Instalaciones Solares Fotovoltaicas
LA CÉLULA SOLAR
Es el elemento con el que se fabrican los paneles solares. Cada célula solar se comporta como un diodo generador de voltaje. Esto quiere decir que el voltaje generado suele estar entre 0,5V y 0,6V. La intensidad de la celda depende de la intensidad solar recibida. A más intensidad solar mayor intensidad de corriente.
El voltaje generado siempre es de corriente continua y suele mantener su valor cuando varía la intensidad de salida.
La estructura interior de cada una de las celdas se puede ver en la esta imagen.
Se pueden ver los conductores eléctricos positivo y negativo de la celda, así como su estructura interna.
El contacto delantero impide en parte el paso de la luz solar a la célula fotovoltaica
el panel solar
Para formar un panel solar completo se interconectan varias células fotovoltaicas en serie y/o paralelo hasta conseguir el voltaje e intensidad deseados en el panel solar final.
En la siguiente imagen se puede ver un ejemplo de un panel solar formado por varias células interconectadas:
Este panel solar está formado por 36 celdas en serie.
La suma del voltaje de todas las celdas determina el voltaje final del panel.
La intensidad del panel dependerá de la intensidad máxima de cada celda y es directamente proporcional a su tamaño físico.
En el mercado se pueden encontrar paneles de 36, 60, 72, 96, 144 celdas entre otras configuraciones. A más celdas más voltaje de salida tendrá el panel.
En este imagen se puede ver cómo están interconectadas las células solares en el interior del panel, de manera que se consigue el voltaje final deseado
En las siguientes imágenes se puede ver la parte delantera de dos paneles solares fotovoltaicos.
Panel solar de 36 celdas (12V)
Panel solar de 72 celdas (24V)
En esta imagen se pueden ver las partes que componen un panel solar completo.
Hay que destacar la interconexión de las células solares y las bornas de conexión finales del panel.
Hay que tener en cuenta que si una de las células del panel falla o está en una zona no expuesta al sol (en sombra) provocará una bajada o interrupción total de la potencia eléctrica generada por el panel fotovoltaico.
Características de un panel solar
En la parte trasera de los paneles solares hay una pegatina con las características eléctricas del panel.
Destacar los paneles solares fotovoltaicos más estandarizados son para para instalaciones solares de 12V o 24V. Este voltaje lo marca la batería de la instalación aislada.
En realidad estos paneles dan un voltaje mayor que esos 12V o 24V.
En la imagen de al lado se ve un panel solar para una instalación de 12V que tiene un voltaje de salida máximo de 23V. La diferencia de voltaje se utiliza para alimentar al regulador de carga y el voltaje final se regula al voltaje de la batería (Que en realidad tiene 14.4V).
Las características de la célula solar las da el fabricante para una radiación solar de 1000W/m2 y una temperatura de 25ºC. Las características fundamentales son:
Voltaje en circuito abierto (VOC): Es el voltaje que máximo que se puede obtener en la célula solar cuando no tiene conectada ninguna carga a su salida. Su valor marca el voltaje máximo que puede tener el regulador de una instalación fotovoltaica en determinadas condiciones de trabajo.
Intensidad de cortocircuito (ISC): Es la intensidad máxima que se puede obtener de la célula solar cuando se ponen sus terminales de salida en cortocircuito. Su valor marca la intensidad máxima que puede presentarse en los paneles solares de una instalación en determinadas condiciones de trabajo.
Voltaje a máxima potencia (VMP): Es el voltaje que tiene el panel solar cuando trabaja a su máxima potencia de salida.
Intensidad a máxima potencia (IMP): Es la intensidad que genera un panel solar en su máxima potencia de salida.
Potencia máxima (PMP): Es la potencia máxima que puede entregar un panel solar. Pmp = Vmp x Imp
Factor de forma (FF): Relaciona la potencia del panel con los valores que se pueden medir con un polímetro (Isc y Voc). Es la relación entre la potencia máxima que puede entregar la célula solar y el producto del voltaje en circuito abierto y la corriente de cortocircuito. Suele tener un valor entre 0,7 y 0,8.
Rendimiento: Indica el porcentaje de energía solar que se aprovecha del sol. Con la tecnología actual solo se han conseguido rendimientos de un 25% en paneles monocristalinos.
Voltaje máximo de trabajo: Indica el voltaje máximo al que puede funcionar el panel cuando se conecta en serie con otros paneles para conseguir alcanzar el voltaje de trabajo necesario para algunos inversores con conexión a la red eléctrica. Suele tener un valor de 1000V.
Para el panel solar IS-10 de Isofotón (De 10W de potencia) los parámetros que da el fabricante son:
Potencia máxima: 10W +- 10%
Intensidad en cortocircuito: 0,82 A
Tensión en circuito abierto: 21,6 V
Intensidad a máxima potencia: 0,58 A
Tensión a máxima potencia: 17,4 V
En este panel hay algunos datos como el factor de forma y el voltaje de trabajo máximo que no aparecen pero que se pueden calcular.
Este panel solar es para instalaciones de 12V y por su pequeño tamaño y potencia es ideal para hacer prácticas de fotovoltaica en centros educativos.
El rendimiento máximo de un panel fotovoltaico esté entre 15-16%, hay un modelo de LG que llega al 20% pero es más caro. La tecnología monocristalina tiene mayor rendimiento que la policristalina.
Silicio Monocristalino
Silicio Policristalino
Silicio Amorfo
Curva I-V de un panel solar
En esta curva se pueden ver las características técnicas de un panel solar.
Representa el comportamiento del panel solar en cuanto a la generación de energía y como se entrega a la carga que tiene conectada a su salida.
Destacar el punto de máxima energía del panel. Es el punto de trabajo que buscar algunos inversores de red o reguladores fotovoltaicos que tienen sistemas MPPT (Maximum Power Point Tracker)
Como ejercicio intentar ver que puntos de la curva se corresponden con los datos técnicos que se pueden leer en la parte posterior del panel solar.
TEJAS SOLARES
En las siguientes imágenes se pueden ver varios formatos de tejas que incluyen células solares. Son sistemas alternativos al clásico panel solar fotovoltaico que se instala normalmente.
Conexión de un panel solar
El esta imagen se pueden ver dos conectores solares de tipo MC4. Son conectores estancos al agua y a la humedad y vienen instalados de serie con los paneles fotovoltaicos.
El terminal positivo se puede identificar por el color rojo de la junta de estanquidad.
Hay que tener cuidado puesto que el mismo cable positivo tiene los dos tipos de conector. En caso de duda en conveniente hacer una medición con un multímetro y verificar la polaridad de los cables.
Cuando el panel solar no tiene cables con conector MC4 tiene una caja en donde conectar el cableado.
En las siguientes imágenes se pueden ver estas cajas junto con los diodos de protección que tienen en el interior.
Los módulos fotovoltaicos pueden estar compuestos por distinto número de celdas y por lo tanto su aplicación varía en función de estas:
Módulo de 36 celdas y 12V. Funciona con cualquier regulador, tanto PWM y MPPT
Módulo de 72 celdas y 24V. Funciona con cualquier regulador, tanto PWM y MPPT
Módulo de 60 celdas y 24V. Funciona solo con el regulador MPPT, más caro que el PWM, aunque el panel es más barato.
interconexión de paneles solares
Para poder alcanzar el voltaje final de las instalaciones solares muchas veces es necesario conectar varios paneles solares en serie para aumentar el voltaje final o en paralelo para aumentar la intensidad final. Otras veces incluso se hacen asociaciones serie-paralelo para aumentar tanto el voltaje como la intensidad de las instalaciones finales.
En las siguientes imágenes se puede ver como se hacen dichas interconexiones.
Conexión serie
Conexión paralelo
Conexión mixta
Los conectores más utilizados en estas interconexiones se denominan conectores MC4. En la siguiente imagen se puede ver una imagen así como las polaridades correctas de cada uno de ellos.
Orientación de un panel solar
El panel solar tiene que estar orientado correctamente para que produzca la mayor cantidad de energía eléctrica posible. Para ello tiene que estar orientado de manera totalmente perpendicular al sol.
Como el sol se mueve a lo largo del día, para que el panel produzca la mayor cantidad de energía posible, el panel debería seguir al sol a lo largo de su movimiento diario. Para ello hay que utilizar seguidores solares que muevan la estructura en donde están instalados los paneles solares, tal y como lo hace un girasol a lo largo del día.
Esta solución es muy cara y no siempre es factible su instalación.
En las siguientes imágenes se pueden observar dos ejemplos reales de este tipo de seguimiento.
Estructura con seguidor solar
SmartFlower
Debido a que la mayor parte de las instalaciones no pueden pagar el coste de un seguidor solar, se sitúa el panel fotovoltaico en una posición fija y optimizada para la mayor producción solar posible para este caso. Normalmente se sitúa el panel solar mirando al sur si es que la instalación está en hemisferio norte, mirando al norte si la instalación está en el hemisferio sur y mirando hacia arriba en zonas cercanas al ecuador.
En esta imagen se puede observar como es la orientación de un panel solar tanto en la parte de Acimut u orientación con respecto al sur y en altitud que marca la inclinación sobre la plano de la tierra.
La inclinación de un panel solar se rige según la siguiente fórmula βopt = |ɸ|, en donde:
βopt: ángulo de inclinación óptima (grados)
|ɸ|: latitud del lugar, sin signo (grados)
Pero atendiendo según que necesidades se ha de aplicar:
Diodos de protección de un panel solar
Son diodos que se utilizan para redirigir la corriente eléctrica generada por los paneles que están recibiendo energía solar para que no pase por los paneles que están en una zona de sombras. Si esto no se hace, el panel solar que está en zona de sombra consumirá la potencia generada por el resto de paneles y puede llegar a quemarse y a la destrucción de las células que están en la zona de sombra.
El diodo en este caso provee de un camino alternativo al panel que está en sombra haciendo funcionar correctamente el sistema fotovoltaico y evitando el uso del panel que está en sombra.
Una célula solar que no está recibiendo el sol se comporta como una resistencia, que puede consumir la energía generada por las células que tiene al lado. Esto puede provocar la destrucción de la célula si la energía de las células compañeras es suficientemente elevada.
Para evitar este efecto se ponen diodos de protección que hacen de bypass de la célula o panel.
Panel solar que se ha quemado por falta de protección con diodos
Prácticas
