Los sistemas fotovoltaicos tienen como unos de sus mayores enemigos las sombras que podemos encontrarnos a la hora de instalar módulos solares, por lo tanto es necesario evitar sombras lo máximo posible. Dicho lo anterior surge la duda
¿Cómo afecta la sombra a un sistema fotovoltaico?
Lo primero es entender que los sistemas fotovoltaicos son sistemas de generación de energía eléctrica que están conformados de manera general por una estructura mecánica, un inversor, cables, reguladores, protecciones, medio de acumulación de energía y principalmente un arreglo de módulos fotovoltaicos.
El arreglo de módulos como su nombre lo indica está formado por varios módulos y los módulos a su vez están constituidos por un número determinado de celdas que tienen como base el efecto fotovoltaico para la generación de energía eléctrica, estos últimos la celda, el módulo y el arreglo fotovoltaico (es importante diferenciar los diferentes conceptos) se ven afectados de diferentes maneras como se explica a continuación.
Efectos de sombreado en la celda fotovoltaica:
La celda es el dispositivo fotovoltaico básico que genera electricidad cuando se expone a la luz. Las celdas más comunes en el mercado están elaboradas de silicio (monocristalino o policristalino), estas celdas tienen una propiedad intrínseca que relaciona el tamaño de la celda con sus valores nominales de voltaje y corriente. En el mercado celda solar típica con dimensiones de 156 x 156 mm genera aproximadamente un voltaje 0.5v y 8A de corriente a una irradiancia máxima y mientras que otra celda de 156 x 78 mm generará 0.5v y 4 A, esta propiedad puede apreciarse mejor en la siguiente tabla:
Esta propiedad de una celda fotovoltaica de silicio es importante para entender el efecto del sombreado sobre la celda. Los tipos de sombreados más comunes son el sombreado parcial (donde un objeto bloquea sólo una porción de la luz solar disponible o disminuye la cantidad irradiancia que recibe la celda) y el sombreado total (bloquea totalmente la luz que puede recibir una celda solar), estos sombreados afectan de manera de diferente manera a una celda ya que la corriente eléctrica generada es directamente proporcional al área expuesta a la luz solar, como se puede apreciar en los siguientes ejemplos.
Efectos del sombreado en un módulo fotovoltaico: El efecto de la sombra en un módulo fotovoltaico depende meramente de dos factores, uno de ellos son las características propias de la celda y el segundo factor es la forma en que están ensamblados los módulos.
El arreglo eléctrico que se hace entre las celdas que forman el módulo fotovoltaico es un arreglo en serie, eso quiere que la corriente hace un recorrido continuo a través de todas las celdas, como si fuera agua en una manguera. Dicho ensamble se representa a continuación.
Una celda 100% sombreada no generará electricidad y tampoco permitirá que la corriente del resto de las celdas fluya a través de ella, se comportará entonces como un circuito abierto y todo el módulo dejará de funcionar. Para corregir esto es necesario utilizar diodos llamados “bypass” en el módulo fotovoltaico, estos diodos permiten el paso de la corriente a través de ellos cuando alguna celda o conjunto de celdas estén sombreadas, este paso de corriente se representa a continuación.
En un ensamble convencional de 60 celdas como el anterior se cuenta con 3 diodos “bypass”, un diodo por cada 2 columnas (20 celdas), eso quiere decir que por cada que diodo llegue a activarse se perderá un tercio de la potencia de generación del módulo. La activación de los diodos “bypass” puede suceder de diferentes maneras, algunas de ellas se representan a continuación.
Efecto de las sombras en un arreglo de módulos
Para entender cómo se comportan los arreglos sombreados, debemos de estudiar los 2 tipos de arreglos de módulos fotovoltaicos: los arreglos en serie y arreglos en paralelo.
Sombreados en arreglos solares serie: Si conectamos en serie módulos fotovoltaicos equivale a conectar todas sus celdas en serie, así entonces los mismos principios de celdas sombreadas de un módulo aplican para este tipo de arreglo. En este caso si existen sombras los diodos de bypass se activarán permitiendo el paso de toda la corriente posible.
Sombreados en arreglos solares paralelo: las sombras afectan de diferentes maneras a este tipo de arreglos, sin embargo, hay dos casos de interés para estudiar y que ayudarán a entender el comportamiento de estos sistemas bajo condiciones de sombra.
Sombras regulares y un solo punto de máxima potencia: Si existe una sombra regular que afecte de igual manera a todas las cadenas de módulos, entonces todo el arreglo tendrá una potencia más baja pero no habrá mayor afectación al punto de máxima potencia del arreglo. El sistema operará sin pérdidas adicionales a las del sombreado.
Sombras irregulares y más de un punto de máxima potencia:
si existen sombras que afecten de manera irregular un arreglo de módulos fotovoltaicos conectados en paralelo se afectará tanto la potencia generada como la integridad del sistema.
En principio con la potencia, cuando existen sombras en sólo una cadena del arreglo fotovoltaico, la corriente máxima de dicha cadena será diferente a la del resto de cadenas no sombreadas. Esto modifica el Punto de máxima potencia de esa cadena y por ende existirán al menos 2 puntos de máxima potencia para el arreglo en conjunto.
El dispositivo que esté conectado al arreglo (un inversor o un controlador de carga) verá 2 puntos de máxima potencia y se verá obligado a escoger uno de los 2. Sí el dispositivo conectado al arreglo solar escoge un punto de máxima potencia incorrecto, habrá pérdidas de potencia adicionales a las ocasionadas directamente por el sombreado.
Lo siguiente que puede ser afectado es la integridad del módulo, En un arreglo en paralelo si un módulo dentro de una cadena es afectado por una sombra, esta será vista por el resto del sistema como una carga a alimentar, entonces la corriente del resto del sistema será enviada al módulo formado así un punto caliente “hotspot”.
En un arreglo de dos cadenas en paralelo este efecto todavía no es algo fatal para el sistema, pues la celda de silicio puede llegar a soportar hasta 15A o sea menos del doble de la corriente que genera normalmente (esto dependiendo del fabricante), pero en sistemas con más de 3 cadenas en paralelo la corriente generada por el arreglo es capaz de superar el límite de corriente que soporta el módulo, Cuando un módulo recibe más corriente de la que puede soportar, en primera recibirá daños donde la celdas perderán tiempo de vida y posteriormente dejarán de funcionar, pero también esta sobrecorriente en un módulo puede generar en el peor de los casos un incendio en el módulo que en el peor de los casos terminará en la pérdida del sistema e infraestructura tras un incendio del sistema fotovoltaico. Para evitar esta situación es que es necesario el uso de fusibles para proteger de sobrecorrientes cada una de las cadenas de módulos que conforman el arreglo.
