Diseño de Módulos y Arrays Fotovoltaicos Solares: Número de Celdas, Parámetros y Cálculos de Rendimiento

Determinación del Número de Celdas en un Módulo, Medición de Parámetros del Módulo y Cálculo de Corriente de Cortocircuito, Tensión de Circuito Abierto y Características V-I de Módulo y Array Solar

¿Qué es un Módulo Fotovoltaico Solar?

La potencia requerida por nuestras cargas diarias varía en varios vatios o a veces en kilovatios. Una sola celda solar no puede producir suficiente potencia para satisfacer tal demanda, apenas puede producir potencia en un rango de 0.1 a 3 vatios dependiendo del área de la celda. En el caso de plantas de energía conectadas a red e industriales, se requiere potencia en el rango de megavatios o incluso gigavatios.

Así, una sola celda PV no es capaz de satisfacer tal alta demanda. Por tanto, para cubrir estas altas demandas, las celdas solares se disponen y conectan eléctricamente. Tal conexión y disposición de celdas solares se llaman módulos PV. Estos módulos PV permiten suministrar una demanda mayor que la que una sola celda podría suministrar.

Cuando la radiación solar incide sobre una sola celda solar, se produce una diferencia de potencial entre sus dos terminales, ánodo y cátodo (el ánodo es el terminal positivo y el cátodo el negativo). Para aumentar el potencial para la potencia requerida, N-número de celdas se conectan en serie. El terminal negativo de una celda se conecta al terminal positivo de la siguiente celda como se muestra en la figura siguiente.

Cuando conectamos N-número de celdas solares en serie, obtenemos dos terminales y la tensión entre estos dos terminales es la suma de las tensiones de las celdas conectadas en serie. Por ejemplo, si la tensión de una sola celda es 0.3 V y 10 de estas celdas se conectan en serie, la tensión total a través de la cadena será 0.3 V × 10 = 3 Voltios.

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Si se conectan 40 celdas de 0.6 V en serie, la tensión total sería 0.6 V × 40 = 24 Voltios. Es importante notar que cuando las celdas se conectan en serie, la tensión se suma mientras que la corriente permanece igual.

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

A diferencia de la conexión en serie, la tensión total de la cadena en conexión paralela permanece inalterada. Por ejemplo, si una celda tiene una capacidad de producción de corriente de 2 A y 5 celdas solares se conectan en paralelo. Entonces, la capacidad total de producción de corriente será 2 A × 5 = 10 A.

Los parámetros del módulo PV son mencionados por los fabricantes bajo Condiciones Estándar de Ensayo (STC), es decir, temperatura de 25 °C y radiación de 1000 W/m². En la mayoría de los momentos y ubicaciones, las condiciones especificadas bajo STC no ocurren. Esto sucede porque la radiación solar siempre es menor a 1000 W/m² y la temperatura de operación de la celda es superior a 25 °C, esta incertidumbre resulta en una potencia de salida reducida del módulo PV.

Como discutimos antes, el módulo PV está compuesto por un número de celdas solares, por lo que sus parámetros y factores que afectan la generación de electricidad son similares a los de la celda solar, que ya cubrimos en nuestro artículo anterior. Por lo que no cubriremos esa parte aquí nuevamente.

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Determinación del Número de Celdas en un Módulo

Uno de los requisitos básicos del módulo PV es proporcionar tensión suficiente para cargar baterías de diferentes niveles de tensión bajo la radiación solar diaria. Esto implica que la tensión del módulo debe ser lo suficientemente alta para cargar las baterías durante la baja radiación solar y altas temperaturas.

Los módulos PV están diseñados para proporcionar tensiones en múltiplos del nivel de batería 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 PV necesitamos un módulo con V_M de 15 V y para una batería de 24 V necesitamos un módulo con V_M de 30 V, y así sucesivamente. Otros dispositivos usados en el sistema PV son compatibles para trabajar con un nivel de tensión de batería.

Para proporcionar el nivel de tensión requerido, necesitamos conectar celdas en serie. Dependiendo de las diferentes tecnologías usadas en la celda PV, el número de celdas requeridas para conectar en serie será diferente. El número de celdas a conectar en serie depende de la tensión en el punto de máxima potencia, es decir, V_M de la celda individual y la caída de tensión que ocurre debido al aumento de la temperatura de la celda por encima de STC.

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Ejemplo:

Entendamos esto con un ejemplo: un módulo PV debe diseñarse con celdas solares para cargar una batería de 12 V. La tensión de circuito abierto V_OC de la celda es 0.89 V y la tensión en el punto de máxima potencia V_M es 0.79 V.

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

Paso 1: Encontrar la tensión en el punto de máxima potencia V_M = 0.79 V.

Si V_M no está especificada, tome V_M como 80-85% de V_OC.

Paso 2: Encontrar la pérdida de tensión bajo temperatura de operación, es decir, a 60 °C.

Aumento de temperatura sobre STC = Temperatura de operación – Temperatura en STC.

Aumento de temperatura sobre STC = 60 °C – 25 °C = 35 °C

Por tanto, la pérdida de tensión debido al aumento de temperatura sobre STC:

Pérdida de Tensión = 35 °C × 0.002 V = 0.07 V

Paso 3: Determinar la tensión en condición de operación.

La tensión en condición de operación = Tensión en STC (V_M) – pérdida de tensión debido al aumento de temperatura sobre STC.

Por tanto, Tensión en condición de operación = 0.79 V – 0.07 V = 0.72 V

Paso 4: Determinar la tensión de módulo PV requerida para cargar la batería.

Para cargar una batería de 12 V necesitamos una tensión de módulo de alrededor de 15 V.

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

El número de celdas conectadas en serie = Tensión del módulo PV / Tensión en condición de operación.

Número de celdas conectadas en serie = 15 V / 0.72 V = 20.83 o aproximadamente 21 celdas

Así, necesitamos 21 celdas conectadas en serie para cargar una batería de 12V. Es importante notar que para diferentes tecnologías de celdas solares necesitaremos un número diferente de celdas en serie para la misma tensión de salida. Una foto real del módulo PV que consiste en N-número de celdas conectadas eléctricamente se muestra en la figura 3 a continuación.

Medición de Parámetros del Módulo

Para la medición de parámetros del módulo como V_OC, I_SC, V_M e I_M necesitamos voltímetro y amperímetro o multímetro, reostato y cables de conexión.

Medición de Tensión de Circuito Abierto (V_OC):

Al medir V_OC, no debe haber carga conectada a los dos terminales del módulo. Para encontrar la tensión de circuito abierto de un módulo fotovoltaico mediante multímetro, siga los siguientes pasos.

• Ajuste el selector del multímetro a medición de tensión DC y seleccione el rango de medición de tensión apropiado, es decir, 6 V, 12 V, 24 V, etc.
• Asegúrese de que una punta esté conectada al puerto COM del multímetro y la otra al puerto de medición de tensión.
• Después de seleccionar el modo y rango, conecte las puntas del multímetro a los dos terminales del módulo PV y observe la lectura en la pantalla.
• Asegúrese de que la punta positiva (puerto de medición de tensión) esté conectada al terminal positivo y la punta negativa (puerto COM) al terminal negativo. Si las puntas se conectan al revés, dará una lectura negativa.
• La lectura en la pantalla del multímetro es la tensión de circuito abierto V_OC del módulo PV.

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Medición de Corriente de Cortocircuito (I_SC):

Al medir I_SC, no debe haber carga conectada a los dos terminales del módulo.

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

• Ajuste el selector del multímetro a medición de corriente y seleccione el rango de medición de corriente apropiado, es decir, típicamente entre 0.1 a 10 A.
• Asegúrese de que una punta esté conectada al puerto COM del multímetro y la otra al puerto de medición de corriente.
• Después de seleccionar el modo y rango, conecte las puntas del multímetro a los dos terminales del módulo PV y observe la lectura en la pantalla.
• Asegúrese de que la punta positiva esté conectada al terminal positivo (puerto de medición de corriente) y la punta negativa (puerto COM) al terminal negativo. Si las puntas se conectan al revés, dará una lectura negativa.
• La lectura observada en la pantalla del multímetro es la corriente de cortocircuito I_SC del módulo PV.

Medición de la Curva I-V:

Para medir la curva I-V, el módulo solar PV debe conectarse en serie con el resistor variable como se muestra en la figura siguiente.

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

Si inadvertidamente las conexiones se hacen al revés, la lectura obtenida tendrá signo negativo, reconecte los medidores para obtener valores correctos. Una vez hecho correctamente, ajuste el resistor variable (reostato) en un lado para que la tensión sea máxima y la corriente mínima.

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

P = V × I

Así, usando estos valores medidos, se pueden obtener todos los demás parámetros del módulo PV.

Módulos con Mayor Potencia

Una de las celdas más comunes disponibles en el mercado es la tecnología de "Célula de Silicio Cristalino". Estas celdas están disponibles en un área de 12.5 × 12.5 cm² y 15 × 15 cm². Es difícil encontrar celdas más allá de esta área en el mercado; la mayoría de las plantas solares grandes usan módulos con estas áreas de celda.

Pero, ¿cuánta mayor potencia puede proporcionar este módulo y cómo podemos obtener mayor potencia por módulo? Un módulo PV típicamente diseñado tiene un V_M de 15 V para cargar una batería de 12 V. Para obtener esta tensión, se conectan 32 a 36 celdas en serie dependiendo de su temperatura de operación y tensión pico V_M de una celda individual.

La corriente producida por las celdas depende del área, cantidad de luz que incide, ángulo de incidencia de la luz y densidad de corriente. La Célula de Silicio Cristalino tiene una densidad de corriente J_SC en un rango de 30 mA/cm² a 35 mA/cm².

Tomemos una densidad de corriente de 30 mA/cm² para nuestro ejemplo. Entonces, la corriente de cortocircuito para un área de 12.5 × 12.5 cm² se puede calcular como:

I_SC = J_SC × Área = 30 mA/cm² × 12.5 × 12.5 cm² = 4.68 A

De manera similar, para 15 × 15 cm² la corriente de cortocircuito se calcula como:

I_SC = J_SC × Área = 30 mA/cm² × 15 × 15 cm² = 6.75 A

Para la mayoría de fabricantes, I_M es aproximadamente 90-95% de I_SC. Para nuestro ejemplo, tomemos I_M como 95% de I_SC.

I_M = 0.95 × I_SC

Entonces, I_M para un área de 12.5 × 12.5 cm² se puede calcular como:

I_M = 0.95 × 4.68 A = 4.446 A

De manera similar, para 15 × 15 cm², I_M se calcula como:

I_M = 0.95 × 6.75 A = 6.412 A

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

P_M = V_M × I_M

P_M = 15 V × 4.446 A = 66.69 W (para un área de 12.5 × 12.5 cm²)

P_M = 15 V × 6.412 A = 96.18 W (para un área de 15 × 15 cm²)

Por tanto, utilizando la mejor tecnología de celda disponible con área de 12.5 × 12.5 y 15 × 15 cm² obtenemos una potencia de salida de 66.69 W y 96.18 W respectivamente (considerando I_M al 95% de I_SC y densidad de corriente de 30 mA/cm²).

Para aumentar la tensión y corriente del módulo, se deben conectar más celdas en serie y paralelo respectivamente, lo que aumentará la potencia total del módulo más allá de lo calculado.

Ejemplo:

Ahora, para mejor entendimiento, diseñemos un módulo PV que pueda proporcionar una tensión en el punto de máxima potencia V_M de 45 V bajo STC y 33.5 V bajo temperatura de operación de 60 °C. Usaremos celdas con tensión 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: Encontrar la tensión en el punto de máxima potencia V_M.

Si V_M no está especificada, tome V_M como 80-85% de V_OC.

Asumamos V_M = 0.85 × V_OC = 0.85 × 0.64 V = 0.544 V

Paso 2: Encontrar la pérdida de tensión bajo temperatura de operación, es decir, a 60 °C.

Aumento de temperatura sobre STC = Temperatura de operación – Temperatura en STC.

Aumento de temperatura sobre STC = 60 °C – 25 °C = 35 °C

Por tanto, pérdida de tensión debido al aumento de temperatura sobre STC = 35 °C × 0.004 V = 0.14 V

Paso 3: Determinar la tensión en condición de operación.

La tensión en condición de operación = Tensión en STC (V_M) – pérdida de tensión debido al aumento de temperatura sobre STC.

Por tanto, Tensión en condición de operación = 0.544 V – 0.14 V = 0.404 V

Paso 4: Determinar la tensión de módulo PV requerida.

Necesitamos que la tensión del módulo sea de alrededor de 33.5 V.

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

El número de celdas conectadas en serie = Tensión del módulo PV / Tensión en condición de operación.

Número de celdas conectadas en serie = 33.5 V / 0.404 V = 82.92 o aproximadamente 83 celdas.

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

I_M = 4.446 A (para un área de 12.5 × 12.5 cm²)

I_M = 6.412 A (para un área de 15 × 15 cm²)

Ahora podemos determinar la potencia máxima pico para estas dos celdas a una tensión de 45 V:

P_M = V_M × I_M

P_M = 45 V × 4.446 A = 200.07 W (para un área de 12.5 × 12.5 cm²)

P_M = 45 V × 6.412 A = 288.54 W (para un área de 15 × 15 cm²)

Así, según el requerimiento de gran potencia, tales celdas de áreas mayores se conectan en serie y paralelo para formar un módulo PV. Además, estos módulos PV pueden conectarse en serie y paralelo para formar un array PV que genera potencia en MWs.

Diodos de Bloqueo y Derivación (Bypass)

Diodo de Derivación (Bypass)

Todas las celdas conectadas en serie en el módulo PV son idénticas; todas producen corriente cuando la luz incide sobre ellas. Pero si una de las celdas solares se sombrea por algún objeto, la luz que incide sobre ella se interrumpe y produce menor corriente o casi nula debido a esta interrupción.

Esta celda actuará ahora como una resistencia al flujo de corriente en la cadena serie de celdas. Actuará como una carga y la potencia generada por las otras celdas se disipará en la celda sombreada causando el aumento de temperatura de la celda y formando un punto caliente. Esto puede incluso llevar a la rotura del vidrio del módulo, incendios y accidentes en el sistema.

Los diodos de derivación se usan para evitar tales catástrofes en nuestro sistema diseñado. Como se muestra en la figura 5, el diodo de derivación se conecta en paralelo a la celda solar con polaridad opuesta.

En condiciones normales sin sombreado, el diodo de derivación está polarizado inversamente actuando como circuito abierto. Pero si ocurre sombreado en la cadena serie de celdas, la celda sombreada estará polarizada inversamente y esto actuará como polarización directa para el diodo de derivación, ya que está conectado con polaridad opuesta a la celda solar.

Ahora, el diodo de derivación de esta celda sombreada conducirá la corriente a través de él en lugar de la celda sombreada. Así, el diodo deriva la celda evitando el daño por sobrecalentamiento, de ahí el nombre diodo de derivación. Idealmente, debería haber un diodo por celda solar en un módulo, pero prácticamente, para hacer el módulo rentable, un diodo de derivación se conecta para una combinación en serie de 10-15 celdas.

Diodo de Bloqueo

En un sistema aislado (off-grid), los módulos se usan para suministrar potencia a la carga y cargar la batería. Durante la noche, cuando no hay luz solar, el módulo no produce energía y las baterías cargadas comienzan a suministrar potencia a la carga y al módulo PV. La potencia suministrada al módulo PV es una pérdida de potencia. Para evitar la pérdida, se coloca un diodo para bloquear el flujo de corriente desde la batería al módulo PV. Así, es gracias a este diodo que se evita la pérdida de potencia bloqueando el flujo de corriente desde la batería al módulo.

Conexión en Serie, Paralelo y Serie-Paralelo de Paneles Solares y Array

Ya hemos explicado muy bien este tema en nuestra publicación anterior etiquetada como Conexión en Serie, Paralelo y Serie-Paralelo de Paneles PV. Podrá cablear strings de módulos solares y arrays en serie, paralelo o una combinación de serie y paralelo.