La matriz solar fotovoltaica
Si los paneles solares fotovoltaicos están formados por células fotovoltaicas individuales conectadas entre sí, entonces elMatriz Solar Fotovoltaica, también conocido simplemente comoPaneles solareses un sistema formado por un grupo de paneles solares conectados entre sí.
Por lo tanto, una matriz fotovoltaica es múltiples paneles solares conectados eléctricamente para formar una instalación fotovoltaica mucho más grande (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 de energía eléctrica. La cantidad de energía solar producida por un solo panel o módulo fotovoltaico no es suficiente para uso general.
La mayoría de los fabricantes producen un panel fotovoltaico estándar con un voltaje de salida de 12V o 24V. Al conectar muchos paneles fotovoltaicos individuales en serie (para un requisito de voltaje más alto) y en paralelo (para un requisito de corriente más alto), la matriz fotovoltaica producirá la potencia de salida 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 una sola matriz fotovoltaica es la misma que la de las células fotovoltaicas en un solo panel.
Los paneles de una matriz se pueden conectar eléctricamente entre sí en una serie, un paralelo o una mezcla de los dos, pero generalmente se elige una conexión en serie para dar un mayor voltaje de salida. Por ejemplo, cuando dos paneles solares están conectados en serie, su voltaje se duplica mientras que la corriente permanece igual.
El tamaño de una matriz fotovoltaica puede consistir en unos pocos módulos fotovoltaicos individuales o paneles conectados entre sí en un entorno urbano y montados en una azotea, o puede consistir en muchos cientos de paneles fotovoltaicos interconectados entre sí en un campo para suministrar energía a toda una ciudad o vecindario. La flexibilidad de la matriz fotovoltaica modular (sistema fotovoltaico) permite a los diseñadores crear sistemas de energía solar que pueden satisfacer una amplia variedad de necesidades eléctricas, sin importar cuán grandes o pequeñas sean.
Es importante tener en cuenta que los paneles o módulos fotovoltaicos de diferentes fabricantes no deben mezclarse en una sola matriz, incluso si sus salidas de potencia, voltaje o corriente son nominalmente similares. Esto se debe a que es probable que las diferencias en las curvas características I-V de la célula solar, así como su respuesta espectral, causen pérdidas adicionales de desajuste dentro de la matriz, reduciendo así su eficiencia general.
Las características eléctricas de una matriz fotovoltaica
Las características eléctricas de una matriz fotovoltaica 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 el voltaje de salida (V) de la matriz fotovoltaica. Las curvas del panel fotovoltaico (I-V) que resumen la relación entre la corriente y el voltaje son dadas por los fabricantes y se dan como:
Parámetros de la matriz solar
COV = voltaje de circuito abierto:– Este es el voltaje máximo que proporciona la matriz cuando los terminales no están conectados a ninguna carga (una condición de circuito abierto). Este valor es mucho más alto que Vmax que se relaciona con el funcionamiento de la matriz fotovoltaica que se fija por la carga. Este valor depende del número de paneles fotovoltaicos conectados entre sí en serie.
ISC = corriente de cortocircuito– La corriente máxima proporcionada por la matriz fotovoltaica cuando los conectores de salida se cortocircuitan juntos (una condición de cortocircuito). Este valor es mucho más alto que Imax, que se relaciona con la corriente normal del circuito de funcionamiento.
Pmax = punto de máxima potencia– Esto se refiere al punto donde la potencia suministrada por la matriz que está conectada a la carga (baterías, inversores) está en su valor máximo, donde Pmax = Imax x Vmax. El punto de potencia máxima de una matriz fotovoltaica se mide en vatios (W) o vatios pico (Wp).
FF = factor de llenado –El factor de llenado es la relación entre la potencia máxima que la matriz puede proporcionar realmente en condiciones normales de funcionamiento y el producto del voltaje de circuito abierto multiplicado por la corriente de cortocircuito, ( Voc x Isc ) Este valor del factor de llenado da una idea de la calidad de la matriz y cuanto más cerca esté el factor de llenado de 1 (unidad), cuanta más potencia pueda proporcionar la matriz. Los valores típicos están entre 0,7 y 0,8.
% eff = porcentaje de eficiencia –La eficiencia de una matriz fotovoltaica es la relación entre la potencia eléctrica máxima que la matriz puede producir en comparación con la cantidad de irradiancia solar que golpea la matriz. La eficiencia de una matriz solar típica es normalmente baja, alrededor del 10-12%, dependiendo del tipo de células (monocristalinas, policristalinas, amorfas o de película delgada) que se utilicen.
Las curvas de características fotovoltaicas I-V proporcionan la información que los diseñadores necesitan para configurar sistemas que puedan operar lo más cerca posible del punto de máxima potencia máxima. El punto de potencia máxima se mide cuando el módulo fotovoltaico produce su máxima cantidad de potencia cuando se expone a la radiación solar equivalente a 1000 vatios por metro cuadrado, 1000 W / m2 o 1kW / m2. Considere el circuito a continuación.
Conexiones de matriz fotovoltaica
Esta simple matriz fotovoltaica de arriba consta de cuatro módulos fotovoltaicos como se muestra, produciendo dos ramas paralelas en las que hay dos paneles fotovoltaicos que están conectados eléctricamente para producir un circuito en serie. Por lo tanto, el voltaje 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 ramificación 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. Luego, la potencia máxima de la matriz fotovoltaica a pleno sol se puede calcular 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 de salida máxima real suele ser mucho menor que los 180 vatios calculados. Entonces podemos presentar nuestras características de matriz fotovoltaica como siendo.
Características de la matriz fotovoltaica
Diodos de derivación en matrices fotovoltaicas
Las células fotovoltaicas y los diodos son dispositivos semiconductores hechos de un material de silicio de tipo P y un material de silicio de tipo N fusionados. A diferencia de una célula fotovoltaica que genera un 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 a través de sí misma en una sola dirección.
La ventaja de esto es que los diodos se pueden usar para bloquear el flujo de corriente eléctrica de otras partes de un circuito solar eléctrico. Cuando se utilizan en una matriz solar fotovoltaica, estos tipos de diodos de silicio generalmente se denominan diodos de bloqueo.
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 las corrientes fluyan de células fotovoltaicas buenas, bien expuestas a la luz solar que se sobrecalientan y queman células fotovoltaicas débiles o parcialmente sombreadas al proporcionar un camino de corriente alrededor de la célula defectuosa. Los diodos de bloqueo se utilizan de manera diferente a los diodos de derivación.
Los diodos de derivación generalmente se conectan 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 fluya hacia ellos. Por lo tanto, los diodos de bloqueo son diferentes a los diodos de derivación, aunque en la mayoría de los casos el diodo es físicamente el mismo, pero se instalan de manera diferente y tienen un propósito diferente. Considere nuestra matriz solar fotovoltaica a continuación.
Diodos en matrices fotovoltaicas
Como dijimos anteriormente, los diodos son dispositivos que permiten que la corriente fluya en una sola dirección. Los diodos de color verde son los diodos de derivación familiares, uno en paralelo con cada panel fotovoltaico para proporcionar una ruta de baja resistencia alrededor del panel. Sin embargo, los dos diodos de color rojo se conocen como los "diodos de bloqueo", uno en serie con cada rama de serie. Estos diodos de bloqueo aseguran que la corriente eléctrica solo fluya FUERA de la matriz en serie a la carga externa, el controlador o las baterías.
La razón de esto es evitar que la corriente generada por los otros paneles fotovoltaicos conectados en paralelo en la misma matriz fluya hacia atrás a través de una red más débil (sombreada) y también para evitar que las baterías completamente cargadas se descarguen o drenen a través de la matriz fotovoltaica por la noche. Por lo tanto, cuando se conectan varios paneles fotovoltaicos en paralelo, se deben usar diodos de bloqueo en cada rama conectada en paralelo.
En términos generales, los diodos de bloqueo se utilizan en matrices fotovoltaicas cuando hay dos o más ramas paralelas o existe la posibilidad de que parte de la matriz se sombree parcialmente durante el día a medida que el sol se mueve por el cielo. El tamaño y el tipo de diodo de bloqueo utilizado dependen del tipo de matriz fotovoltaica. Hay dos tipos de diodos disponibles para matrices de energía solar: el diodo de silicio de unión PN y el diodo de barrera Schottky. Ambos están disponibles con una amplia gama de clasificaciones actuales.
El diodo de barrera Schottky tiene una caída de voltaje directo mucho menor de aproximadamente 0.4 voltios en comparación con la caída de diodos PN de 0.7 voltios para un dispositivo de silicio. Esta caída de voltaje más baja permite un ahorro de una célula fotovoltaica completa en cada rama de la serie de la matriz solar, por lo tanto, la matriz es más eficiente ya que se disipa menos energía en el diodo de bloqueo. La mayoría de los fabricantes incluyen diodos de bloqueo dentro de sus módulos fotovoltaicos que simplifican el diseño.
Construye tu propia matriz fotovoltaica
La cantidad de radiación solar recibida y la demanda diaria de energía son los dos factores de control en el diseño de la matriz fotovoltaica y los sistemas de energía solar. La matriz fotovoltaica debe dimensionarse para satisfacer la demanda de carga y tener en cuenta cualquier pérdida del sistema, mientras que el sombreado de cualquier parte de la matriz solar reducirá significativamente la producción de todo el sistema.
Si los paneles solares están conectados eléctricamente entre sí 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 la energía y los desechos en forma de calor en lugar de generarlos y el uso de diodos de derivación ayudará a prevenir tales problemas al proporcionar una ruta de corriente alternativa.
Los diodos de bloqueo no son necesarios en un sistema completamente conectado en serie, pero deben usarse para evitar un flujo de corriente inversa de las baterías de regreso a la matriz durante la noche o cuando la irradiancia solar es baja. Otras condiciones climáticas aparte de la luz solar deben ser consideradas en cualquier diseño.
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 prevalecientes, tanto extremas (alta y baja) como variaciones estacionales. Además, la lluvia y las nevadas deben considerarse en el diseño de la estructura de montaje. La carga del viento es especialmente importante en las instalaciones de la cima de la montaña.
En nuestro próximo tutorial sobre "Energía solar", veremos cómo podemos usar matrices fotovoltaicas de 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 elMatriz Solar Fotovoltaica, también conocido simplemente comoPaneles solareses un sistema formado por un grupo de paneles solares conectados entre sí.
Por lo tanto, una matriz fotovoltaica es múltiples paneles solares conectados eléctricamente para formar una instalación fotovoltaica mucho más grande (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 de energía eléctrica. La cantidad de energía solar producida por un solo panel o módulo fotovoltaico no es suficiente para uso general.
La mayoría de los fabricantes producen un panel fotovoltaico estándar con un voltaje de salida de 12V o 24V. Al conectar muchos paneles fotovoltaicos individuales en serie (para un requisito de voltaje más alto) y en paralelo (para un requisito de corriente más alto), la matriz fotovoltaica producirá la potencia de salida 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 una sola matriz fotovoltaica es la misma que la de las células fotovoltaicas en un solo panel.
Los paneles de una matriz se pueden conectar eléctricamente entre sí en una serie, un paralelo o una mezcla de los dos, pero generalmente se elige una conexión en serie para dar un mayor voltaje de salida. Por ejemplo, cuando dos paneles solares están conectados en serie, su voltaje se duplica mientras que la corriente permanece igual.
El tamaño de una matriz fotovoltaica puede consistir en unos pocos módulos fotovoltaicos individuales o paneles conectados entre sí en un entorno urbano y montados en una azotea, o puede consistir en muchos cientos de paneles fotovoltaicos interconectados entre sí en un campo para suministrar energía a toda una ciudad o vecindario. La flexibilidad de la matriz fotovoltaica modular (sistema fotovoltaico) permite a los diseñadores crear sistemas de energía solar que pueden satisfacer una amplia variedad de necesidades eléctricas, sin importar cuán grandes o pequeñas sean.
Es importante tener en cuenta que los paneles o módulos fotovoltaicos de diferentes fabricantes no deben mezclarse en una sola matriz, incluso si sus salidas de potencia, voltaje o corriente son nominalmente similares. Esto se debe a que es probable que las diferencias en las curvas características I-V de la célula solar, así como su respuesta espectral, causen pérdidas adicionales de desajuste dentro de la matriz, reduciendo así su eficiencia general.
Las características eléctricas de una matriz fotovoltaica
Las características eléctricas de una matriz fotovoltaica 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 el voltaje de salida (V) de la matriz fotovoltaica. Las curvas del panel fotovoltaico (I-V) que resumen la relación entre la corriente y el voltaje son dadas por los fabricantes y se dan como:
Parámetros de la matriz solar
COV = voltaje de circuito abierto:– Este es el voltaje máximo que proporciona la matriz cuando los terminales no están conectados a ninguna carga (una condición de circuito abierto). Este valor es mucho más alto que Vmax que se relaciona con el funcionamiento de la matriz fotovoltaica que se fija por la carga. Este valor depende del número de paneles fotovoltaicos conectados entre sí en serie.
ISC = corriente de cortocircuito– La corriente máxima proporcionada por la matriz fotovoltaica cuando los conectores de salida se cortocircuitan juntos (una condición de cortocircuito). Este valor es mucho más alto que Imax, que se relaciona con la corriente normal del circuito de funcionamiento.
Pmax = punto de máxima potencia– Esto se refiere al punto donde la potencia suministrada por la matriz que está conectada a la carga (baterías, inversores) está en su valor máximo, donde Pmax = Imax x Vmax. El punto de potencia máxima de una matriz fotovoltaica se mide en vatios (W) o vatios pico (Wp).
FF = factor de llenado –El factor de llenado es la relación entre la potencia máxima que la matriz puede proporcionar realmente en condiciones normales de funcionamiento y el producto del voltaje de circuito abierto multiplicado por la corriente de cortocircuito, ( Voc x Isc ) Este valor del factor de llenado da una idea de la calidad de la matriz y cuanto más cerca esté el factor de llenado de 1 (unidad), cuanta más potencia pueda proporcionar la matriz. Los valores típicos están entre 0,7 y 0,8.
% eff = porcentaje de eficiencia –La eficiencia de una matriz fotovoltaica es la relación entre la potencia eléctrica máxima que la matriz puede producir en comparación con la cantidad de irradiancia solar que golpea la matriz. La eficiencia de una matriz solar típica es normalmente baja, alrededor del 10-12%, dependiendo del tipo de células (monocristalinas, policristalinas, amorfas o de película delgada) que se utilicen.
Las curvas de características fotovoltaicas I-V proporcionan la información que los diseñadores necesitan para configurar sistemas que puedan operar lo más cerca posible del punto de máxima potencia máxima. El punto de potencia máxima se mide cuando el módulo fotovoltaico produce su máxima cantidad de potencia cuando se expone a la radiación solar equivalente a 1000 vatios por metro cuadrado, 1000 W / m2 o 1kW / m2. Considere el circuito a continuación.
Conexiones de matriz fotovoltaica
Esta simple matriz fotovoltaica de arriba consta de cuatro módulos fotovoltaicos como se muestra, produciendo dos ramas paralelas en las que hay dos paneles fotovoltaicos que están conectados eléctricamente para producir un circuito en serie. Por lo tanto, el voltaje 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 ramificación 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. Luego, la potencia máxima de la matriz fotovoltaica a pleno sol se puede calcular 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 de salida máxima real suele ser mucho menor que los 180 vatios calculados. Entonces podemos presentar nuestras características de matriz fotovoltaica como siendo.
Características de la matriz fotovoltaica
Diodos de derivación en matrices fotovoltaicas
Las células fotovoltaicas y los diodos son dispositivos semiconductores hechos de un material de silicio de tipo P y un material de silicio de tipo N fusionados. A diferencia de una célula fotovoltaica que genera un 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 a través de sí misma en una sola dirección.
La ventaja de esto es que los diodos se pueden usar para bloquear el flujo de corriente eléctrica de otras partes de un circuito solar eléctrico. Cuando se utilizan en una matriz solar fotovoltaica, estos tipos de diodos de silicio generalmente se denominan diodos de bloqueo.
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 las corrientes fluyan de células fotovoltaicas buenas, bien expuestas a la luz solar que se sobrecalientan y queman células fotovoltaicas débiles o parcialmente sombreadas al proporcionar un camino de corriente alrededor de la célula defectuosa. Los diodos de bloqueo se utilizan de manera diferente a los diodos de derivación.
Los diodos de derivación generalmente se conectan 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 fluya hacia ellos. Por lo tanto, los diodos de bloqueo son diferentes a los diodos de derivación, aunque en la mayoría de los casos el diodo es físicamente el mismo, pero se instalan de manera diferente y tienen un propósito diferente. Considere nuestra matriz solar fotovoltaica a continuación.
Diodos en matrices fotovoltaicas
Como dijimos anteriormente, los diodos son dispositivos que permiten que la corriente fluya en una sola dirección. Los diodos de color verde son los diodos de derivación familiares, uno en paralelo con cada panel fotovoltaico para proporcionar una ruta de baja resistencia alrededor del panel. Sin embargo, los dos diodos de color rojo se conocen como los "diodos de bloqueo", uno en serie con cada rama de serie. Estos diodos de bloqueo aseguran que la corriente eléctrica solo fluya FUERA de la matriz en serie a la carga externa, el controlador o las baterías.
La razón de esto es evitar que la corriente generada por los otros paneles fotovoltaicos conectados en paralelo en la misma matriz fluya hacia atrás a través de una red más débil (sombreada) y también para evitar que las baterías completamente cargadas se descarguen o drenen a través de la matriz fotovoltaica por la noche. Por lo tanto, cuando se conectan varios paneles fotovoltaicos en paralelo, se deben usar diodos de bloqueo en cada rama conectada en paralelo.
En términos generales, los diodos de bloqueo se utilizan en matrices fotovoltaicas cuando hay dos o más ramas paralelas o existe la posibilidad de que parte de la matriz se sombree parcialmente durante el día a medida que el sol se mueve por el cielo. El tamaño y el tipo de diodo de bloqueo utilizado dependen del tipo de matriz fotovoltaica. Hay dos tipos de diodos disponibles para matrices de energía solar: el diodo de silicio de unión PN y el diodo de barrera Schottky. Ambos están disponibles con una amplia gama de clasificaciones actuales.
El diodo de barrera Schottky tiene una caída de voltaje directo mucho menor de aproximadamente 0.4 voltios en comparación con la caída de diodos PN de 0.7 voltios para un dispositivo de silicio. Esta caída de voltaje más baja permite un ahorro de una célula fotovoltaica completa en cada rama de la serie de la matriz solar, por lo tanto, la matriz es más eficiente ya que se disipa menos energía en el diodo de bloqueo. La mayoría de los fabricantes incluyen diodos de bloqueo dentro de sus módulos fotovoltaicos que simplifican el diseño.
Construye tu propia matriz fotovoltaica
La cantidad de radiación solar recibida y la demanda diaria de energía son los dos factores de control en el diseño de la matriz fotovoltaica y los sistemas de energía solar. La matriz fotovoltaica debe dimensionarse para satisfacer la demanda de carga y tener en cuenta cualquier pérdida del sistema, mientras que el sombreado de cualquier parte de la matriz solar reducirá significativamente la producción de todo el sistema.
Si los paneles solares están conectados eléctricamente entre sí 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 la energía y los desechos en forma de calor en lugar de generarlos y el uso de diodos de derivación ayudará a prevenir tales problemas al proporcionar una ruta de corriente alternativa.
Los diodos de bloqueo no son necesarios en un sistema completamente conectado en serie, pero deben usarse para evitar un flujo de corriente inversa de las baterías de regreso a la matriz durante la noche o cuando la irradiancia solar es baja. Otras condiciones climáticas aparte de la luz solar deben ser consideradas en cualquier diseño.
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 prevalecientes, tanto extremas (alta y baja) como variaciones estacionales. Además, la lluvia y las nevadas deben considerarse en el diseño de la estructura de montaje. La carga del viento es especialmente importante en las instalaciones de la cima de la montaña.
En nuestro próximo tutorial sobre "Energía solar", veremos cómo podemos usar matrices fotovoltaicas de semiconductores y paneles solares como parte de un sistema fotovoltaico independiente para generar energía para aplicaciones fuera de la red.