¿Cómo evitar pérdidas por sombreado de paneles fotovoltaicos?

Dependiendo de las circunstancias exactas, incluso si sólo el 1% de un panel solar fotovoltaico está a la sombra, es posible perder entre el 50 y el 80% de la producción de energía de todo el panel solar. Por este motivo, es sumamente importante que su sistema de energía solar no permanezca a la sombra durante todo el día siempre que sea posible. A veces esto no es posible y requiere un trabajo de diseño adicional para minimizar el efecto de la sombra en el sistema. Pero también hay dos formas de evitar los efectos de la sombra en sus paneles solares, como veremos.

¿Qué es la pérdida de sombra del sistema fotovoltaico?

Los sistemas fotovoltaicos (PV) generan electricidad a través del efecto fotovoltaico, cuando la luz solar barre los electrones de los materiales que forman las células solares. Por lo tanto, cada vez que una celda o panel no recibe luz solar debido a una obstrucción de sombra, se reduce la cantidad de electricidad generada por esa sección solar. Esto es lo que se conoce como pérdida de sombra en un sistema fotovoltaico.

Estos obstáculos pueden provenir de diversas fuentes:

• Objetos cercanos, como árboles, antenas o postes.
• “Autosombreado” de otras filas de paneles fotovoltaicos
• Sombreado del horizonte respecto del terreno que rodea el lugar de instalación.
• Otros factores como la orientación del panel, la suciedad o el envejecimiento diferencial,

Entonces, ¿qué significa esto para la eficiencia de la energía solar? La intuición sugiere que la potencia de salida del panel se reducirá proporcionalmente al área sombreada. Sin embargo, éste no es el caso. Dar sombra a sólo una de las 36 células de un pequeño módulo solar puede reducir la producción de energía en más del 75%. Así es, sombrear sólo 1/36 de las celdas puede reducir la producción de energía en un 75%.

¿Por qué una sombra mínima puede provocar una pérdida grave de energía?

Para conceptualizar por qué la sombra produce pérdidas tan graves, resulta útil utilizar la analogía del agua que fluye a través de tuberías. El caudal de agua a través del tubo es constante, del mismo modo que la corriente a través de una serie de células es constante para un nivel dado de irradiancia.

Dar sombra a una célula solar es similar a colocar un tapón en una tubería de agua. La obstrucción en la tubería restringe el flujo de agua a través de toda la tubería. Del mismo modo, cuando se protege una célula solar, se reduce la corriente que circula por toda la cadena. Esto es importante porque cada celda de la cadena de celdas debe funcionar en la corriente establecida por la celda sombreada. Esto evita que las celdas sin sombra funcionen a máxima potencia.

En esencia, cada célula es como una cadena en un eslabón. La celda sombreada es el "eslabón más débil", lo que reduce la disponibilidad de energía de toda la celda restante. Entonces sí, solo una pequeña cantidad de sombra puede tener un efecto dramático en la producción de un panel solar.

Se aplican principios similares a los módulos fotovoltaicos conectados entre sí. La corriente que fluye a través de una cadena completa de módulos se puede reducir considerablemente si incluso un módulo está sombreado, lo que resulta en una pérdida potencialmente significativa de potencia de salida.

Cómo reducir las pérdidas de sombra

Es posible que hayas leído los párrafos anteriores y hayas pensado que se había perdido la esperanza de que tu sistema solar pueda ser eficiente, ¡pero no temas! Afortunadamente, existen varios enfoques que se pueden aplicar al diseñar un sistema fotovoltaico para reducir las pérdidas por sombra. Estos incluyen el uso de diferentes disposiciones de cadenas, diodos de derivación y electrónica de potencia a nivel de módulo (MLPE).

Conexión de módulos en cadenas.

Los módulos conectados en serie forman strings y los strings se pueden conectar en paralelo a un inversor. La corriente a través de todos los módulos de una cadena debe ser la misma y el voltaje de las cadenas paralelas debe ser el mismo.

Como dijimos antes, un módulo sombreado en una cadena puede reducir significativamente la potencia de salida de la cadena. Sin embargo, un módulo sombreado en una cadena no reduce la potencia de salida de una cadena en paralelo. Por lo tanto, al agrupar los módulos sombreados en cadenas separadas, puede maximizar la potencia de salida general del conjunto.

Por ejemplo, en un sistema comercial con barandillas, puede resultar útil agrupar los módulos que reciben sombra de las barandillas en cadenas y mantener los módulos que no reciben sombra de las barandillas en cadenas paralelas separadas. De esta manera, las cadenas sin sombra pueden mantener una mayor salida de corriente y potencia.

Diodos de derivación

Los diodos de derivación son dispositivos dentro de un módulo que permiten que la corriente "salte" las regiones sombreadas del módulo. Mediante el uso de diodos de derivación, la corriente más alta de las cadenas de celdas no sombreadas puede fluir alrededor de la cadena de celdas sombreadas. Sin embargo, esto se produce a costa de perder el resultado de las celdas que se ignoran.

Si bien en teoría sería ideal tener un diodo de derivación para cada celda solar, por razones de costo un módulo solar típico tendrá tres diodos de derivación, agrupando efectivamente las celdas en tres cadenas de celdas en serie (ver más abajo). Por ejemplo, un módulo de 60 celdas normalmente tendrá un diodo de derivación cada 20 celdas.

Electrónica de potencia a nivel de módulo (MLPE)

Los MLPE son dispositivos conectados a módulos individuales para aumentar el rendimiento en condiciones de sombra (aunque existen otros beneficios, como la mitigación de desalineaciones y el monitoreo a nivel de módulo). Esto se hace realizando la detección del punto de máxima potencia a nivel del módulo. Los MLPE incluyen optimizadores de CC y microinversores.

1. Optimizadores de CC

Un optimizador de CC ajusta el voltaje y la corriente de salida para mantener la máxima potencia sin comprometer el rendimiento de otros módulos. Por ejemplo, cuando un módulo sombreado produce electricidad a una corriente más baja, el optimizador de CC aumentará la corriente en su salida para igualar la corriente que fluye a través de los módulos no sombreados; Para compensar, el optimizador reduce su voltaje de salida en la misma cantidad que aumenta la corriente. Esto permite que el módulo sombreado produzca la misma cantidad de energía eléctrica sin obstaculizar la salida de otros módulos. Un sistema que utiliza optimizadores de CC todavía requiere un inversor para convertir la electricidad de CC a CA.

2. Microinversores

A diferencia de tener un único inversor para mantener todos los paneles, cada panel puede tener un pequeño inversor conectado para convertir su salida de corriente continua (CC) a corriente alterna (CA). Dado que cada microinversor tiene un MPPT y sus salidas están conectadas en paralelo, cada panel funcionará en su punto de máxima potencia, sin afectar a los demás paneles.