Influencia del número de diodos de bypass en el rendimiento de paneles fotovoltaicos con sombras

El problema del sombreado parcial en los módulos fotovoltaicos, además de causar pérdida de generación, suele ser responsable de la aparición de puntos calientes (puntos de calentamiento) en las células fotovoltaicas, como se ilustra en la Figura 1. Para evitar el efecto de punto caliente, los fabricantes añaden diodos de derivación en paralelo con un conjunto de células fotovoltaicas. La mayoría de los módulos disponibles comercialmente incluyen tres diodos de derivación.

Normalmente, las sombras cubren un número determinado de celdas en el módulo fotovoltaico. Sin embargo, en situaciones extremas, pueden aparecer sombras localizadas en un número reducido de celdas (en el peor de los casos, en una sola), lo que puede impedir el funcionamiento del diodo de derivación y generar un punto caliente.

Las sombras localizadas pueden ser causadas por obstáculos como chimeneas, postes, cables de distribución de energía o excrementos de pájaros, como se ilustra en la Figura 2.

La prevención total de puntos calientes se puede lograr agregando un diodo de derivación a cada celda del módulo fotovoltaico.

Aunque la mayoría de los fabricantes prefieren la solución de diodo de derivación colectiva (para un grupo de células fotovoltaicas), la solución de diodo de derivación individual (como se ilustra en las Figuras 3 y 4) ya existe comercialmente, habiendo sido introducida en el mercado exclusivamente por AE Solar, una planta fotovoltaica. Fabricante de módulos con sede en Alemania.

estudio experimental

Un estudio realizado por el Instituto Fraunhofer (Alemania) con módulos solares AE validó la solución de diodos individuales mediante un experimento con dos módulos fotovoltaicos, uno tradicional (con diodo colectivo) y otro con diodo dedicado, de tipo sin puntos calientes. El experimento se llevó a cabo aplicando sombras parciales sobre los módulos mediante la adición de pantallas opacas sobre celdas o grupos de celdas, como se muestra en la Figura 5.

Para saber más: AE Solar desarrolla un módulo resistente a las sombras y sin puntos calientes

En el experimento se utilizaron tres condiciones, aplicadas a los dos tipos de módulos analizados:

• Condición de prueba 1: sombreado de una sola celda;
• Condición de prueba 2: sombreado de una fila de celdas;
• Condición de prueba 3: sombreado de múltiples filas de celdas.

Una fila de celdas se define como un grupo de celdas alineadas horizontalmente (considerando el módulo en posición vertical), pero que no pertenecen a la misma cadena, como se muestra en la Figura 6.

Resultados del estudio

Los resultados del estudio experimental se muestran a continuación. Estos resultados muestran la influencia del efecto de los diodos de derivación en la potencia generada por el módulo fotovoltaico. Si bien la función principal del diodo de derivación es proteger contra la aparición de puntos calientes, el diodo tiene un efecto secundario (deseable) en el rendimiento del módulo fotovoltaico.

En el módulo tradicional, la activación de un diodo de derivación provoca la pérdida de una cadena completa de células. En el módulo sin hotspot, por otro lado, la pérdida es gradual, proporcional al número de celdas sombreadas, como se muestra en la Figura 7.

El gráfico de la Figura 7 muestra que sombrear solo el 60 % de una celda provoca una pérdida de 1/3 de la potencia de salida del módulo fotovoltaico convencional. Esto se explica por la eliminación de una cadena completa (20 celdas) al activarse uno de los diodos de derivación. Por otro lado, como también se muestra en la Figura 7, en el módulo AE Solar sin puntos calientes, la potencia se mantiene en torno al 97 % en las mismas condiciones de prueba.

Un dato interesante que se observa en la Figura 6 es que existe una relación casi lineal entre el porcentaje de sombreado y la reducción de potencia del módulo sin puntos calientes. En el caso mostrado, solo una celda (de 1) del módulo fotovoltaico presenta sombreado, lo que correspondería a un sombreado del 60 %, considerando únicamente el área activa del módulo, es decir, el área correspondiente a la superficie de las celdas fotovoltaicas.

Los resultados de la Figura 7 se explican por las curvas IV de los módulos fotovoltaicos, mostradas en la Figura 8, al someterse a las condiciones descritas anteriormente. Las Figuras 9 a 12 muestran los resultados obtenidos con las demás condiciones de prueba, es decir, con el sombreado de una y varias filas de módulos fotovoltaicos.

Análisis de resultados y conclusión.

Se realizó un experimento para evaluar el rendimiento de un módulo fotovoltaico AE Solar sin puntos calientes en comparación con un módulo convencional en condiciones de sombreado parcial. El experimento, realizado por el Instituto Fraunhofer, incluyó pruebas en diferentes condiciones de sombreado, según tres estándares aplicados por igual a ambos tipos de módulos evaluados: sombreado de celda única, sombreado de una sola fila y sombreado de varias filas.

Con el sombreado de una sola celda, el módulo AE Solar sin puntos calientes presentó pérdidas de tan solo el 3%, mientras que el módulo convencional perdió el 35% de su potencia. Con el sombreado de una fila, el módulo estándar pierde el 100% de su potencia, con sus tres diodos de bypass activados. En las mismas condiciones, el módulo AE Solar sin puntos calientes pierde solo el 20% de su potencia total.

Con el sombreado de varias filas, la potencia del módulo AE Solar sin puntos calientes disminuye linealmente al aumentar el área sombreada del módulo. Por otro lado, el módulo convencional pierde toda su potencia cuando el 50% de las filas están sombreadas. Es importante destacar que el resultado obtenido en la prueba en la condición 3 solo es válido cuando el sombreado se produce de abajo hacia arriba.

Si la sombra avanza horizontalmente (de derecha a izquierda o viceversa), la pérdida de potencia en el módulo convencional puede ser aún mayor. Este artículo se centró en el problema de la pérdida de potencia con sombras parciales. Este problema puede mitigarse utilizando un mayor número de diodos de derivación en el módulo fotovoltaico; idealmente, un diodo por cada celda, como es el caso de los módulos sin puntos calientes de AE ​​Solar.

Referencias

Caracterización Eléctrica de módulo estándar y libre de hotspot. Hamed Hanifi, Frank Wenger, Jens Schneider, Informe n.º 389/2018, Fraunhofer
https://hsfsolar.com/smart-hot-spot-free-modules/ – consultado el 28/07/2021
Termografía aérea de plantas solares fotovoltaicas https://canalsolar.com.br/termografia-aerea-de-usinas-solares-fotovoltaicas/ – consultado el 28/07/2021