(8) El panel fotovoltaico. La curva (I-V); MPP; Vmp y Voc

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Gabriel_2018
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#1 (8) El panel fotovoltaico. La curva (I-V); MPP; Vmp y Voc

Mensaje por Gabriel_2018 » 31 Ene 2019, 11:33

El panel solar es uno de los componentes principales de un sistema fotovoltaico. En cuanto a generación, tiene unas características particulares, que le alejan de poder ser considerado como una fuente de tensión o intensidad ideales.

En los catálogos de los fabricantes podemos ver sus características, siendo las más notorias las que siguen:

Isc: Intensidad en cortocircuito, que es la intensidad que entrega el panel cuando unimos los polos directamente ("sc" = short circuit)
Voc: Es la tensión que se mide entre sus polos cuando no circula corriente por el panel, es decir, cuando el panel queda en abierto ("oc" = open circuit)
Imp: Es la intensidad del panel en el punto de máxima potencia ("mp" = maximum power)
Vmp: Es la tensión del panel en el punto de máxima potencia ("mp" = maximum power)
Pmp: Es la potencia que entrega el panel en el punto de máxima potencia ("mp" = maximum power)

Curvas I-V : Son curvas en las que se observa la relación entre voltaje e intensidad, bajo diversas circunstancias. Entre las más habituales, tenemos curvas "STC" (Standard Test Conditions) con radiación solar de 1.000 W/m2 y temperatura de célula de 25ºC; curvas con temperatura constante, en las que varia la radiación solar y curvas a radiación constante en las que lo que varía es la temperatura de las células.

No vamos a entrar en la forma en que las células solares producen energía y nos centraremos en el panel como una "caja negra" capaz de entregar potencia por la acción de la luz solar.


A continuación tenemos las curvas de funcionamiento que da un fabricante de un panel solar de 72 células y 330 w de potencia pico:
curvapanel.jpg
En la imagen de la izquierda vemos las curvas de trabajo I-V para distintos niveles de radiación, manteniendo la temperatura de las células constantes a 25ºC.

En la imagen de la derecha, vemos como varían Isc, Voc y Pmp en función de la temperatura. Se cortan las tres curvas a una temperatura de 25ºC, puesto que los datos nominales de esos parámetros están dados a dicha temperatura.

Visto lo anterior, cabe preguntarse si existe alguna forma de determinar la temperatura de la células en función de las condiciones ambientales que rodean al panel.
Para el caso estacionario, es decir, aquel en el que el sol está presente sin transiciones con nubes, tenemos esta aproximación bastante precisa:

Tc = Ta+ G x (NOCT-20) / 800

donde:

Tc : Temperatura de la célula
G : Radiación en W/m2.
NOCT : Temperatura de la célula bajo una temperatura ambiente de 20ºC y una velocidad de viendo de 1 m/s. Dato facilitado por el fabricante.


Como ejemplo, para determinar la temperatura de las células cuando la temperatura ambiente es de 35ºC y la radiación de 900 w/m2, con un NOCT de 45 ºC:

Tc = 35 + 900 (45-20) / 800 = 63.1 º C.

En cuanto a la estimación de la temperatura de las células en los transitorios, el cálculo resulta algo más complejo y no vamos a entrar en detalle. Desde el punto de vista de la transmisión del calor, el panel es considerado como una placa plana radiada y las variables son la velocidad del viento, la radiación, la temperatura ambiente, la posible presencia de agua en el panel...

Cuando se tiene un registro de datos amplios, se observa que las máximas tensiones de trabajo de los paneles no se dan en los días fríos de invierno con sol, como podría pensarse. En esos casos podemos aplicar la fórmula para el régimen estacionario y para una radiación de 900 w/m2 y una temperatura ambiente de 5 º, vemos que la temperatura de las células no es excesivamente baja, unos 33 º C. En mi caso, las temperaturas de células más bajas registradas, o de máximas tensiones, se dan en días con una velocidad de viento considerable, lluvia y posterior transición a sol. En dichos casos, podemos tener una Voc un 12-15% mayor que la NOMINAL.
Última edición por Gabriel_2018 el 11 Feb 2019, 14:20, editado 4 veces en total.
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#2 El panel fotovoltaico. La curva (I-V); MPP; Vmp y Voc - Avanzado

Mensaje por Gabriel_2018 » 11 Feb 2019, 10:07

En cuanto a la asociación de paneles en serie o paralelo; en serie, si los paneles son iguales y están en las mimas condiciones de operación, la intensidad se mantiene constante y la tensión es la tensión de cada panel, multiplicado por el número de paneles. Si están en paralelo, la tensión se mantiene constante y la intensidad es la suma de la intensidad de cada panel.

¿Y qué ocurriría si ponemos en serie dos paneles con distintas características? Solemos escuchar que en ese caso, la intensidad es la menor y la tensión, la suma de las tensiones de cada panel. Es una buena aproximación, pero si queremos hacerlo de forma rigurosa, deberíamos hacer lo que sigue:
paneles_serie.jpg
Partimos de la curva de cada panel, en rojo y amarillo, que se puede ver en la parte superior del gráfico. En la parte inferior, vamos obteniendo los puntos de trabajo de la asociación de esos paneles en serie. ¿cómo los obtenemos? Nos copiamos de nuevo las curvas de cada panel, teniendo en cuenta que el eje X es el de tensiones y el eje Y es el de intensidades. Si queremos unos cuantos puntos de la curva de trabajo, trazamos paralelas al eje X, por los puntos de intensidad 1A, 2A...Por ejemplo, para el primer punto, tramos una paralela a 1A y vemos donde se corta con la tensión del panel de menos intensidad y nos guardamos ese segmento.Vemos donde corta la paralela a la curva de mayor intensidad y nos posicionamos en ese punto. A ese punto, le añadimos el segmento anterior en el sentido del eje X y ya tenemos el primer punto de la curva de trabajo.

Todo esto podemos hacerlo mientras que la intensidad tomada, es menor que la menor de las dos intensidades de cada panel. ¿Qué ocurre cuando la intensidad toma un valor entre la intensidad de uno y otro panel? Pues que comienza a circular corriente por los diodos de bypass del panel de menor intensidad. Para obtener los puntos de trabajo en este tramo, lo que tenemos que hacer es posicionarnos de la misma forma que antes, pero ahora, lo que hacemos es restar una tensión de 1.5 V. ¿Por qué? Porque la corriente que pasa por los tres diodos hace que disminuya la tensión entre el - y el + del panel de menor intensidad. ¿Por qué 1.5 V? Porque la caída de tensión en cada diodo es de aproximadamente 0.5 V y como son 3 diodos, tendremos que la caída será 3x0.5V.

¿Os atrevéis a estimar como será la curva de generación de un panel en el que hay una sombra que afecta a una zona protegida por uno de los tres diodos? ¿Y a estimar cómo sería la curva de generación de dos paneles en paralelo con distintas tensiones nominales (60 y 72 células) ?
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