Efecto de las sombras en paneles solares


Por Miguel Pérez ( m.perez@conermex.com.mx )
Desarrollo tecnológico de Conermex S.A. de C.V.
Lunes, 3 de Octubre de 2016

Por Miguel Pérez

Uno de los factores con los que debemos de tener más cuidado a la hora de instalar un sistema fotovoltaico es la presencia de sombreados en los paneles solares. Cualquier sombra presente en nuestro arreglo solar, afectará de gran manera la generación de energía y en consecuencia el retorno de la inversión de nuestros sistemas.

Efecto de las sombras en una celda solar
Para determinar cómo afectan los sombreados a la generación, empecemos definiendo dos tipos de sombreados en una celda solar.
No confundir las terminologías de celda y panel solar.

Un sombreado total en una celda: Donde un objeto bloquea totalmente la luz que puede recibir una celda solar. En la práctica este tipo de sombreados sólo se produce cuando un objeto opaco está muy cercano a una celda solar (p. ej. Hojas de árboles, excremento de pájaros).

Un sombreado parcial en una celda: Donde un objeto bloquea sólo una porción de la luz solar disponible. Este tipo de sombreados es el más común y se produce cuando cualquier objeto opaco o translúcido que esté situado frente a los módulos solares, pero a una distancia tal, que no es capaz de bloquear totalmente la luz solar (p. ej. Nubes, edificios, tinacos, cables, etc.)
La corriente eléctrica generada por una celda solar es directamente proporcional al área expuesta a la luz solar. En los siguientes ejemplos tenemos una celda solar típica de 156 x 156 mm, la cual genera cerca de 8A a una insolación máxima:

Efectos del sombreado en un panel solar
Ahora que entendemos los efectos del sombreado a nivel de celda, deberemos de estudiar los efectos de las sombras a nivel de panel. Empecemos por analizar cómo se construye un panel solar desde el punto de vista eléctrico.

Actualmente la mayoría de los paneles solares de silicio se construyen conectando en serie todas las celdas que componen el panel. Esto se logra conectado el polo positivo de una celda con el negativo de la siguiente y así sucesivamente.

El polo negativo de una celda solar se encuentra en la cara frontal de la misma, mientras que el positivo se encuentra en la cara posterior.
La conexión eléctrica se logra con listones metálicos que se sueldan entre las celdas, creando cadenas (o strings). Estas cadenas se arreglan en matrices de distintos tamaños para construir  un panel solar. Por ejemplo, los paneles de 60 celdas típicamente se forman en arreglos de 10x6 y los paneles de 72 celdas se forman en arreglos de 12x6 celdas. La siguiente imagen muestra un panel de 60 celdas, donde se puede observar las conexiones eléctricas necesarias para crear un módulo solar funcional.


La imagen anterior muestra la posición de los diodos de bypass en el panel solar, estos diodos tienen una función muy importante que es de minimizar los efectos de los sombreados. Para entender como funciona un diodo de bypass, supongamos que tenemos un panel solar al cual le fueron retirados los diodos y tiene un sombreado total en una de sus celdas, como se muestra en la siguiente imagen.


Una celda totalmente sombreada, además de no generar electricidad, no permitirá que la corriente del resto de las celdas fluya a través de ella, por lo que la se comportará como un circuito abierto y el panel entero dejará de funcionar.

Para evitar esta situación se añaden diodos de bypass (derivación) al módulo solar, los cuales permiten el paso de la corriente a través de ellos cuando alguna celda o conjunto de celdas solar esté sombreado, actuando como una válvula de escape. Veamos que sucede con el caso anterior cuando están presentes los diodos de bypass.

En presencia de una celda sombreada, el diodo se convierte en el camino de menor resistencia, por lo que la corriente de las celdas sin sombreados puede circular libremente a través de él. En este ejemplo, el panel solar cuenta con 3 diodos, por lo que el panel solar está dividido en 3 segmentos de 20 celdas cada uno. Al activarse un diodo, 1/3 de las celdas del panel solar quedan inactivas por lo que el módulo solar sólo producirá 2/3 de su potencia total. A cambio de esto el módulo puede seguir generando aún en condiciones de un sombreado total en una de sus celdas.

La siguiente imagen muestra la pérdida de potencia por sombreados totales en distintas partes de un módulo solar de 60 celdas.


En las imágenes anteriores, podemos apreciar la pérdida de generación cuando se bloquea totalmente la luz en distintas partes de un panel solar. Podemos también observar que el caso más grave se da cuando se bloquea totalmente una fila de celdas solares, ya que para este caso se activan los 3 diodos de bloqueo eliminando totalmente la producción de este panel solar.

En ciertas condiciones, y desde el punto de vista de la generación, es más conveniente el tener un sombreado total que un sombreado parcial. Veamos el siguiente ejemplo:


En el módulo de la izquierda tenemos un sombreado parcial de 40% en un par de celdas. Este tipo de sombreado no activará el diodo de bloqueo por lo que las celdas sombreadas seguirán conectadas a las que no lo están, la corriente máxima que podrá circular por el panel solar estará limitada por la máxima corriente generada por las celdas sombradas, que es de un 60%. Por lo tanto la potencia total de este módulo será de un 60% de su potencia máxima. Haciendo una analogía, una celda parcialmente sombreada equivale a pisar una manguera en la cual circula agua a presión, lo que afectará el flujo de agua en toda la manguera.


En el módulo de la derecha, debido a que las celdas están totalmente sombreadas, el diodo de bloqueo se activa, desconectado una tercera parte del módulo solar. Debido a que el resto de las celdas no están sombreadas pueden generar el 100% de la corriente máxima, el panel por tanto puede generar 2/3 partes de su potencia, lo que equivale al 67% de sus Watts totales. Podemos observar que, en este caso, nos conviene más que actúen los diodos de bloqueo.

Efecto de las sombras en un arreglo de paneles solares
Para entender cómo se comportan los arreglos sombreados, debemos de estudiar 2 casos: Arreglos de paneles en serie y arreglos en paralelo.

          1.- Sombreados en arreglos solares serie
Este caso se puede explicar muy fácilmente si tenemos en cuenta que conectar en serie dos o más paneles solares equivale conectar todas sus celdas en serie (o cadena), por lo que los mismos principios de celdas sombreadas de un panel solar aplican para este caso.

Debemos de tener mucho cuidado con las sombras parciales en este tipo de arreglos, ya que la corriente máxima de toda la cadena estará limitada por la corriente que pueda circular por las celdas sombreadas. En este caso lo mejor que puede pasar es que, si existen sombras, los diodos de bypass se activen permitiendo el paso de toda la corriente posible.


              2.- Sombreados en arreglos solares paralelo
Para sistemas de 4kWp en adelante es usual encontrar sistemas con 2 o más cadenas de paneles solares conectadas en paralelo. Las sombras afectan de maneras complejas y difíciles de predecir a los arreglos de este tipo ya que dependen en gran medida de la disposición física del arreglo solar. Sin embargo, podemos estudiar 2 casos de interés que nos ayudarán a predecir de mejor manera el comportamiento de estos sistemas bajo condiciones de sombra:

-                Sombras regulares y un solo punto de MPP
Si existe una sombra regular que afecte de la misma manera a todas las cadenas de paneles solares, entonces todo el arreglo tendrá una potencia más baja pero no habrá mayor afectación al punto de máxima potencia del arreglo (Maximum Power Point o MPP). El sistema operará sin pérdidas adicionales a las del sombreado.


Este tipo de sombras es poco usual pero se puede encontrar en arreglos solares donde no exista suficiente espacio entre filas de módulos solares y por lo tanto las filas delanteras sombrean a las filas traseras.



-                Sombras irregulares y múltiples puntos de MPP
Cuando existen sombras en sólo una cadena del arreglo solar, la corriente máxima de ese arreglo será diferente a la de las cadenas no sombreadas. Esto modifica el Punto de máxima potencia de esa cadena y por ende existirán al menos 2 puntos de MPP para el arreglo en conjunto. El dispositivo que esté conectado al arreglo (ya sea un inversor o un controlador de carga) verá 2 puntos de máxima potencia y se verá obligado a escoger uno de los 2. Existe una posibilidad de que si el dispositivo conectado al arreglo solar escoge un MPP incorrecto, habrá pérdidas de potencia adicionales a las ocasionadas directamente por el sombreado.


En la actualidad se ha investigado mucho en los algoritmos de búsqueda del punto de máxima potencia, ya que tomar las decisiones correctas en estos casos, puede hacer una gran diferencia en la cantidad de energía generada por el sistema fotovoltaico.

Conclusiones
A lo largo del artículo vimos que las pérdidas de energía causadas por sombreados en paneles solares siempre son mayores a lo que la intuición nos indica. Por lo tanto, es aconsejable el tratar de minimizar la presencia de sombras en nuestros arreglos.

Siempre deberemos de buscar que en las horas de máxima radiación solar (tres horas antes y después del mediodía) el arreglo esté totalmente libre de sombras a lo largo de todo el año. Si por alguna situación existe una sombra que no podemos evitar, es aconsejable utilizar un software de simulación de sombras FV que nos permita determinar si el sistema será viable aún con el efecto del sombreado.

Espero que este artículo les sea de utilidad y muchas gracias a Carlos Arteaga por sugerir ese tema. ¡Hasta la próxima!