¿Cómo sustituir de forma segura un módulo fotovoltaico defectuoso?

La situación no es infrecuente y ocurre con más frecuencia de la que nos gustaría. Uno módulo fotovoltaico defectuoso en medio de una cuerda necesita ser reemplazado. Vidrio roto, delaminación y células agrietadas son algunas de las razones que pueden llevar a Reemplazo de un módulo fotovoltaico..

A menudo pasa un tiempo hasta que se nota el defecto. Normalmente, el problema se descubrirá durante una inspección termográfica rutina o porque se notó alguna irregularidad en el gráfico de generación en la plataforma de monitoreo.

Incluso si se detecta una irregularidad, no siempre está claro dónde está. En medio de varias cuerdas, es necesario de alguna manera identificar el módulo defectuoso.

El problema se puede localizar mediante inspección eléctrica de cuerdas, rastreando el Curva IV de todas las cuerdas. que están conectados en paralelo o, al menos, midiendo la tensión de circuito abierto y la corriente de cortocircuito de todos ellos.

En algunos casos, el problema se identifica sólo mediante un inspección visual (es el caso de un cristal roto o un módulo con burbujas) o una inspección termográfica, que indica la existencia de un punto caliente en el módulo defectuoso.

Aunque el módulo fotovoltaico defectuoso esté en perfecto estado de funcionamiento y con sus características eléctricas aún conservadas, será una fuente de dolores de cabeza en el futuro y deberá ser sustituido lo antes posible.

El tema que queremos tratar en este artículo es cómo sustituir un módulo fotovoltaico defectuoso por otro.

La primera acción que me viene a la mente es buscar un módulo idéntico del proveedor. Sabemos que esto casi nunca será posible. Con la rápida evolución de la industria fotovoltaica, un módulo que actualmente está disponible en los proveedores podría quedar obsoleto en seis meses, ya desplazado por productos de mayor potencia o mayor eficiencia.

Por ello, es fundamental estar siempre actualizado y comprender todo sobre la energía solar, desde innovaciones tecnológicas hasta buenas prácticas en sustitución de componentes.

La situación a la que nos enfrentamos se ilustra en la siguiente figura. La cantidad de cadenas o la cantidad de módulos en cada cadena puede ser cualquier cosa. El problema es el mismo: ¿cómo quitar un módulo defectuoso y sustituirlo por otro de forma segura?

Reemplazar módulo fotovoltaico: ¿está permitido mezclar diferentes módulos en una misma cadena?

La respuesta a la pregunta anterior es no. En proyectos de sistemas fotovoltaicos no se deben mezclar diferentes módulos, ya sea en serie o en paralelo. Módulos de diferentes modelos y fabricantes. pueden tener diferente número de celdas y diferentes voltajes de circuito abierto, lo que puede dar lugar a un fenómeno potencialmente peligroso: la corriente inversa.

En la práctica, sólo nos encontraremos con una situación real de mezcla de módulos si es necesario sustituir módulos rotos o defectuosos.

¿Es posible cambiar el módulo antiguo por un módulo diferente al modelo original? Sí, puedes reemplazar un módulo defectuoso por otro diferente, pero se debe tener cierto cuidado.

En el siguiente gráfico, mostramos lo que puede suceder cuando dos módulos con diferentes corrientes de cortocircuito (Isc) se conectan en serie. El módulo A tiene una corriente más alta que el módulo B y ambos tienen el mismo número de celdas y voltajes de circuito abierto (Voc) idénticos.

En un rango de tensión superior a 7 V, la cadena tiene su corriente limitada por el módulo B, con la corriente más baja (Isc = 5 A). Por debajo de cierto valor de voltaje (alrededor de 7 V), el diodo evitar del módulo B se activará y podrá circular la corriente máxima (del módulo A, con Isc = 10 A).

Trazamos estos gráficos y sacamos estas conclusiones de una cadena con solo dos módulos (con corrientes de cortocircuito de 10 A y 5 A), para ilustrar los fenómenos que ocurren en esta composición.

Ahora veamos qué sucede cuando una cadena de varios módulos tiene un módulo diferente. Realizamos simulaciones de un sistema que tiene cadenas con 12 módulos de 72 celdas, todas con Isc = 9.

El último módulo (Nº 12) de una de las cadenas fue sustituido por otro de diferente corriente. Inicialmente colocamos 2 cuerdas en el arreglo y luego realizamos simulaciones con 4 cuerdas. Las simulaciones se realizaron utilizando el software PSIM.

Inicialmente se analizaron dos casos (en una matriz con solo 2 cadenas):

• Caso I: uno de los módulos de string tiene Isc = 12 A (superior al de los módulos originales);
• Caso II: uno de los módulos de string tiene Isc = 6 A (menor que el de los módulos originales).

Los resultados presentados muestran que reemplazar el módulo defectuoso por uno con mayor corriente de cortocircuito (que es el caso I) no genera ningún tipo de problema. El único hecho que se desprende de esta mezcla es que el módulo con mayor corriente funcionará con un voltaje ligeramente superior al de los demás módulos.

Desde el punto de vista de la cuerda, todo funciona con normalidad. La cadena tiene una curva IV perfecta y presenta un punto de máxima potencia que el inversor puede seguir fácilmente. En el caso II, observamos que la mezcla de módulos produce una curva IV en la cuerda con dos puntos de máxima potencia (MPP).

En MPP1 resaltado en el gráfico (d) del caso II, el módulo con menor corriente limita la corriente de los demás. Es muy probable que la gran mayoría de inversores pongan en funcionamiento la cadena y todo el arreglo en este punto, lo que representa una pérdida considerable de generación para el sistema.

Suponiendo que el inversor tiene la capacidad de rastrear el punto de máxima potencia global (algunos inversores hacen esto), se logrará el MPP2 resaltado en el gráfico (d) del caso II. En este caso, se activará el diodo de bypass del módulo de menor corriente y la cadena alcanzará una corriente mayor.

Es interesante observar que un único módulo problemático en una sola cadena de un conjunto fotovoltaico puede alterar el funcionamiento de todo el conjunto. Los gráficos para los casos I y II que se muestran en la figura anterior se produjeron con dos disposiciones paralelas.

A continuación se ilustran las curvas IV de arreglos con diferente número de cadenas (de 1 a 4), teniendo una de las cadenas un módulo de menor corriente. La cuerda problemática interrumpe todo el arreglo, como se esperaba. La contribución de esta cadena se reduce a medida que aumenta el número de cadenas en la matriz.

En un sistema con una gran cantidad de cadenas, reemplazar un módulo por otro con una corriente de cortocircuito más baja en una de las cadenas puede no causar problemas notables.

Evidentemente, esa cuerda operará fuera de su punto de máxima potencia –como se puede ver en los gráficos (a) y (b) del caso II, en la figura anterior–, pero todo el arreglo no sufrirá mucho.

Sin embargo, ésta no es una situación deseable en ningún caso. Por otro lado, en sistemas con pocas cuerdas, la contribución de la cuerda problemática puede causar una perturbación considerable en todo el arreglo.

En una situación real, el módulo de sustitución debe tener características cercanas a las del módulo original. El primer criterio de selección para sustituir un módulo averiado debe ser la búsqueda de un módulo con potencia similar y el mismo número de celdas. A continuación, se debe observar la corriente de cortocircuito. La Isc actual del módulo de reemplazo debe ser mayor que la corriente del módulo original.

Para crear los gráficos anteriores, elegimos intencionalmente módulos con una diferencia de 3 A (Isc = 12 A e Isc = 6 A) con relación a los módulos originales (Isc = 9 A), para producir situaciones extremas. En la práctica, las diferencias entre las corrientes siempre serán menores. Véase, por ejemplo, las características de algunos módulos que se muestran en la siguiente tabla.

La tabla muestra las características de los módulos fotovoltaicos que fueron analizados para un caso real de sustitución de un módulo defectuoso. El módulo original tiene una potencia de 335 W y los modelos inicialmente sugeridos para sustitución tienen potencias de 365 W y 345 W.

Además de las potencias, los voltajes de circuito abierto (Voc) de todos ellos están muy próximos, indicando que todos tienen el mismo número de celdas. El principal y último criterio a analizar a la hora de elegir el módulo de sustitución es la corriente de cortocircuito.

Las dos sugerencias de sustitución que se muestran en la tabla son adecuadas, ya que ambas tienen una corriente de cortocircuito mayor que el módulo original, aunque la diferencia entre las corrientes es pequeña. Esta es la regla que debemos seguir a la hora de sustituir módulos defectuosos en sistemas fotovoltaicos.

¿Y cuando no encontramos un módulo con una potencia muy cercana? ¿Podemos realizar el reemplazo de todos modos?

Analicemos otra situación, en la que se propone un módulo de 390 W en sustitución del módulo original de 335 W. Existe una discrepancia nada despreciable entre las dos potencias, pero ¿es esto un problema?

Ambos módulos tienen 72 celdas y voltajes de circuito abierto relativamente cercanos (45,8 V y 49,3 V). La corriente de cortocircuito del módulo nuevo es mayor (10,12 A) que la del módulo original (9,54 A), por lo que en base a este criterio podríamos sustituirlo con seguridad.

La duda sigue estando en la discrepancia de poder. Aunque se recomienda la sustitución por un módulo de potencia similar, para garantizar la máxima compatibilidad entre los módulos, los resultados de la simulación mostrados a continuación muestran que, efectivamente, podemos adoptar un módulo de potencia diferente para la sustitución, respetando siempre el criterio de corriente de cortocircuito.

Finalmente, una última pregunta que podríamos hacernos es sobre el comportamiento de la cadena ante la variación de temperatura, especialmente en este caso donde estamos utilizando módulos con una gran discrepancia de potencia.

Los gráficos mostrados hasta el momento consideran una temperatura de funcionamiento de la celda de 25 ºC. Sabemos que en ninguna situación práctica un módulo funcionará a esta temperatura.

La siguiente figura ilustra el resultado de una simulación con una temperatura de 60 ºC. La situación se repite sin sorpresa alguna: el módulo de sustitución funciona con una tensión ligeramente superior a la de los demás y la sustitución del módulo dañado se puede realizar de forma segura.

Conclusiones

No se recomienda sustituir un módulo de una cadena por otro con una corriente de cortocircuito (Isc) inferior, ya que esto causa perturbaciones en la cadena y en el conjunto fotovoltaico en su conjunto. En este caso surgen múltiples puntos de máxima potencia, que pueden dificultar el funcionamiento del sistema fotovoltaico.

Por otro lado, sustituir un módulo de una cadena por otro con una corriente de cortocircuito (Isc) superior no causa problemas. Preferiblemente, al momento de reemplazar, se debe utilizar un módulo con potencia y tensión de circuito abierto (Voc) cercanas a las del módulo original, para preservar las características de la cadena.

Sin embargo, se permite cierta discrepancia de potencia siempre que las otras características de los módulos sean similares (número de celdas, voltaje de circuito abierto) y el módulo de reemplazo tenga una corriente de cortocircuito más alta.

En resumen, la sustitución de un módulo defectuoso de un string debe seguir los siguientes criterios. El módulo de reemplazo debe tener (en relación con el módulo original):

• Potencia máxima compatible;
• Mismo número de celdas;
• Voltaje de circuito abierto similar (Voc);
• Mayor corriente de cortocircuito (Isc).

El cumplimiento de los cuatro criterios enumerados anteriormente, especialmente el último, garantiza que la sustitución de un módulo defectuoso de una cadena se pueda realizar con absoluta seguridad.

Para mantenerse al día sobre este y otros temas técnicos del sector fotovoltaico, siga las Noticias sobre energía solar de Canal solares.