Sobre el origen de la corriente inversa en los sistemas fotovoltaicos

La corriente inversa es un fenómeno que puede ocurrir en instalaciones fotovoltaicas que utilizan inversores centralizados, a los que se suelen conectar varias cadenas en paralelo. Esta situación es frecuente en sistemas de minigeneración de gran tamaño y plantas centralizadas, pero también puede ocurrir en inversores más pequeños con cadenas conectadas a la misma entrada.

En principio, la corriente inversa solo se produce cuando las cadenas conectadas en paralelo tienen diferentes tensiones de circuito abierto. En situaciones normales, este problema no debería ocurrir, ya que las cadenas en paralelo siempre deben tener el mismo número de módulos (SMA, 2009) (VINTURINI, 2019).

Se sabe que el sombreado de los módulos no tiene un efecto significativo en la tensión de circuito abierto. En el funcionamiento sin fallos de una planta fotovoltaica correctamente dimensionada, no se puede producir una corriente inversa excesiva (SMA, 2009). La corriente inversa se producirá en casos excepcionales de sombreado total de una cadena (SPERTINO; AKILIMALI, 2009) o, más comúnmente, en caso de fallos que provoquen cortocircuitos en los módulos, reduciendo la tensión total de circuito abierto de las cadenas, como se ilustra en la Figura 1.

Protección de corriente inversa

Se debe evitar la corriente inversa mediante el uso de fusibles en serie con las cadenas. La aplicación de fusibles está prevista en la norma para instalaciones eléctricas fotovoltaicas NBR 16690. Normalmente, la aplicación de las orientaciones de la norma determina que las disposiciones con tres o más cadenas paralelas deben recibir fusibles en todas las cadenas.

Una alternativa que se consideró en el pasado fue el uso de diodos de bloqueo colocados en serie con las cuerdas. Teóricamente, los diodos eliminarían el uso de fusibles al prevenir o bloquear las corrientes inversas en las cadenas. Sin embargo, según IEC TS 62257-7-1: 2010, los diodos de bloqueo son una fuente de fallas y pérdidas de energía y no se recomienda su uso.

El uso de un fusible en serie, normalmente alojado en el stringbox, es la solución muy utilizada en instalaciones fotovoltaicas para evitar la corriente inversa. Incluso con la presencia de fusibles, existen reportes de circulación de corriente y daños en los módulos, cuya causa probable es la falla en el funcionamiento de los fusibles.

Corriente inversa causada por desajuste de voltaje entre módulos

Además de la gran cantidad de cadenas en paralelo, los sistemas fotovoltaicos de minigeneración y las plantas de generación centralizada funcionan con altas tensiones de CC, con cadenas largas que cuentan con una gran cantidad de módulos conectados en serie. Las cadenas de alta tensión son interesantes porque simplifican la instalación, reduciendo el número de circuitos y, en consecuencia, el coste del cableado.

Aumentar la longitud de los strings -es decir, el número de módulos conectados en serie- en una planta solar produce un problema conocido como desajuste, que puede traducirse como incompatibilidad o desajuste entre los distintos módulos del string. Podemos hablar de desajuste de voltaje, corriente o potencia.

Existe un desajuste de voltaje natural debido a pequeñas variaciones en los voltajes de circuito abierto de los módulos que componen las cadenas. Un desajuste aún mayor entre cadenas puede producirse en situaciones de sombreado parcial o iluminación no uniforme de los módulos, lo que puede producirse principalmente por el paso de nubes o suciedad.

El desajuste de tensión entre strings podría señalarse como una causa de circulación de corriente inversa en instalaciones fotovoltaicas. Sin embargo, un desajuste por causas que podemos llamar naturales (diferencias en la fabricación de los módulos, sombra o suciedad) difícilmente sería capaz de producir corriente inversa en los módulos.

Un interesante estudio realizado por el Instituto de Energías Renovables de Corea (SHIN et al., 2019) muestra el efecto del desajuste de voltaje en un módulo fotovoltaico. Aunque el experimento se realizó con un solo módulo, las mismas observaciones podrían extenderse a una cadena con cualquier número de módulos.

La Figura 2 muestra el montaje experimental, que consiste en aplicar una fuente de tensión ajustable en paralelo con un módulo fotovoltaico. Una fuente de luz artificial permitió estudiar el comportamiento del módulo fotovoltaico bajo diferentes niveles de irradiancia solar. El resultado del experimento se muestra en la Figura 3. Las gráficas muestran la corriente inversa del módulo fotovoltaico en función de la tensión aplicada por la fuente externa para diferentes valores de irradiancia solar.

La conclusión extraída de la Figura 3 es que se requiere un desajuste de voltaje muy grande para provocar un flujo de corriente inversa significativo en un módulo fotovoltaico. El voltaje de circuito abierto en STC del módulo utilizado en el experimento es de 37,14 V. A 1000 W/m² a partir de este valor comienza a circular corriente inversa, como se ve en el gráfico.

La corriente inversa alcanza una intensidad alta, cercana al valor de cortocircuito del módulo, solo cuando el voltaje de la fuente de alimentación se eleva a más de 40 V. Los desajustes de voltaje encontrados en la práctica debido a variaciones en la irradiancia solar o suciedad son pequeños, insuficientes para causar la circulación de una corriente inversa peligrosa, como se muestra en la Figura 4.

Otra hipótesis sobre el origen de la corriente inversa se refiere a los desajustes de tensión causados ​​por el funcionamiento de los diodos de derivación en situaciones de sombreado parcial de los módulos. Una segunda parte del experimento realizado por (SHIN et al., 2019) muestra que, incluso con sombreado parcial, al activarse los diodos de derivación, la variación de la tensión de circuito abierto del módulo permanece pequeña en relación con el valor nominal (en STC), como se muestra en la Figura 5.

Corriente inversa causada por falla de los diodos de derivación.

La investigación realizada por (SHIN et al., 2019) también investigó las condiciones encontradas cuando fallan los diodos de derivación. Los diodos de derivación defectuosos suelen corresponder a un cortocircuito permanente en las células del módulo fotovoltaico, lo que reduce considerablemente la tensión de salida del módulo.

Aplicar una tensión superior a la tensión de ruptura inversa suele dañar la unión y fundir el componente, que se comporta como un interruptor permanentemente cerrado. Las causas más comunes de daños en los diodos de derivación de las centrales solares son el sobrecalentamiento y las sobretensiones debidas a la caída de rayos en las inmediaciones (DHERE et al., 2013).

El sobrecalentamiento puede deberse a un sombreado parcial del módulo durante un período prolongado o a una especificación incorrecta del diodo por parte del fabricante. Las fallas en los diodos de bypass son un defecto común en los primeros 10 años de operación de las plantas solares (IEA-PVPS, 2017).

La Figura 6 muestra que a medida que aumenta el número de diodos de derivación dañados en un módulo, menor es el voltaje requerido para producir una circulación de corriente inversa de alta intensidad. Con solo un diodo dañado, la corriente inversa ya fluye a través del módulo con tensiones ligeramente superiores a 25 V.

La Figura 7 ilustra las curvas de corriente y voltaje (IV) del módulo fotovoltaico con diodos de derivación dañados. El voltaje de circuito abierto del módulo se reduce entre un 30% y un 90% según la cantidad de diodos dañados. Esto explica por qué la circulación de corriente inversa es potencialmente peligrosa si hay alguna cadena con módulos defectuosos.

Los autores (SHIN et al., 2019) también evaluaron el efecto de la falla del diodo de derivación en las cadenas mediante simulación computacional y experimentos con cuatro cadenas en paralelo, cada una con 4 módulos. Tanto en la simulación como en campo, se realizaron experimentos con el sombreado de algunos módulos y con la situación de falla del diodo de derivación, situación obtenida en campo retirando algunos módulos de la cadena.

Los resultados obtenidos con las cadenas confirmaron las observaciones realizadas con los módulos, según las cuales la corriente inversa rara vez fluye en módulos fotovoltaicos intactos, en los que el diodo de derivación puede entrar en funcionamiento. Por otro lado, cuando hay módulos con diodos de derivación en cortocircuito, los desajustes de tensión entre las cadenas en circuito abierto se vuelven significativos y permiten la circulación de la corriente inversa.

Conclusiones

Varios factores son responsables de la aparición de corrientes inversas peligrosas en las plantas de energía solar: la parada del inversor, la presencia de diodos de derivación defectuosos y la existencia de numerosas cadenas conectadas en paralelo. El sistema fotovoltaico es menos susceptible a la corriente inversa cuando está en funcionamiento y las corrientes de la cadena fluyen hacia el inversor en lugar de circular por la cadena defectuosa.

Una cadena completamente sombreada en un sistema fotovoltaico puede experimentar corriente inversa, como explican (SPERTINO; AKILIMALI, 2009) y (VARGAS; GOSS; GOTTSCHALG, 2015); sin embargo, esta condición es muy poco frecuente. Estudios computacionales y experimentos realizados en (SHIN et al., 2019) muestran que los desajustes causados ​​por condiciones de iluminación irregulares (sombreado parcial) no son la causa de corrientes inversas significativas en plantas solares. El factor preponderante para la ocurrencia de corrientes inversas es la presencia de diodos de derivación defectuosos.

Los resultados presentados en este artículo y otras fuentes encontradas en la literatura (VARGAS; GOSS; GOTTSCHALG, 2015) corroboran la idea de que no se produce corriente inversa relevante en sistemas fotovoltaicos en funcionamiento normal y con diodos de bypass intactos, incluso con sombreado parcial.

Referencias

• DHERE, NG et al. La fiabilidad de los diodos de derivación en módulos fotovoltaicos. Fiabilidad de células, módulos, componentes y sistemas fotovoltaicos VI, v. 8825, pág. 88250I, 2013.
• IEA-PVPS, R. Evaluación de fallas de módulos fotovoltaicos en el campo. [sl:sn].
• SHIN, WG y cols. Análisis del flujo de corriente de paneles fotovoltaicos en condiciones de desajuste de voltaje y falla del inversor. Ciencias Aplicadas (Suiza), v. 9, núm. 23, 2019.
• AME. Corriente Inversa – Asesoramiento en la configuración de generadores para sistemas fotovoltaicos utilizando Sunny Mini Central. PAG. 1–3, 2009.
• SPERTINO, F.; AKILIMALI, JS ¿El desajuste IV en la fabricación y las corrientes inversas son factores clave en grandes conjuntos fotovoltaicos? Transacciones IEEE sobre electrónica industrial, v. 56, n. 11, pág. 4520–4531, 2009.
• VARGAS, JP; GOSS, B.; GOTTSCHALG, R. Sistemas fotovoltaicos a gran escala en condiciones de falla y no uniformes. Energía solar, vol. 116, pág. 303–313, 2015.
• VINTURINI, M. Causas y efectos de la corriente inversa en módulos fotovoltaicos, Canal Sol, 11/08/2019