La Matriz Solar Fotovoltaica
Si los paneles solares fotovoltaicos están formados por células fotovoltaicas individuales conectadas entre sí, entonces elPaneles Fotovoltaicos Solares, también conocido simplemente comoPaneles solareses un sistema formado por un grupo de paneles solares conectados entre sí.
Por tanto, una matriz fotovoltaica es la formación de varios paneles solares cableados eléctricamente para formar una instalación fotovoltaica mucho mayor (sistema fotovoltaico) llamada matriz, y en general, cuanto mayor sea la superficie total de la matriz, más electricidad solar producirá.
Un sistema fotovoltaico completo utiliza una matriz fotovoltaica como fuente principal para la generación del suministro eléctrico. La cantidad de energía solar producida por un solo panel o módulo fotovoltaico no es suficiente para un uso general.
La mayoría de los fabricantes producen un panel fotovoltaico estándar con una tensión de salida de 12V o 24V. Al conectar muchos paneles fotovoltaicos individuales en serie (para un mayor requerimiento de voltaje) y en paralelo (para mayor requerimiento de corriente), el conjunto fotovoltaico producirá la potencia deseada.
Un panel solar fotovoltaico
Las células y paneles fotovoltaicos convierten la energía solar en electricidad de corriente continua (CC). La conexión de los paneles solares en un solo panel fotovoltaico es la misma que la de las pilas fotovoltaicas en un solo panel.
Los paneles de una matriz pueden conectarse eléctricamente entre sí en serie, en paralelo o en una mezcla de ambos, pero generalmente se elige una conexión en serie para aumentar la tensión de salida. Por ejemplo, cuando dos paneles solares están conectados en serie, su voltaje se duplica mientras la corriente permanece igual.
El tamaño de una matriz fotovoltaica puede consistir en unos pocos módulos fotovoltaicos individuales o paneles conectados en un entorno urbano y montados en una azotea, o puede consistir en cientos de paneles fotovoltaicos interconectados en un campo para suministrar energía a toda una ciudad o barrio. La flexibilidad de la matriz fotovoltaica modular (sistema fotovoltaico) permite a los diseñadores crear sistemas solares capaces de satisfacer una amplia variedad de necesidades eléctricas, sean grandes o pequeñas.
Es importante señalar que los paneles o módulos fotovoltaicos de diferentes fabricantes no deben mezclarse en un solo conjunto, aunque su potencia, voltaje o corriente sean nominalmente similares. Esto se debe a que las diferencias en las curvas características I-V de las células solares, así como en su respuesta espectral, probablemente causen pérdidas adicionales por desajuste dentro del conjunto, reduciendo así su eficiencia global.
Las características eléctricas de una instalación fotovoltaica
Las características eléctricas de un conjunto fotovoltaico se resumen en la relación entre la corriente de salida y el voltaje. La cantidad e intensidad de la insolación solar (irradiancia solar) controla la cantidad de corriente de salida (I), y la temperatura de funcionamiento de las células solares afecta al voltaje de salida (V) del conjunto fotovoltaico. Las curvas de paneles fotovoltaicos (I-V) que resumen la relación entre la corriente y el voltaje son dadas por los fabricantes y se indican como:
Parámetros de los paneles solares
COV = tensión en circuito abierto:– Esta es la tensión máxima que proporciona la matriz cuando los terminales no están conectados a ninguna carga (una condición de circuito abierto). Este valor es mucho mayor que Vmax, lo que se relaciona con el funcionamiento de la matriz fotovoltaica, que está fijada por la carga. Este valor depende del número de paneles fotovoltaicos conectados en serie.
ISC = corriente de cortocircuito– La corriente máxima proporcionada por la matriz fotovoltaica cuando los conectores de salida están en circuito (condición de cortocircuito). Este valor es mucho mayor que el de imax, que se relaciona con la corriente normal del circuito de funcionamiento.
Pmax = punto de potencia máxima– Esto se relaciona con el punto en que la potencia suministrada por la matriz conectada a la carga (baterías, inversores) está en su valor máximo, donde Pmax = Imax x Vmax. El punto de potencia máximo de una instalación fotovoltaica se mide en vatios (W) o en vatios picos (Wp).
FF = factor de relleno –El factor de llenado es la relación entre la potencia máxima que el conjunto puede proporcionar en condiciones normales de funcionamiento y el producto del voltaje de circuito abierto por la corriente de cortocircuito, (Voc x Isc). Este valor del factor de llenado da una idea de la calidad del conjunto y cuanto más cerca esté el factor de llenado de 1 (unidad), Cuanta más energía pueda proporcionar la matriz. Los valores típicos están entre 0,7 y 0,8.
% eff = % eficiencia –La eficiencia de un conjunto fotovoltaico es la relación entre la máxima potencia eléctrica que puede producir el conjunto y la cantidad de irradiancia solar que llega al conjunto. La eficiencia de un panel solar típico es normalmente baja, alrededor del 10-12%, dependiendo del tipo de celdas (monocristalinas, policristalinas, amorfas o de película delgada) que se utilicen.
Las curvas de características fotovoltaicas de I-V proporcionan la información que los diseñadores necesitan para configurar sistemas que puedan operar lo más cerca posible del punto de máxima potencia. El punto de potencia máxima se mide cuando el módulo fotovoltaico produce su máxima potencia cuando está expuesto a radiación solar, equivalente a 1000 vatios por metro cuadrado, 1000 W/m2 o 1 kW/m2. Considera el circuito que aparece a continuación.
Conexiones de Paneles Fotovoltaicos
Esta sencilla matriz fotovoltaica anterior consta de cuatro módulos fotovoltaicos como se muestra, produciendo dos ramas paralelas en las que hay dos paneles fotovoltaicos que se conectan eléctricamente para formar un circuito en serie. Por tanto, la tensión de salida de la matriz será igual a la conexión en serie de los paneles fotovoltaicos, y en nuestro ejemplo anterior, esto se calcula como: Vout = 12V + 12V = 24 voltios.
La corriente de salida será igual a la suma de las corrientes de rama paralelas. Si asumimos que cada panel fotovoltaico produce 3,75 amperios a pleno sol, la corriente total ( IT ) será igual a: IT = 3,75A + 3,75A = 7,5 amperios. Entonces, la potencia máxima de la instalación fotovoltaica a pleno sol puede calcularse como: Pout = V x I = 24 x 7,5 = 180W.
La matriz fotovoltaica alcanza su máximo de 180 vatios a pleno sol porque la potencia máxima de salida de cada panel o módulo fotovoltaico es igual a 45 vatios (12V x 3,75A). Sin embargo, debido a los diferentes niveles de radiación solar, efecto de temperatura, pérdidas eléctricas, etc., la potencia máxima real suele ser mucho menor que los 180 vatios calculados. Entonces podemos presentar las características de nuestra matriz fotovoltaica como siendo.
Características de la matriz fotovoltaica
Diodos de derivación en paneles fotovoltaicos
Las células fotovoltaicas y los diodos son ambos dispositivos semiconductores fabricados con un material de silicio tipo P y un material de silicio tipo N fusionados entre sí. A diferencia de una celda fotovoltaica, que genera voltaje cuando se expone a la luz, los diodos de unión PN actúan como una válvula eléctrica unidireccional de estado sólido que solo permite que la corriente eléctrica fluya por sí misma en una sola dirección.
La ventaja de esto es que los diodos pueden usarse para bloquear el flujo de corriente eléctrica desde otras partes de un circuito solar eléctrico. Cuando se utilizan en un panel solar fotovoltaico, este tipo de diodos de silicio se denominan generalmente diodos bloqueadores.
En el tutorial anterior sobre paneles fotovoltaicos, vimos que los "diodos de derivación" se utilizan en paralelo con una o varias células solares fotovoltaicas para evitar que la corriente fluye desde las células PV buenas y bien expuestas a la luz solar se sobrecalienten y quemen las células PV débiles o parcialmente sombreadas, proporcionando un camino de corriente alrededor de la célula defectuosa. Los diodos bloqueadores se usan de forma diferente a los diodos de derivación.
Los diodos de derivación suelen conectarse en "paralelo" con una celda o panel fotovoltaico para desviar la corriente a su alrededor, mientras que los diodos de bloqueo se conectan en "serie" con los paneles fotovoltaicos para evitar que la corriente vuelva a entrar en ellos. Por tanto, los diodos bloqueadores son diferentes a los diodos de derivación, aunque en la mayoría de los casos el diodo es físicamente el mismo, pero se instalan de forma diferente y cumplen un propósito distinto. Considera nuestro panel solar fotovoltaico que aparece a continuación.
Diodos en matrices fotovoltaicas
Como dijimos antes, los diodos son dispositivos que permiten que la corriente fluya en una sola dirección. Los diodos de color verde son los familiares diodos de derivación, uno en paralelo con cada panel PV para proporcionar un camino de baja resistencia alrededor del panel. Sin embargo, los dos diodos coloreados de rojo se denominan "diodos bloqueadores", uno en serie con cada rama de serie. Estos diodos bloqueadores aseguran que la corriente eléctrica solo fluya FUERA del conjunto en serie hacia la carga externa, el controlador o las baterías.
La razón de esto es evitar que la corriente generada por otros paneles fotovoltaicos conectados en paralelo en la misma matriz fluya de vuelta a través de una red más débil (sombreada) y también evitar que las baterías completamente cargadas se descarguen o drenen de nuevo a través de la matriz fotovoltaica por la noche. Por tanto, cuando se conectan varios paneles fotovoltaicos en paralelo, se deben usar diodos bloqueadores en cada rama conectada en paralelo.
En términos generales, los diodos bloqueantes se utilizan en matrices PV cuando hay dos o más ramas paralelas o existe la posibilidad de que parte de la matriz quede parcialmente sombreada durante el día a medida que el sol se mueve por el cielo. El tamaño y tipo de diodo de bloqueo utilizado dependen del tipo de matriz fotovoltaica. Existen dos tipos de diodos disponibles para las matrices de energía solar: el diodo de silicio de unión PN y el diodo barrera Schottky. Ambos están disponibles con una amplia gama de calificaciones actuales.
El diodo barrera Schottky tiene una caída de tensión directa mucho menor, de unos 0,4 voltios, en comparación con la caída de 0,7 voltios del diodo PN de un dispositivo de silicio. Esta menor caída de tensión permite ahorrar una celda fotovoltaica completa en cada rama serie del panel solar, por lo tanto, el conjunto es más eficiente ya que se disipa menos energía en el diodo bloqueador. La mayoría de los fabricantes incluyen diodos bloqueadores dentro de sus módulos fotovoltaicos, lo que simplifica el diseño.
Construye tu propia matriz fotovoltaica
La cantidad de radiación solar recibida y la demanda energética diaria son los dos factores que controlan el diseño de la instalación fotovoltaica y los sistemas de energía solar. El panel fotovoltaico debe dimensionarse para satisfacer la demanda de carga y compensar cualquier pérdida del sistema, mientras que el sombreado de cualquier parte del panel solar reducirá significativamente la producción de todo el sistema.
Si los paneles solares están conectados eléctricamente en serie, la corriente será la misma en cada panel y, si los paneles están parcialmente sombreados, no pueden producir la misma cantidad de corriente. Además, los paneles fotovoltaicos sombreados disiparán energía y desperdiciarán en forma de calor en lugar de generarlo, y el uso de diodos de derivación ayudará a prevenir estos problemas al proporcionar un camino alternativo de corriente.
Los diodos bloqueadores no son necesarios en un sistema conectado en serie completa, pero deben usarse para evitar un flujo inverso de corriente desde las baterías de vuelta al panel durante la noche o cuando la irradiancia solar es baja. En cualquier diseño deben considerarse otras condiciones climáticas además de la luz solar.
Dado que el voltaje de salida de la célula solar de silicio es un parámetro relacionado con la temperatura, el diseñador debe ser consciente de las temperaturas diarias predominantes, tanto de los extremos (alta y baja) como de las variaciones estacionales. Además, la lluvia y la nevada deben tenerse en cuenta en el diseño de la estructura de montaje. La carga de viento es especialmente importante en instalaciones en la cima de montañas.
En nuestro próximo tutorial sobre "Energía Solar", veremos cómo podemos utilizar paneles fotovoltaicos semiconductores y paneles solares como parte de un sistema fotovoltaico independiente para generar energía para aplicaciones fuera de la red.
Si los paneles solares fotovoltaicos están formados por células fotovoltaicas individuales conectadas entre sí, entonces elPaneles Fotovoltaicos Solares, también conocido simplemente comoPaneles solareses un sistema formado por un grupo de paneles solares conectados entre sí.
Por tanto, una matriz fotovoltaica es la formación de varios paneles solares cableados eléctricamente para formar una instalación fotovoltaica mucho mayor (sistema fotovoltaico) llamada matriz, y en general, cuanto mayor sea la superficie total de la matriz, más electricidad solar producirá.
Un sistema fotovoltaico completo utiliza una matriz fotovoltaica como fuente principal para la generación del suministro eléctrico. La cantidad de energía solar producida por un solo panel o módulo fotovoltaico no es suficiente para un uso general.
La mayoría de los fabricantes producen un panel fotovoltaico estándar con una tensión de salida de 12V o 24V. Al conectar muchos paneles fotovoltaicos individuales en serie (para un mayor requerimiento de voltaje) y en paralelo (para mayor requerimiento de corriente), el conjunto fotovoltaico producirá la potencia deseada.
Un panel solar fotovoltaico
Las células y paneles fotovoltaicos convierten la energía solar en electricidad de corriente continua (CC). La conexión de los paneles solares en un solo panel fotovoltaico es la misma que la de las pilas fotovoltaicas en un solo panel.
Los paneles de una matriz pueden conectarse eléctricamente entre sí en serie, en paralelo o en una mezcla de ambos, pero generalmente se elige una conexión en serie para aumentar la tensión de salida. Por ejemplo, cuando dos paneles solares están conectados en serie, su voltaje se duplica mientras la corriente permanece igual.
El tamaño de una matriz fotovoltaica puede consistir en unos pocos módulos fotovoltaicos individuales o paneles conectados en un entorno urbano y montados en una azotea, o puede consistir en cientos de paneles fotovoltaicos interconectados en un campo para suministrar energía a toda una ciudad o barrio. La flexibilidad de la matriz fotovoltaica modular (sistema fotovoltaico) permite a los diseñadores crear sistemas solares capaces de satisfacer una amplia variedad de necesidades eléctricas, sean grandes o pequeñas.
Es importante señalar que los paneles o módulos fotovoltaicos de diferentes fabricantes no deben mezclarse en un solo conjunto, aunque su potencia, voltaje o corriente sean nominalmente similares. Esto se debe a que las diferencias en las curvas características I-V de las células solares, así como en su respuesta espectral, probablemente causen pérdidas adicionales por desajuste dentro del conjunto, reduciendo así su eficiencia global.
Las características eléctricas de una instalación fotovoltaica
Las características eléctricas de un conjunto fotovoltaico se resumen en la relación entre la corriente de salida y el voltaje. La cantidad e intensidad de la insolación solar (irradiancia solar) controla la cantidad de corriente de salida (I), y la temperatura de funcionamiento de las células solares afecta al voltaje de salida (V) del conjunto fotovoltaico. Las curvas de paneles fotovoltaicos (I-V) que resumen la relación entre la corriente y el voltaje son dadas por los fabricantes y se indican como:
Parámetros de los paneles solares
COV = tensión en circuito abierto:– Esta es la tensión máxima que proporciona la matriz cuando los terminales no están conectados a ninguna carga (una condición de circuito abierto). Este valor es mucho mayor que Vmax, lo que se relaciona con el funcionamiento de la matriz fotovoltaica, que está fijada por la carga. Este valor depende del número de paneles fotovoltaicos conectados en serie.
ISC = corriente de cortocircuito– La corriente máxima proporcionada por la matriz fotovoltaica cuando los conectores de salida están en circuito (condición de cortocircuito). Este valor es mucho mayor que el de imax, que se relaciona con la corriente normal del circuito de funcionamiento.
Pmax = punto de potencia máxima– Esto se relaciona con el punto en que la potencia suministrada por la matriz conectada a la carga (baterías, inversores) está en su valor máximo, donde Pmax = Imax x Vmax. El punto de potencia máximo de una instalación fotovoltaica se mide en vatios (W) o en vatios picos (Wp).
FF = factor de relleno –El factor de llenado es la relación entre la potencia máxima que el conjunto puede proporcionar en condiciones normales de funcionamiento y el producto del voltaje de circuito abierto por la corriente de cortocircuito, (Voc x Isc). Este valor del factor de llenado da una idea de la calidad del conjunto y cuanto más cerca esté el factor de llenado de 1 (unidad), Cuanta más energía pueda proporcionar la matriz. Los valores típicos están entre 0,7 y 0,8.
% eff = % eficiencia –La eficiencia de un conjunto fotovoltaico es la relación entre la máxima potencia eléctrica que puede producir el conjunto y la cantidad de irradiancia solar que llega al conjunto. La eficiencia de un panel solar típico es normalmente baja, alrededor del 10-12%, dependiendo del tipo de celdas (monocristalinas, policristalinas, amorfas o de película delgada) que se utilicen.
Las curvas de características fotovoltaicas de I-V proporcionan la información que los diseñadores necesitan para configurar sistemas que puedan operar lo más cerca posible del punto de máxima potencia. El punto de potencia máxima se mide cuando el módulo fotovoltaico produce su máxima potencia cuando está expuesto a radiación solar, equivalente a 1000 vatios por metro cuadrado, 1000 W/m2 o 1 kW/m2. Considera el circuito que aparece a continuación.
Conexiones de Paneles Fotovoltaicos
Esta sencilla matriz fotovoltaica anterior consta de cuatro módulos fotovoltaicos como se muestra, produciendo dos ramas paralelas en las que hay dos paneles fotovoltaicos que se conectan eléctricamente para formar un circuito en serie. Por tanto, la tensión de salida de la matriz será igual a la conexión en serie de los paneles fotovoltaicos, y en nuestro ejemplo anterior, esto se calcula como: Vout = 12V + 12V = 24 voltios.
La corriente de salida será igual a la suma de las corrientes de rama paralelas. Si asumimos que cada panel fotovoltaico produce 3,75 amperios a pleno sol, la corriente total ( IT ) será igual a: IT = 3,75A + 3,75A = 7,5 amperios. Entonces, la potencia máxima de la instalación fotovoltaica a pleno sol puede calcularse como: Pout = V x I = 24 x 7,5 = 180W.
La matriz fotovoltaica alcanza su máximo de 180 vatios a pleno sol porque la potencia máxima de salida de cada panel o módulo fotovoltaico es igual a 45 vatios (12V x 3,75A). Sin embargo, debido a los diferentes niveles de radiación solar, efecto de temperatura, pérdidas eléctricas, etc., la potencia máxima real suele ser mucho menor que los 180 vatios calculados. Entonces podemos presentar las características de nuestra matriz fotovoltaica como siendo.
Características de la matriz fotovoltaica
Diodos de derivación en paneles fotovoltaicos
Las células fotovoltaicas y los diodos son ambos dispositivos semiconductores fabricados con un material de silicio tipo P y un material de silicio tipo N fusionados entre sí. A diferencia de una celda fotovoltaica, que genera voltaje cuando se expone a la luz, los diodos de unión PN actúan como una válvula eléctrica unidireccional de estado sólido que solo permite que la corriente eléctrica fluya por sí misma en una sola dirección.
La ventaja de esto es que los diodos pueden usarse para bloquear el flujo de corriente eléctrica desde otras partes de un circuito solar eléctrico. Cuando se utilizan en un panel solar fotovoltaico, este tipo de diodos de silicio se denominan generalmente diodos bloqueadores.
En el tutorial anterior sobre paneles fotovoltaicos, vimos que los "diodos de derivación" se utilizan en paralelo con una o varias células solares fotovoltaicas para evitar que la corriente fluye desde las células PV buenas y bien expuestas a la luz solar se sobrecalienten y quemen las células PV débiles o parcialmente sombreadas, proporcionando un camino de corriente alrededor de la célula defectuosa. Los diodos bloqueadores se usan de forma diferente a los diodos de derivación.
Los diodos de derivación suelen conectarse en "paralelo" con una celda o panel fotovoltaico para desviar la corriente a su alrededor, mientras que los diodos de bloqueo se conectan en "serie" con los paneles fotovoltaicos para evitar que la corriente vuelva a entrar en ellos. Por tanto, los diodos bloqueadores son diferentes a los diodos de derivación, aunque en la mayoría de los casos el diodo es físicamente el mismo, pero se instalan de forma diferente y cumplen un propósito distinto. Considera nuestro panel solar fotovoltaico que aparece a continuación.
Diodos en matrices fotovoltaicas
Como dijimos antes, los diodos son dispositivos que permiten que la corriente fluya en una sola dirección. Los diodos de color verde son los familiares diodos de derivación, uno en paralelo con cada panel PV para proporcionar un camino de baja resistencia alrededor del panel. Sin embargo, los dos diodos coloreados de rojo se denominan "diodos bloqueadores", uno en serie con cada rama de serie. Estos diodos bloqueadores aseguran que la corriente eléctrica solo fluya FUERA del conjunto en serie hacia la carga externa, el controlador o las baterías.
La razón de esto es evitar que la corriente generada por otros paneles fotovoltaicos conectados en paralelo en la misma matriz fluya de vuelta a través de una red más débil (sombreada) y también evitar que las baterías completamente cargadas se descarguen o drenen de nuevo a través de la matriz fotovoltaica por la noche. Por tanto, cuando se conectan varios paneles fotovoltaicos en paralelo, se deben usar diodos bloqueadores en cada rama conectada en paralelo.
En términos generales, los diodos bloqueantes se utilizan en matrices PV cuando hay dos o más ramas paralelas o existe la posibilidad de que parte de la matriz quede parcialmente sombreada durante el día a medida que el sol se mueve por el cielo. El tamaño y tipo de diodo de bloqueo utilizado dependen del tipo de matriz fotovoltaica. Existen dos tipos de diodos disponibles para las matrices de energía solar: el diodo de silicio de unión PN y el diodo barrera Schottky. Ambos están disponibles con una amplia gama de calificaciones actuales.
El diodo barrera Schottky tiene una caída de tensión directa mucho menor, de unos 0,4 voltios, en comparación con la caída de 0,7 voltios del diodo PN de un dispositivo de silicio. Esta menor caída de tensión permite ahorrar una celda fotovoltaica completa en cada rama serie del panel solar, por lo tanto, el conjunto es más eficiente ya que se disipa menos energía en el diodo bloqueador. La mayoría de los fabricantes incluyen diodos bloqueadores dentro de sus módulos fotovoltaicos, lo que simplifica el diseño.
Construye tu propia matriz fotovoltaica
La cantidad de radiación solar recibida y la demanda energética diaria son los dos factores que controlan el diseño de la instalación fotovoltaica y los sistemas de energía solar. El panel fotovoltaico debe dimensionarse para satisfacer la demanda de carga y compensar cualquier pérdida del sistema, mientras que el sombreado de cualquier parte del panel solar reducirá significativamente la producción de todo el sistema.
Si los paneles solares están conectados eléctricamente en serie, la corriente será la misma en cada panel y, si los paneles están parcialmente sombreados, no pueden producir la misma cantidad de corriente. Además, los paneles fotovoltaicos sombreados disiparán energía y desperdiciarán en forma de calor en lugar de generarlo, y el uso de diodos de derivación ayudará a prevenir estos problemas al proporcionar un camino alternativo de corriente.
Los diodos bloqueadores no son necesarios en un sistema conectado en serie completa, pero deben usarse para evitar un flujo inverso de corriente desde las baterías de vuelta al panel durante la noche o cuando la irradiancia solar es baja. En cualquier diseño deben considerarse otras condiciones climáticas además de la luz solar.
Dado que el voltaje de salida de la célula solar de silicio es un parámetro relacionado con la temperatura, el diseñador debe ser consciente de las temperaturas diarias predominantes, tanto de los extremos (alta y baja) como de las variaciones estacionales. Además, la lluvia y la nevada deben tenerse en cuenta en el diseño de la estructura de montaje. La carga de viento es especialmente importante en instalaciones en la cima de montañas.
En nuestro próximo tutorial sobre "Energía Solar", veremos cómo podemos utilizar paneles fotovoltaicos semiconductores y paneles solares como parte de un sistema fotovoltaico independiente para generar energía para aplicaciones fuera de la red.