Efecto sombreado en la salida del sistema solar fotovoltaico

- Oct 20, 2020-

Los sistemas solares fotovoltaicos comprenden una serie de paneles solares conectados a matrices dependiendo de la demanda de energía eléctrica de cada uno de esos paneles, que a su vez, se componen de muchas células solares fotovoltaicas que son las unidades esenciales involucradas en la captura de energía del sol y su conversión en electricidad. Ahora, si una sombra cae incluso en una parte del panel solar de su matriz, la salida del sistema completo puede verse potencialmente comprometida, esto se puede denominar sombreado de paneles fotovoltaicos.

Imagen que muestra la diferencia de salida del panel solar sombreado y no sombreado

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Para una mejor comprensión

Considere una cadena de paneles como un pedazo de tubería, y la energía solar es como el agua que fluye a través de esa tubería. En las cuerdas solares convencionales, una sombra es algo que bloquea ese flujo. Si, por ejemplo, la sombra de un árbol o una chimenea cae en incluso uno en todos los paneles dentro de la cadena, la salida de toda la cadena se reduce a casi cero durante el tiempo que la sombra se encuentra allí. Sin embargo, si hay una cadena separada sin sombreado, esta cadena todavía puede resultar de energía como de costumbre.

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Representación gráfica del efecto del sombreado en el sistema solar

Various partial shading effect on performance

¿Cuáles son los factores que causan el sombreado?

Sombreado, típicamente causado por nubes, obstrucciones ambientales como árboles o edificios cercanos, auto-sombreado entre paneles en filas paralelas, suciedad, polvo y diferentes otras basuras como excrementos de aves, etc. Estos efectos de sombreado también son estáticos como resultado de la posición de la obstrucción o, en algunos casos, dinámicos, como ejemplo, una sombra proyectada por nubes en movimiento.

¿Cómo afecta al rendimiento del sistema de energía solar?

Los paneles solares se conectan en combinación en serie y paralelo, dependiendo del rango de voltaje de entrada del inversor. Si la sombra de un árbol o chimenea está cayendo incluso en un panel de la cadena, la salida de toda la cadena será casi cero para el período de la sombra. Esto se debe a que los paneles están conectados entre sí de tal manera que la salida se reduce a un nivel de corriente que pasa a través del panel más débil. Si hay una cadena separada, sin sombreado, seguirá girando la potencia de salida como de costumbre. El impacto de la sombra en todo el sistema depende de sin embargo, los paneles están conectados entre sí.

Solar-Panels-and-Shading-Effect

¿Cómo abordar el problema de sombreado?

  • Posicionamiento de sistemas fotovoltaicos

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Antes de instalar un sistema solar fotovoltaico debe hacer un análisis cuidadoso del sitio teniendo en cuenta todo el tiempo del día para todas las estaciones del año para evitar la sombra. Un árbol o edificio en crecimiento cercano que pueda surgir en el futuro también debe ser considerado antes de finalizar la ubicación para el sistema fotovoltaico.

  • Bypass Diode

Omitir diodos para reducir el efecto del sombreado

Los efectos destructivos del calentamiento de puntos calientes pueden eludirse mediante el uso de un diodo de derivación. Un diodo de derivación está conectado en paralelo, pero con polaridad opuesta, a una célula solar como se muestra a continuación. En el funcionamiento normal, cada célula solar será sesgada hacia adelante y, por lo tanto, el diodo de derivación será sesgado hacia atrás y será efectivamente un circuito abierto. Sin embargo, si una célula solar es sesgada inversamente debido a un desajuste en la corriente de cortocircuito entre varias células conectadas en serie, entonces el diodo de derivación conduce, permitiendo así que la corriente de las buenas células solares fluya en el circuito externo en lugar de sesgar hacia delante cada célula buena. El sesgo inverso máximo a través de la célula pobre se reduce a aproximadamente una sola gota de diodo, limitando así la corriente y evitando el calentamiento del punto caliente. El funcionamiento de un diodo de derivación y el efecto en una curva IV se muestran en la animación siguiente.

bypass_diode_current_flow.gifFlujo de corriente para dos celdas en serie y el efecto de un diodo de derivación. La animación progresa automáticamente de una condición a otra.

El efecto de un diodo de derivación en una curva IV se puede determinar encontrando primero la curva IV de una sola célula solar con un diodo de derivación y luego combinando esta curva con otras curvas de la célula solar IV. El diodo de derivación afecta a la célula solar sólo en sesgo inverso. Si el sesgo inverso es mayor que el voltaje de la rodilla de la célula solar, entonces el diodo se enciende y conduce la corriente. La curva IV combinada se muestra en la figura siguiente.

IV curve with by-pass

Curva IV de célula solar con diodo bypass.

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Evitar el calentamiento del punto caliente con un diodo de derivación. Para mayor claridad, el ejemplo utiliza un total de 10 celdas con 9 sin sombra y 1 sombreada. Un módulo típico contiene 36 células y los efectos de la discordancia actual son aún peores sin el diodo de derivación, pero son menos importantes con el diodo de derivación. La animación se mueve automáticamente. No es necesario hacer clic para continuar.

En la práctica, sin embargo, un diodo de derivación por célula solar es generalmente demasiado caro y en su lugar los diodos de derivación se colocan generalmente a través de grupos de células solares. El voltaje a través de la celda solar sombreada o de baja corriente es igual a la tensión de polarización hacia adelante de las otras células de la serie que comparten el mismo diodo de derivación más el voltaje del diodo de derivación. Esto se muestra en la figura siguiente. El voltaje a través de las células solares no sombreadas depende del grado de sombreado en la celda de baja corriente. Por ejemplo, si la celda está completamente sombreada, entonces las células solares no sombreadas serán sesgadas hacia adelante por su corriente de cortocircuito y la tensión será de aproximadamente 0.6V. Si la célula pobre sólo está parcialmente sombreada, la parte de la corriente de las células buenas puede fluir a través del circuito, y el resto se utiliza para reenviar el sesgo de cada unión de celda solar, causando un voltaje de polarización hacia adelante más bajo a través de cada celda. La disipación de potencia máxima en la celda sombreada es aproximadamente igual a la capacidad de generación de todas las celdas del grupo. El tamaño máximo del grupo por diodo, sin causar daño, es de aproximadamente 15 células/ diodo de derivación, para las células de silicio. Para un módulo de 36 celdas normal, por lo tanto, se utilizan 2 diodos de derivación para garantizar que el módulo no será vulnerable a daños en "punto caliente".

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Evitar diodos a través de grupos de células solares. El voltaje a través de las células solares no sombreadas depende del grado de sombreado de la célula pobre. En la figura anterior, 0.5V se muestra arbitrariamente.

  • Inversor de cadena con capacidad de seguimiento MPP

La tecnología de seguimiento máximo de puntos de potencia (MPP Tracking o MPPT) es ahora un estándar entre el fabricante del inversor de cadena. Los inversores de cuerda con MPP Tracker son capaces de exprimir la energía más utilizable posible de una cadena de paneles solares (incluso cuando están sombreados) ajustando el voltaje de entrada. En pocas palabras, un MPP Tracker ayuda a minimizar las pérdidas de salida asociadas con sombreado parcial y otras discrepancias de salida. Los inversores sin tecnología MPPT pierden la salida de la cadena más débil cuando pasa por debajo del umbral de salida deseado.

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  • Micro inversor y optimizadores de potencia

Tanto los microinversores como los optimizadores de potencia se utilizan para superar el problema del sombreado parcial. Permite que cada panel solar funcione individualmente para que la producción de energía del sistema no se vea afectada desproporcionadamente por uno o dos paneles sombreados.

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Diferentes tipos de sombreados solares

Hay diferentes tipos de sombreados solares, dependiendo de los objetos que crean la sombra.

Sombreado temporal

El sombreado temporal incluye el sombreado que es el resultado de nubes, excrementos de aves, polvo o hojas caídas.

Sombreado resultante del edificio

Los sombreados resultantes del edificio son críticos, ya que implican sombras directas. Ejemplos de este tipo de sombreado son chimeneas, conductores de iluminación, antenas parabólicas, antenas, salientes de techo y fachada, estructura de edificio offset, superestructura de techo sólo por nombrar algunos.

Sombreado desde la ubicación

El sombreado desde la ubicación proviene de los alrededores del edificio. Podría haber árboles o arbustos, cables que corrían sobre los edificios, edificios vecinos o edificios distantes que también podrían causar oscurecimiento del horizonte.

Auto-sombreado

Con los sistemas de montaje en rack, el autodesma sombreado de los módulos puede deberse a la fila de los módulos. En estos casos, es necesario optimizar la inclinación y la separación entre las filas del módulo.

Sombreado directo

El sombreado directo puede causar grandes pérdidas de energía como la proximidad al objeto de proyección de sombras para obstaculizar el panel solar fotovoltaico para captar la luz.