje del módulo fotovoltaico/voltaje en la condición de funcionamiento.

Número de celdas conectadas en serie =33,5 V / 0,404 V =82,92 o unas 83 celdas.

Ahora calculemos cuánta energía pueden producir estas 83 celdas bajo STC, con V_M =45 V, y tomemos los mismos valores de corriente para dos celdas del ejemplo anterior.

Yo_M =4,446 A (para un área de 12,5 × 12,5 cm ² )

Yo_M =6,412 A (para un área de 15 × 15 cm ² )

Ahora podemos determinar la potencia pico máxima para estas dos celdas a un voltaje de 45 V;

P_M =V_M × YO_M

P_M =45 V × 4,446 A =200,07 W (para un área de 12,5 × 12,5 cm ² )

P_M =45 V × 6,412 A =288,54 W (para un área de 15 × 15 cm ² )

Por lo tanto, de acuerdo con el requisito de gran potencia, dichas celdas de áreas más grandes se conectan en serie y en paralelo para formar un módulo fotovoltaico. Además, estos módulos fotovoltaicos se pueden conectar en serie y en paralelo para formar un conjunto fotovoltaico que genera energía en MW.

Diodos de bloqueo y derivación

Diodo de derivación

Todas las celdas conectadas en serie en el módulo fotovoltaico son idénticas, todas producen corriente cuando la luz incide sobre ellas. Pero si una de las celdas solares queda sombreada por algún objeto, la luz que cae sobre ella se interrumpe y produce una corriente más baja o casi ninguna corriente debido a esta interrupción de la luz que cae sobre la celda.

Esta celda ahora actuará como una resistencia al flujo de corriente en la serie de celdas. Actuará como una carga y la energía generada por otras celdas se disipará en la celda sombreada, lo que hará que la temperatura de la celda aumente y forme un punto caliente. Esto puede incluso provocar la rotura del cristal del módulo, incendios y accidentes en el sistema.

Los diodos de derivación se utilizan para evitar este tipo de catástrofes en nuestro sistema diseñado. Como se muestra en la figura 5, el diodo de derivación está conectado en paralelo a la celda solar con polaridad opuesta.

En condiciones normales sin sombreado, el diodo de derivación tiene polarización inversa y actúa como un circuito abierto. Pero si se produce sombreado en la cadena de celdas conectadas en serie, la celda sombreada tendrá polarización inversa y esto actuará como una polarización directa para el diodo de derivación, ya que está conectado con una polaridad opuesta a la celda solar.

Ahora, el diodo de derivación de esta celda sombreada llevará la corriente a través de ella en lugar de la celda sombreada. Por lo tanto, el diodo pasa por alto la celda y evita el daño causado por el sobrecalentamiento, de ahí el nombre de diodo de derivación. Idealmente, debería haber un diodo por celda solar en un módulo, pero prácticamente para que el módulo sea rentable, se conecta un diodo de derivación para una combinación en serie de 10-15 celdas.

Diodo de bloqueo

En un sistema fuera de la red, los módulos se utilizan para suministrar energía a la carga y cargar la batería. Durante la noche, cuando no hay luz solar, el módulo no produce energía y las baterías de carga comienzan a suministrar energía a la carga y al módulo fotovoltaico. El suministro de energía al módulo fotovoltaico es una pérdida de energía. Para evitar la pérdida, se coloca un diodo para bloquear el flujo de corriente de la batería al módulo fotovoltaico. Por lo tanto, gracias a este diodo se evita la pérdida de energía al bloquear el flujo de corriente de la batería al módulo.

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