Tras analizar los diferentes tipos de células solares que integran los paneles fotovoltaicos comerciales en anteriores post de este blog, aquí me detengo en explicar algunos detalles del funcionamiento de los paneles estándares. El objetivo es que en el próximo post se entienda mejor qué novedades incorporan los paneles de células cortadas por la mitad, que están dominando el mercado en los últimos tiempos.
Un panel clásico está constituido típicamente por 54 (9 x 6), 60 (10 x 6) o 72 (12 x 6) células. La imagen muestra la estructura interna de un panel típico de 60 células. Los detalles constructivos de estos paneles los he descrito aquí.
Conexionado de las células en el panel: efecto de sombras
Lo primero que debemos entender es cómo se conectan las células entre sí dentro del panel. Para ello, debemos saber que una célula individual bajo condiciones estándares de iluminación genera una tensión muy pequeña (~ 0,6-0,7 V) y una corriente apreciable (6-8 A). Para que el panel suministre una tensión de salida razonable, es imperativo conectar las células entre sí en serie. De esta forma, un panel de 60 células como el mostrado en la figura anterior suministrará una tensión de ~ 40 V, pero la corriente será la misma que la producida por cada célula (6-8 A).
“Para que el panel suministre una tensión de salida razonable, es imperativo conectar las células entre sí en serie”
Una de las peculiaridades (y de las limitaciones) de la conexión de elementos en serie es que, si en algún punto se produce un fallo (una célula que no funciona, una sombra, etc.), el panel dejará de suministrar corriente. La conexión en serie tiene esta severa restricción: si un elemento de la cadena falla, la cadena entera deja de suministrar corriente. Para paliar esta limitación, idealmente cada célula debería tener conectada en paralelo un diodo de derivación, que evitaría que el mal funcionamiento de una afectara a toda la cadena conectada en serie. La siguiente imagen ilustra esta cuestión:
En el ejemplo de la figura anterior, se han conectado diodos de derivación en paralelo a cada una de las tres células fotovoltaicas. El diodo está polarizado en inversa, lo que quiere decir que se comporta como una resistencia muy elevada e impide el flujo de corriente a su través. La corriente circula por las células.
Cuando las tres células solares reciben la luz del sol, cada una de ellas genera una tensión normal de ~0,6 V. Y como cada uno de los tres diodos de derivación están polarizados en inversa a través de sus respectivas células, cualquier corriente (flechas rojas) que intente fluir a través de ellos queda bloqueada. Por tanto, los diodos actúan como si no estuvieran allí y la cadena en serie produce toda la potencia de salida, ya que las tres células solares funcionan correctamente.
“La conexión en serie tiene esta severa restricción: si un elemento de la cadena falla, la cadena entera deja de suministrar corriente”
Sin embargo, si una de las células se queda parcialmente sombreada debido a las hojas, árboles, nubes, etc., la célula sombreada no produce energía eléctrica. Y, por lo tanto, su diodo de derivación toma el relevo activándose como se muestra en la figura, donde las flechas verdes indican el camino que seguirá la corriente.
En el ejemplo de la figura anterior, la célula dos deja de producir energía eléctrica y se comporta como una resistencia muy elevada. La corriente que fluye desde las otras dos células, al no poder circular por la célula sombreada, polariza en directa al diodo de derivación conectado en paralelo (es decir, lo pone en “ON”), desviando el flujo de corriente de las dos células buenas a través de sí mismas, como muestran las flechas verdes.
De este modo, el diodo de derivación conectado a través de la célula sombreada mantiene el funcionamiento de las otras dos células fotovoltaicas al crear una “ruta eléctrica” alternativa por la que fluye la corriente generada.
Conexión de los diodos de derivación
La integración de un diodo de derivación en todas y cada una de las células de un panel sería demasiado cara y no tan fácil de instalar, y complicaría y encarecería el coste del panel apreciablemente. Debido a esto, se opta por conectar diodos de derivación en fracciones de la cadena, tal y como muestra la siguiente imagen, donde las células de un panel se han agrupado en tres cadenas independientes, cada una de las cuales está conectada a un diodo de derivación.
Así, si se produce un mal funcionamiento en una célula de la cadena central (porque una hoja está ocultando la iluminación en la célula de la imagen), esa cadena dejará de funcionar, pero las otras dos seguirán haciéndolo normalmente, gracias al diodo de derivación que actúa de “bypass” de la cadena central del panel fotovoltaico:
En el ejemplo de la figura anterior, la célula dos deja de producir energía eléctrica y se comporta como una resistencia muy elevada. La corriente que fluye desde las otras dos células, al no poder circular por la célula sombreada, polariza en directa al diodo de derivación conectado en paralelo (es decir, lo pone en “ON”), desviando el flujo de corriente de las dos células buenas a través de sí mismas, como muestran las flechas verdes. De este modo, el diodo de derivación conectado a través de la célula sombreada mantiene el funcionamiento de las otras dos células fotovoltaicas al crear una “ruta eléctrica” alternativa por la que fluye la corriente generada.
Conexión de los diodos de derivación
La integración de un diodo de derivación en todas y cada una de las células de un panel sería demasiado cara y no tan fácil de instalar, y complicaría y encarecería el coste del panel de modo apreciable. Debido a esto, se opta por conectar diodos de derivación en fracciones de la cadena, tal y como muestra la siguiente imagen, donde las células de un panel se han agrupado en tres cadenas independientes, cada una de las cuales está conectada a un diodo de derivación.
Así, si se produce un mal funcionamiento en una célula de la cadena central (porque una hoja está ocultando la iluminación en la célula de la imagen), esa cadena dejará de funcionar, pero las otras dos seguirán haciéndolo normalmente, gracias al diodo de derivación que actúa de “bypass” de la cadena central del panel:
Con el cableado tradicional en serie de células completas, mostrado arriba, si una célula solar de la cadena central no recibe suficiente luz solar, todas las células de esa cadena en serie no producirán energía. Esto deja sin funcionar a un tercio del panel fotovoltaico, pero no a todo el panel, que sería el caso si no hubiera diodos de derivación.
Veremos en el siguiente artículo que este problema se minimiza de manera notable en los paneles fotovoltaicos de células cortadas por la mitad.
