Generador Fotovoltaico

El generador fotovoltaico es el encargado de generar energía eléctrica a partir de la radiación solar.

Este sistema está compuesto por módulos fotovoltaicos o paneles solares, los cuales son ensamblajes de células fotovoltaicas interconectadas en serie y en paralelo para obtener las características de tensión y corriente deseadas, típicamente 12V o 24V.

Las células fotovoltaicas están basadas en una unión PN de silicio dopado con fósforo (tipo N) y boro (tipo P). Al incidir la radiación solar sobre la célula, los fotones transfieren su energía a los electrones de la capa P, generando un flujo de electrones hacia la capa N.

Este fenómeno produce una diferencia de potencial eléctrico, es decir, una tensión, que puede ser utilizada para alimentar cargas eléctricas.

Para maximizar la eficiencia de las células solares, se emplean capas antirreflectantes que reducen las pérdidas por reflexión de la radiación incidente.

La tensión máxima que puede generar una célula solar es de aproximadamente 0.5V. Por lo tanto, la tensión máxima de un panel solar dependerá del número de células conectadas en serie. Como regla general, la tensión máxima de un panel es aproximadamente la mitad del número de células en serie.

La tensión nominal (V_N o V_PANEL) de un panel solar se calcula mediante la siguiente relación:

Los paneles solares son el componente fundamental en el cálculo de instalaciones fotovoltaicas. Sus características técnicas y su interacción con otros componentes del sistema determinan el rendimiento global de la instalación.

Tipos de Paneles Solares de un Generador Fotovoltaico

Según su método de fabricación, existen 3 tipos principales de células:

Silicio Monocristalino

Presentan una estructura cristalina altamente ordenada, obtenida a partir de un lingote de silicio monocristalino dopado. Su color característico es azul oscuro o negro. Son los de mayor rendimiento, de pequeño tamaño y ligeros.

Debido a su alta eficiencia, son ideales para grandes instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red (huertos solares) y sistemas autónomos de alta potencia.

Silicio Policristalino

Su estructura cristalina presenta múltiples granos o cristales, lo que reduce ligeramente su rendimiento en comparación con las monocristalinas. Su proceso de fabricación es más económico y su color suele ser azul grisáceo.

Son ampliamente utilizadas en instalaciones fotovoltaicas residenciales y pequeñas instalaciones autónomas.

Silicio Amorfo

Poseen una estructura cristalina desordenada, lo que las hace más flexibles y permite su deposición sobre diversos sustratos. Sin embargo, su rendimiento es el más bajo de las tres.

Son utilizadas principalmente en aplicaciones de bajo consumo, como calculadoras solares y pequeñas instalaciones autónomas. Al ser translúcidas (dejan pasar la luz), favorecen su integración en acristalamientos en viviendas y edificios.

El rendimiento o eficiencia de una célula fotovoltaica se define como la relación entre la potencia eléctrica máxima que puede generar P_M y la potencia luminosa incidente P_L:

En la siguiente tabla se compara el rendimiento de los 3 tipos principales de células:

Además de las células de silicio, existen otros tipos de células fotovoltaicas con características y aplicaciones específicas. Un ejemplo destacado son las células de arseniuro de galio (GaAs). Estas células ofrecen un rendimiento energético significativamente superior al de las células de silicio, alcanzando un rendimiento h de hasta un 25%.

Las células de GaAs pueden fabricarse con un espesor mucho menor que las de silicio, lo que las hace más ligeras y flexibles. Además, su rendimiento se degrada menos a altas temperaturas. No obstante, el arseniuro de galio es un material con un coste de producción elevado, lo que encarece significativamente el precio de las células, lo que limita su producción a gran escala.

Características Eléctricas de los Paneles de un Generador Fotovoltaico

Las hojas de características de los fabricantes de placas fotovoltaicas proporcionan información detallada sobre sus características eléctricas, las cuales son fundamentales para el diseño y dimensionamiento de la instalación. Los parámetros eléctricos más relevantes son los siguientes:

Intensidad de Cortocircuito I_sc

Es la corriente máxima que circula por el panel cuando sus terminales están cortocircuitados (tensión cero). Representa la capacidad máxima de entrega de carga del módulo en condiciones de irradiación máxima.

Al ser la resistencia de la carga de cero, la corriente fluirá sin ninguna oposición, siendo la máxima corriente que se puede extraer del panel.

Intensidad Máxima I_M o I_mp

Es la corriente que circula por el panel en su punto de máxima potencia P_M. Este valor de corriente se obtiene cuando el módulo trabaja bajo las condiciones de máximo rendimiento (condiciones específicas de sol, temperatura y carga eléctrica).

La intensidad máxima I_M no es la intensidad de cortocircuito Isc, porque ésta sólo se consigue cortocircuitando sus bornes. Suele estar en torno al 90% de la corriente de cortocircuito Isc.

Tensión en Circuito Abierto V_oc

Es la tensión máxima que se puede medir en los terminales del panel cuando no circula corriente, es decir, cuando no se conecta ninguna carga a la salida del panel solar. Representa la tensión máxima que puede generar el panel en condiciones de irradiación máxima.

Como la resistencia de la carga es infinita (vacío), no circulará corriente y se obtendrá la máxima tensión del panel.

Tensión Máxima V_M o V_mp (H3)

Es la tensión en el punto de máxima potencia P_M. Este valor de tensión se obtiene cuando el panel trabaja bajo las condiciones de máximo rendimiento (condiciones específicas de sol, temperatura y carga eléctrica).

La tensión máxima V_M suele estar aproximadamente en el 80% de la tensión en circuito abierto V_OC.

Potencia Pico o Potencia Máxima P_M

Es el producto de la corriente máxima I_M y la tensión máxima V_M. Este valor máximo de potencia se puede obtener del panel bajo unas condiciones específicas de radiación solar, temperatura y carga eléctrica.

Para cada condición de radiación solar y temperatura existirá una potencia máxima. Por tanto, una vez establecidas unas condiciones de sol y temperatura, habrá una corriente I_M, que provocará la máxima potencia del panel P_M para esas condiciones. La tensión generada por el panel será la tensión V_M.

Potencia Nominal P_N

Es el valor de potencia que asigna el fabricante al panel solar. Representa la potencia máxima P_M que puede generar un panel en las condiciones de prueba estándar (STC, Standard Test Conditions) o condiciones estándar de medida (CEM).

Las condiciones de prueba estándar (STC) se establecen a nivel internacional para comparar el rendimiento de diferentes módulos fotovoltaicos:

● Irradiancia solar (W/m²): el valor estándar es de 1000 W/m² (irradiación solar global en condiciones de cielo despejado).

● Temperatura (°C): el valor estándar es de 25 °C (a mayor temperatura, menor tensión alcanzará el módulo o panel).

● Dirección de la radiación solar: el valor estándar es con dirección perpendicular al panel. La potencia generada es máxima cuando los rayos solares inciden perpendicularmente.

Es importante comprender que la potencia máxima P_M, está sujeta a variaciones significativas debido a las condiciones ambientales reales de operación, las cuales difieren de las condiciones estándar de prueba (STC).

Como consecuencia, la potencia máxima real P_M de un módulo en un momento dado puede ser superior o inferior a su potencia nominal P_N. La potencia nominal P_N es un valor de referencia establecido bajo condiciones estándar de prueba y sirve como punto de partida para el dimensionamiento de los sistemas fotovoltaicos.

Tensión Nominal V_N o V_PANEL

Es la tensión de diseño a la que trabaja el módulo fotovoltaico. Determina la configuración del sistema. Los valores suelen ser de 12, 24 o 48 V.

Ejemplo: Queremos saber la potencia nominal P_N de un panel, de 12V de tensión nominal, con los siguientes valores de su placa de características:

Isc = 9,18 A

Voc = 21,42 V

V_M = 17,46 V

I_M = 8,59 A

La potencia nominal P_N, o potencia máxima P_M del panel, se obtendrá a partir de los valores V_M y I_M que el fabricante ha obtenido en las condiciones estándar:

P_N = P_M = V_M · I_M = 17,46 · 8,59 = 149,98 ≅ 150 W

Energía Generada por los Paneles Solares Fotovoltaicos

La energía eléctrica generada por un sistema fotovoltaico se expresa en términos de potencia (P) y tiempo (t), según la ecuación fundamental: E = P · t. La energía eléctrica E se obtiene, en julios, J, cuando la potencia eléctrica P está en vatios, W y el tiempo t en segundos, s.

Las unidades comunes en un generador fotovoltaico son:

– Watio-hora (Whd): representa la energía suministrada por un panel fotovoltaico en 1 día. Es una unidad común en el ámbito doméstico y en sistemas fotovoltaicos de pequeña escala (W×h/día).

– Amperio-hora por día (Ahd): es el mismo concepto, pero esta unidad es independiente de la tensión, resultando útil para comparar el rendimiento de diferentes módulos (A×h/día).

La energía que generan los paneles solares durante 1 día, la mediremos por comodidad en la unidad Ahd, siendo así independiente del valor de la tensión.

Energía Generada por un Panel Fotovoltaico

Para calcular la energía que genera un panel solar durante 1 día, se usará la siguiente fórmula:

siendo:

I_M = corriente máxima del panel

HPS = horas de pico solar (horas de suficiente irradiancia solar)

η_PANEL = rendimiento del panel, en tanto por 1, que relaciona la potencia eléctrica de salida Ps con la potencia eléctrica de entrada Pe. Estas pérdidas eléctricas, que se producirán por la resistencia interna del módulo o panel, suelen tener valores típicos entre el 85% al 95%.

Energía Generada por Varios Paneles Fotovoltaicos

Generalmente un grupo generador fotovoltaico estará compuesto por varios paneles asociados en serie y/o paralelo. La energía de todos los paneles conectados será de:

siendo:

I_{M_PANELES} = corriente máxima de la asociación de todos los módulos o paneles

HPS = horas de pico solar (horas de suficiente irradiancia solar)

η_PANEL = rendimiento del panel, en tanto por 1

En el apartado de cálculo de los paneles solares se encuentra el cálculo completo del número de paneles necesarios en un generador fotovoltaico para una instalación solar.

Ejercicios Resueltos de Energía Generada por los Paneles en un Generador Fotovoltaico

A continuación, se presentan 3 ejercicios resueltos del generador fotovoltaico sobre el cálculo de la energía máxima generada por los paneles solares:

Conexión de los Paneles Solares Fotovoltaicos

El símbolo convencional utilizado para representar un módulo fotovoltaico indica la dirección de la corriente eléctrica generada (del ánodo al cátodo) y la polaridad de los terminales.

Generalmente, se agrega la sigla "FV" al símbolo para identificarlo claramente como un módulo fotovoltaico.

Para obtener los niveles de tensión y corriente requeridos en una instalación fotovoltaica, es necesario conectar múltiples módulos en serie, en paralelo o en una combinación de ambas.

Al conjunto de todos los módulos fotovoltaicos interconectados se le denomina campo generador fotovoltaico o matriz fotovoltaica. Este conjunto constituye la unidad generadora de energía eléctrica en una instalación fotovoltaica.

Para evitar problemas de funcionamiento y garantizar una vida útil adecuada, se recomienda utilizar módulos fotovoltaicos del mismo fabricante y con características eléctricas similares (tensión, corriente, potencia, coeficientes de temperatura) en una misma matriz.

Generador Fotovoltaico con Conexión de Paneles en Paralelo

Para asociar paneles en paralelo los terminales positivos de todos los módulos se conectan entre sí, y los terminales negativos también. Con esta conexión se consigue aumentar la corriente total del sistema manteniendo constante la tensión.

La corriente total es igual a la suma de las corrientes individuales de cada módulo, o a la corriente de un módulo multiplicada por el número de módulos en paralelo:

A continuación, se muestra la conexión de 2 paneles en paralelo:

Generador Fotovoltaico con Conexión de Paneles en Serie

Para asociar paneles en serie el terminal positivo de un módulo se conecta al terminal negativo del siguiente, formando una cadena. Con esta conexión se consigue aumentar la tensión total del sistema manteniendo constante la corriente.

La tensión total es igual a la suma de las tensiones individuales de cada módulo, o a la tensión de un módulo multiplicada por el número de módulos en serie.

A continuación, se muestra la conexión de 2 paneles en serie:

Generador Fotovoltaico con Conexión Mixta de Paneles

Combina las conexiones en serie y paralelo. Con esta conexión se consigue obtener tanto un aumento de tensión como de corriente, adaptándose a las necesidades específicas de la instalación. Con la asociación en paralelo aumentamos la corriente y con la asociación en serie aumentamos la tensión.

Se forman grupos de módulos conectados en serie, denominados ramas o cadenas (strings) y posteriormente se conectan estas ramas o cadenas en paralelo.

La representación del conjunto de módulos fotovoltaicos, se realiza simplificando al máximo posible el esquema. Las ramas se representan con una línea discontinua que conecta el primer y el último módulo de la cadena. Del mismo modo, para varias ramas se representarían la primera rama y la última unidas por línea discontinua.

En un generador fotovoltaico, los paneles se numeran secuencialmente, de izquierda a derecha y de arriba abajo, utilizando la nomenclatura FV1, FV2, FV3, etc.

A continuación, se muestra la conexión de 5 ramas (en paralelo) de 2 módulos en cadena en cada rama (en serie).

Ejercicios Resueltos de Conexión de los Paneles en un Generador Fotovoltaico

A continuación, se presentan 4 ejercicios resueltos del generador fotovoltaico sobre la asociación y conexión de las placas solares en serie, paralelo y conexión mixta:

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