Operación parcialmente sombreada de sistemas fotovoltaicos conectados a red (1ª PARTE)

Hay un interés creciente entre los instaladores, reguladores y propietarios de sistemas fotovoltaicos en obtener información exacta de los sistemas fotovoltaicos operando bajo condiciones mismatching. Es mejor eludir las sombras donde sea posible; pero las instalaciones parcialmente sombreadas pueden todavía producir energía útil para una porción del día, y el sombreado generalmente da como resultado una reducción de potencia significativa. Esto es particularmente verdad para sistemas fotovoltaicos integrados en los edificios lo cual a menudo requiere la integración de módulos con estructuras existentes en ambientes urbanos a veces poblados. En el interés de expandir el número de instalaciones fotovoltaicas en todo el mundo y proporcionar el máximo beneficio de estos sistemas, es útil considerar en más detalle la pérdida de potencia en sistemas fotovoltaicos parcialmente sombreados.

Módulos sombreados

Típicamente, los módulos de silicio cristalino contienen diodos de bypass para prevenir daños por cargas inversas en células parcialmente sombreadas. Estos diodos se colocan entre las células 12-18 en lo que se denomina un “grupo” de células. El diodo de bypass a través de este grupo de células comenzará a conducir a través de este grupo de células antes de que la potencia disipada en la célula sombreada sea lo bastante grande como para desarrollar temperaturas peligrosas. Si bien el propósito principal de un diodo de bypass no necesariamente mejora el rendimiento del módulo bajo condiciones sombreadas, es un subproducto útil. El diodo de bypass permite a las corrientes de las partes no sombreadas del módulo pasen por la parte sombreada, y limita el efecto del sombreado a solo el grupo de células vecinas protegidas por el mismo diodo de bypass. Cuando un diodo de bypass comienza a conducir, el voltaje del módulo caerá por la cantidad correspondiente a la suma de los voltajes de células protegidas por el diodo de bypass más el  voltaje adelante del voltaje, pero la corriente de los grupos no sombreados alrededor continúan alrededor del grupo de células sombreadas.

El efecto de sombra en la salida de potencia de instalaciones fotovoltaicas no es lineal de forma que una pequeña cantidad de sombra en una porción de la disposición puede causar una gran reducción en la potencia de salida. Por ejemplo, el sombreado completo de una célula en una disposición causará que el diodo de bypass proteja que la célula empiece a conducir, reduciendo la potencia del módulo tanto como 1/3 – ½ (dependiendo del numero de grupos de células en el módulo.

Configuración y resultados

Un string serie de 10 módulos de Si Pv cristalino se monta en con una potencia de 165w por módulo conectados en serie a un inversor de red SMA 1800U que proporciona un rastreo de potencia pico para el string de 10 módulos. Cada módulo PV consiste en 3 grupos de 18 células, y cada grupo de células se protege por un diodo bypass. Los módulos particulares usados en le experimento comprendieron dos series de 5 módulos emparejados, cada uno con un revestimiento superior antireflexivo diferente. Hay algunas diferencias en producción de potencia de los módulos debido a diferentes revestimientos superiores, pero el efecto se encontró despreciable excepto muy temprano o tarde en el día cuando los datos no se consideraban en modo alguno. Hay algunas diferencias en la producción de potencia de los módulos debido a diferentes revestimientos superiores, pero el efecto se encontró despreciable excepto muy al principio o al final del día cuando los datos no se consideraron en modo alguno.

El rendimiento del sistema y los voltajes del módulo individual se registraron por transductores de voltaje y corriente conectados a un Campbell Scientific datalogger. La irradiancia adicional plane-of-array (POA) irradiance is measured by Kipp & Zonen and Li-Cor pyranometers. La cinta de calor envuelta alrededor del piranómetro Li-cor limita nieve y hielo acumulado. Una cámara digital automáticamente registra la extensión de la sombra en los módulos a lo largo del día, y los termopares miden las temperaturas del módulo.

Ensayo 1 – Sombreado directo de módulos

La disposición de una configuración de string simple es rastreada por potencia pico a lo largo del día por un inversor de red. El voltaje del módulo individual es registrado con la corriente del string serie. La sombra parcial se introduce en varios módulos aplicando una cinta opaca directamente al módulo. El impacto del sombreado parcial viene determinado por la comparación del voltaje de los módulos sombreados con un módulo de control no sombreado. El impacto del sombreado parcial viene determinado por la comparación del voltaje del módulo sombreado con un módulo de control. Debido a que la corriente es continua en este string simple, una caída en la potencia del módulo es proporcional a una caída en el voltaje del módulo. Sólo un grupo simple de células en cada módulo es sombreado en este experimento, por lo tanto el voltaje del módulo caerá hasta 1/3 cuando uno de tres diodos de bypass comienza a construir.

La mitad de los módulos son elegidos como candidatos para el sombreado. Una célula por módulo es sombreada con una cinta opaca en la cantidad de 10 %, 16 %, 20 %, 24 %, 31 %, 35 5, o 39 % del área de célula. Veinticinco células diferentes fueron sombreadas en total en cada uno de estos niveles de sombreado para proporcionar una distribución del efecto de sombreado. La producción de potencia relativa del grupo de células es determinada por el voltaje de salida del módulo sombreado relativo a un módulo de control no sombreado. Los datos son solamente considerados de días de sol dentro de intervalos de colección de datos de 3 semanas, mientras la irrradiancia es mayor que 400 W/m².

Los resultados obtenidos mostraron que la producción de energía relativa del grupo sombreado de células decrece significativamente cuando un 25 – 40 % de una célula simple es sombreada. Cualquier cobertura de sombreado  mayor que un 40 % de la célula resulta en la reducción total de la producción de energía del string de las 18 células. Una pérdida de potencia enorme ilustra un escenario en el peor caso en la reducción desproporcionada de potencia de una pequeña sombra. Esta enorme pérdida ilustra el peor escenario en la reducción desproporcionada de una producción de energía del string de 18 células. La mitad del sombreado en una sola célula niega toda la potencia producida por 18 células en el grupo del diodo de bypass. Por lo tanto, la reducción en la potencia de la mitad del sombreado de una célula es equivalente a quitar un área activa de célula 36 veces el tamaño actual de la sombra.

Ver 2ª PARTE