Cómo Conectar Paneles Solares: Configuraciones en Serie, Paralelo y Serie-Paralelo

Configuración en Serie, Paralelo y Serie-Paralelo de Arreglos Fotovoltaicos

¿Qué es un Arreglo Fotovoltaico Solar?

Un módulo fotovoltaico solar está disponible en un rango de 3 W_p a 300 W_p. Sin embargo, a menudo necesitamos potencia en el rango de kW a MW. Para lograr tal potencia, debemos conectar N número de módulos en serie y en paralelo.

Una Cadena de Módulos FV

Cuando N módulos FV se conectan en serie, el conjunto completo de módulos conectados en serie se conoce como cadena de módulos FV. Los módulos se conectan en serie para aumentar el voltaje del sistema. La siguiente figura muestra un esquema de módulos FV conectados en serie, paralelo y serie-paralelo.

Arreglo de Módulos FV

Para aumentar la corriente, N módulos FV se conectan en paralelo. Esta conexión de módulos en una combinación serie-paralelo se conoce como "Arreglo Fotovoltaico Solar" o "Arreglo de Módulos FV". A continuación se muestra un esquema de un arreglo de módulos FV solares conectados en configuración serie-paralelo.

Célula de Módulo Solar:

La célula solar es un dispositivo de dos terminales: una positiva (ánodo) y otra negativa (cátodo). Un arreglo de células solares se conoce como módulo solar o panel solar, donde el arreglo de paneles solares se conoce como arreglo fotovoltaico.

Es importante señalar que con el aumento de conexiones en serie y paralelo de los módulos, la potencia de los módulos también se suma.

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Conexión en Serie de Módulos

A veces, el voltaje del sistema requerido para una planta de energía es mucho mayor que el que un solo módulo FV puede producir. En tales casos, se conectan N módulos FV en serie para entregar el nivel de voltaje requerido. Esta conexión en serie de los módulos FV es similar a la conexión de N celdas en un módulo para obtener el nivel de voltaje requerido. La siguiente figura muestra paneles FV 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 siguiente 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 voltaje total de circuito abierto de la cadena es la suma de ambos voltajes:

V_OC = V_OC1 + V_OC2

V_OC = 20 V + 20 V = 40 V

Es importante notar que la suma de voltajes en el punto de máxima potencia también es aplicable en el caso de arreglos FV.

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

Para calcular el número de módulos FV a conectar en serie, se debe conocer el voltaje requerido del arreglo FV. También veremos la potencia total generada por el arreglo FV. Se asume que todos los módulos son idénticos con los mismos parámetros.

Paso 1: Anotar el requerimiento de voltaje del arreglo FV

Dado que debemos conectar N módulos en serie, debemos conocer el voltaje requerido del arreglo FV:

• Voltaje de circuito abierto del arreglo FV: V_OCA
• Voltaje del arreglo FV en el punto de máxima potencia: V_MA

Paso 2: Anotar los parámetros del módulo FV a conectar en la cadena en serie

Se deben anotar parámetros del módulo FV como corriente y voltaje en el punto de máxima potencia, y otros como V_OC, I_SC y P_M.

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

Para calcular el número de módulos "N", el voltaje total del arreglo se divide por el voltaje del módulo individual. Dado que el módulo FV trabaja bajo condiciones estándar (STC), se toma la relación entre el voltaje del arreglo en el punto de máxima potencia V_MA y el voltaje del módulo en el punto de máxima potencia V_M.

Un cálculo similar para el voltaje de circuito abierto también puede hacerse: relación entre el voltaje de circuito abierto del arreglo V_OCA y el voltaje de circuito abierto del módulo V_OC. Nótese que el valor de "N" puede ser no entero, por lo que se debe tomar el siguiente entero superior, y los valores de V_MA y V_OCA también aumentarán respecto a lo deseado.

Paso 4: Calcular la potencia total del arreglo FV

La potencia total del arreglo FV 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 arreglo FV P_MA es N × P_M.

También podemos calcular la potencia del arreglo mediante el producto del voltaje y la corriente del arreglo FV en el punto de máxima potencia:

V_MA × I_MA

Ejemplo:

Para entender estos pasos matemáticamente, tomemos el ejemplo de una planta de 2 MW, donde un gran número de módulos FV se conectan en serie. El inversor de 2 MW puede aceptar voltaje de entrada de 600 V a 900 V.

Determine el número de módulos a conectar en serie para obtener un voltaje en el punto de máxima potencia de 800 V. También determine la potencia entregada por este arreglo FV. Los parámetros del módulo FV individual son:

• Voltaje de circuito abierto V_OC = 35 V
• Voltaje 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

Paso 1: Anotar el requerimiento de voltaje del arreglo FV

• Voltaje de circuito abierto del arreglo FV V_OCA = No dado
• Voltaje del arreglo FV en el punto de máxima potencia V_MA = 800 V

Paso 2: Anotar los parámetros del módulo FV

Voltaje de circuito abierto V_OC = 35 V

Voltaje 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 × I_M

= 29 V × 6.4 A

P_M = 185.6 W

Paso 3: Calcular el número de módulos en serie

N = V_MA / V_M

N = 800 / 29

N = 27.58 (Valor entero superior: 28)

Tomamos el valor entero superior de 28 módulos. Debido a este valor entero superior de N, los valores de V_MA y V_OCA también aumentarán.

V_MA = V_M × N

= 29 × 28

= 812 V

Paso 4: Calcular la potencia total del arreglo FV

P_MA = N × P_M

= 28 × 185.6

= 5196.8 W

Por lo tanto, se necesitan 28 módulos FV conectados en serie con una potencia total de 5196.8 W para obtener el voltaje máximo deseado del arreglo FV de 800 V.

Desajuste en Módulos FV Conectados en Serie

La potencia máxima en el módulo FV es el producto del voltaje y la corriente en el punto de máxima potencia. Cuando los módulos no están conectados en serie, la potencia producida por cada módulo es diferente. Tomemos el ejemplo de la Tabla 1 a continuación.

Tabla 1

Módulos	VM (V)	IM (A)	PM (W)
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 se conectan en serie, sus voltajes se suman pero la corriente permanece igual, considerando que todos los módulos son idénticos con 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 pérdida de potencia producida por el arreglo FV, considerando que todos los módulos son idénticos con 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, la corriente que fluye a través de los módulos FV conectados en serie será igual a la corriente más baja producida por un módulo en la cadena. Tomemos el ejemplo de la Tabla 2 a continuación.

Tabla 2

Módulos	VM (V)	IM (A)	PM (W)
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 se conectan 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 comparado con los módulos A y C.

Por lo tanto, la corriente que fluye a través de estos tres módulos conectados en serie es 3.2 A. Ahora compare las Tablas 1 y 2 y la potencia total producida por ambas. Debido a los módulos con corriente no idéntica en la Tabla 2, la potencia total producida es 177.93 W, que es menor que la potencia total producida por los módulos en la Tabla 1 (191.88 W).

Podemos ver que debido al desajuste en la corriente, la potencia de salida producida por los módulos conectados en serie se ve ampliamente afectada. Así, en la conexión en serie de módulos, el desajuste en voltaje no es un problema, pero el desajuste en corriente resulta en pérdida de potencia. Por lo tanto, módulos con diferentes valores nominales de corriente no deben conectarse en serie.

Conexión en Paralelo de Módulos

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

El voltaje en la combinación en paralelo de los módulos permanece igual al del voltaje individual del módulo, considerando que todos los módulos tienen voltaje idéntico.

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 en la siguiente figura.

Si la corriente I_M1 es la corriente en el punto de máxima potencia de un módulo e I_M2 es la del 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 sumándose. Esto también es aplicable para la corriente de cortocircuito I_sc.

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

Para calcular el número de módulos FV a conectar en paralelo, se debe conocer la corriente requerida del arreglo FV. También veremos la potencia total generada por el arreglo FV. Se asume que todos los módulos son idénticos con los mismos parámetros.

Paso 1: Anotar el requerimiento de corriente del arreglo FV

Dado que debemos conectar N módulos en paralelo, debemos conocer la corriente requerida del arreglo FV:

• Corriente de cortocircuito del arreglo FV: I_SCA
• Corriente del arreglo FV en el punto de máxima potencia: I_MA

Paso 2: Anotar los parámetros del módulo FV a conectar en paralelo

Se deben anotar parámetros del módulo FV como corriente y voltaje en el punto de máxima potencia, y otros como V_OC, I_SC y P_M.

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

Para calcular el número de módulos N, la corriente total del arreglo se divide por la corriente de un módulo individual. Dado que el módulo FV trabaja bajo STC, se toma la relación entre la corriente del arreglo en el punto de máxima potencia I_MA y la corriente del módulo en el punto de máxima potencia I_M.

Un cálculo similar para la corriente de cortocircuito también puede hacerse: relación entre la corriente de cortocircuito del arreglo I_SCA y la corriente de cortocircuito del módulo I_SC.

Nótese que el valor de N puede ser no entero, por lo que se debe tomar el siguiente entero superior, y los valores de I_MA e I_SCA también aumentarán respecto a lo deseado.

Paso 4: Calcular la potencia total del arreglo FV

La potencia total del arreglo FV 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 arreglo FV P_MA es N × P_M. También podemos calcular la potencia del arreglo mediante el producto del voltaje y la corriente del arreglo FV en el punto de máxima potencia: V_MA × I_MA.

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Ejemplo:

Tomemos un ejemplo: calcule el número de módulos requeridos en paralelo para obtener una corriente en el punto de máxima potencia I_MA de 40 A. El requerimiento de voltaje del sistema es 14 V. Los parámetros del módulo FV individual son:

• Voltaje de circuito abierto V_OC = 18 V
• Voltaje 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

Paso 1: Anotar el requerimiento de corriente del arreglo FV

• Corriente de cortocircuito del arreglo FV I_SCA = No dado
• Corriente del arreglo FV en el punto de máxima potencia I_MA = 40 A

Paso 2: Anotar los parámetros del módulo FV

Voltaje de circuito abierto V_OC = 18 V

Voltaje 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 × I_M

P_M = 14 V × 6 A

P_M = 84 W

Paso 3: Calcular el número de módulos en paralelo

N = I_MA / I_M

= 40 / 6

N = 6.66 (Valor entero superior: 7)

Tomamos el valor entero superior de 7 módulos. Debido a este valor entero superior de N, los valores de I_MA e I_SCA también aumentarán.

I_MA = I_M × N

= 6 × 7

I_MA = 42 A

Paso 4: Calcular la potencia total del arreglo FV

P_MA = N × P_M

= 7 × 84

P_MA = 588 W

Por lo tanto, necesitamos 7 módulos FV conectados en paralelo con una potencia total de 588 W para obtener la corriente máxima deseada del arreglo FV de 40 A.

Desajuste en Módulos FV Conectados en Paralelo

En una conexión en paralelo, el problema del desajuste en corriente no es un inconveniente, pero el desajuste en voltaje sí lo es. En módulos conectados en paralelo, el voltaje permanecerá igual si los módulos tienen valores nominales de voltaje idénticos.

Pero si el valor nominal de voltaje de los módulos conectados en paralelo es diferente, el voltaje del sistema está determinado por el módulo que tiene el valor nominal de voltaje más bajo, resultando en pérdida de potencia.

El efecto del desajuste en voltaje no es tan severo como el desajuste en corriente, pero se debe tener cuidado al elegir los módulos. Se recomienda que para la combinación en serie se prefieran módulos con la misma valoración de corriente y para la combinación en paralelo módulos con la misma valoración de voltaje.

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Conexión Serie-Paralelo de Módulos – Combinación Mixta

Cuando necesitamos generar gran potencia en el rango de gigavatios para grandes plantas de sistemas FV, necesitamos conectar módulos en serie y en paralelo. En grandes plantas FV, primero los módulos se conectan en serie, conocidos como "cadena de módulos FV", para obtener el nivel de voltaje requerido.

Luego, muchas de estas cadenas se conectan en paralelo para obtener el nivel de corriente requerido para el sistema. La siguiente figura muestra la conexión de módulos en serie y en paralelo. Para simplificar, observe el lado derecho de la siguiente figura.

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

V_OC1 = V_OC + V_OC = 2V_OC

Mientras que la corriente de cortocircuito de la cadena 1 I_SC1 es la misma:

I_SC1 = I_SC

Similar a la cadena 1, los módulos 3 y 4 forman la cadena 2. El voltaje de circuito abierto de la cadena 2 V_OC2 se suma:

V_OC2 = V_OC + V_OC = 2V_OC

Mientras que la corriente de cortocircuito de la cadena 2 I_SC2 es la misma:

I_SC2 = I_SC

Ahora, la cadena 1 y la cadena 2 se conectan en paralelo; ahora el voltaje permanece igual pero la corriente se suma: voltaje de circuito abierto del arreglo de módulos FV

V_OCA = V_OC1 = V_OC2 = 2V_OC

Y corriente de cortocircuito del arreglo de módulos FV

I_SCA = I_SC1 + I_SC2 = I_SC + I_SC = 2I_SC

El mismo cálculo es aplicable para voltaje y corriente en el punto de máxima potencia.

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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 requeridos en serie y paralelo, y la potencia, hemos asumido que todos los módulos tienen parámetros idénticos. Nótese que:

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

Paso 1: Anotar los requerimientos de corriente, voltaje y potencia del arreglo FV

• Potencia del arreglo FV: P_MA
• Voltaje del arreglo FV en el punto de máxima potencia: V_MA
• Corriente del arreglo FV en el punto de máxima potencia: I_MA

Paso 2: Anotar los parámetros del módulo FV

Se deben anotar parámetros del módulo FV como corriente y voltaje en el punto de máxima potencia, y otros como V_OC, I_SC y P_M.

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 arreglo se divide por el voltaje de un módulo individual. Dado que el módulo FV trabaja bajo STC, se toma la relación entre el voltaje del arreglo en el punto de máxima potencia V_MA y el voltaje del módulo en el punto de máxima potencia V_M.

Similarmente, para calcular el número de módulos en paralelo N_p, la corriente total del arreglo se divide por la corriente de un módulo individual. Dado que el módulo FV trabaja bajo STC, se toma la relación entre la corriente del arreglo en el punto de máxima potencia I_MA y la corriente del módulo en el punto de máxima potencia I_M.

Cálculos similares para voltaje de circuito abierto y corriente de cortocircuito pueden hacerse. Nótese que los valores de N_s y N_P pueden ser no enteros, por lo que se debe tomar el siguiente entero superior, y los valores de I_MA, I_SCA, V_MA y V_OCA también aumentarán respecto a lo deseado.

Paso 4: Calcular la potencia total del arreglo FV

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

Si P_M es la potencia máxima de un solo módulo, N_S es el número de módulos conectados en serie y N_P es el número de módulos conectados en paralelo, entonces la potencia total del arreglo FV:

P_MA = N_P × N_S × P_M

También podemos calcular la potencia del arreglo mediante el producto del voltaje y la corriente del arreglo FV en el punto de máxima potencia:

V_MA × I_MA

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Ejemplo:

Ahora tomemos un ejemplo para la combinación mixta. Tenemos que determinar el número de módulos requeridos para un arreglo FV con los siguientes parámetros:

• Potencia del arreglo P_MA = 40 kW
• Voltaje en el punto de máxima potencia del arreglo V_MA = 400 V
• Corriente en el punto de máxima potencia del arreglo I_MA = 100 A
• El módulo para el diseño del arreglo tiene los siguientes parámetros:
• Voltaje 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: Anotar los requerimientos de corriente, voltaje y potencia del arreglo FV

• Potencia del arreglo FV P_MA = 40 kW
• Voltaje del arreglo FV en el punto de máxima potencia V_MA = 400 V
• Corriente del arreglo FV en el punto de máxima potencia I_MA = 100 A

Paso 2: Anotar los parámetros del módulo FV

Voltaje 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 × I_M

P_M = 70 V × 17 A

P_M = 1190 W

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

N_S = V_MA / V_M

N_S = 400 / 70

N_S = 5.71 (Valor entero superior: 6)

Tomamos el valor entero superior de 6 módulos. Debido a este valor entero superior de N_S, los valores de V_MA y V_OCA también aumentarán.

V_MA = V_M × N_S

= 70 × 6

V_MA = 420 V

Ahora,

N_P = I_MA / I_M

N_P = 100 / 17

N_P = 5.88 (Valor entero superior: 6)

Tomamos el valor entero superior de 6 módulos. Debido a este valor entero superior de N_P, los valores de I_MA e I_SCA también aumentarán.

I_MA = I_M × N_P

I_MA = 17 × 6

I_MA = 102 A

Paso 4: Calcular la potencia total del arreglo FV

P_MA = N_S × N_P × P_M

= 6 × 6 × 1190

P_MA = 42840 W

Por lo tanto, necesitamos 36 módulos FV. 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 arreglo FV de 100 A y voltaje de 400 V.

Nótese que debido al valor entero superior de 6, la corriente y el voltaje máximos del arreglo FV son 102 A y 420 V respectivamente.

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Conclusión

En este artículo, se realizó un estudio en profundidad del módulo y arreglo fotovoltaico solar. Se estudió la necesidad, estructura y diseño de los módulos para niveles de potencia más altos. También incluyó un procedimiento para la medición de parámetros y explicación de diodos de bypass y bloqueo para la seguridad del módulo.

También vimos una explicación del arreglo de módulos FV junto con su necesidad y combinaciones de conexión. Cálculo y procedimiento para el diseño de conexiones en serie, paralelo y mixtas se realizaron en detalle junto con el estudio del desajuste en voltaje y corriente de los módulos. Tal estudio del módulo y arreglo fotovoltaico es un requisito indispensable para un diseñador de sistemas FV.

El artículo brinda una comprensión significativa del diseño de componentes importantes (módulos y arreglo) en el sistema FV, que puede utilizarse para realizar un diseño adecuado, eficiente y confiable en un sistema FV.