Sombras y diodos de by pass
Solar fotovoltaico: Efecto de las sombras y solución
Contenido
Los sistemas fotovoltaicos alcanzan su máximo rendimiento cuando reciben radiación solar uniforme e ininterrumpida. No obstante, en condiciones reales de operación, los paneles solares frecuentemente se ven afectados por sombras parciales o totales que comprometen significativamente su rendimiento energético. Estas sombras pueden ser inevitables debido a la ubicación de la instalación, elementos arquitectónicos circundantes, vegetación próxima o fenómenos atmosféricos.
El impacto de las sombras sobre la generación fotovoltaica no se limita a una simple reducción proporcional de la potencia. Los efectos son considerablemente más complejos y, en muchos casos, pueden desencadenar problemas que afectan a la integridad y vida útil de los módulos. Para diseñar e implementar sistemas fotovoltaicos eficientes y duraderos, resulta necesario comprender en profundidad cómo afectan las distintas tipologías de sombras al rendimiento y operación de estos sistemas.
Arquitectura de un sistema fotovoltaico
Antes de adentrarnos en el análisis de los efectos del sombreado, conviene recordar la estructura jerárquica que compone un sistema fotovoltaico completo:
EJEMPLOS
Ejemplo ilustrativo
La célula fotovoltaica constituye la unidad básica de conversión fotoeléctrica, donde la radiación solar se transforma directamente en electricidad mediante el efecto fotovoltaico. Estas células, típicamente fabricadas de silicio monocristalino, policristalino o tecnologías de capa fina, generan individualmente una tensión reducida (aproximadamente 0,5-0,7 V) y una corriente que depende de su superficie y la intensidad de radiación incidente.
- El módulo fotovoltaico (comúnmente denominado panel solar) integra múltiples células interconectadas eléctricamente y encapsuladas para proporcionar protección mecánica y ambiental. Esta configuración permite obtener tensiones y potencias adecuadas para aplicaciones prácticas (típicamente 30-45 V y 250-500 W en módulos estándar).
- La cadena fotovoltaica o string consiste en varios módulos conectados en serie para elevar la tensión a niveles operativos del sistema (habitualmente entre 300-1000 V en instalaciones profesionales), manteniendo constante la corriente que circula por todos los módulos de la cadena.
- El generador fotovoltaico o array combina múltiples cadenas conectadas en paralelo, aumentando la corriente total y, consecuentemente, la potencia del sistema mientras mantiene un nivel de tensión común.
- Finalmente, el campo fotovoltaico completo puede incorporar varios generadores interconectados, junto con los inversores, sistemas de monitorización, protecciones eléctricas y estructura de soporte que constituyen la instalación fotovoltaica integral.
Esta estructura jerárquica permitirá entender cómo se propagan los efectos del sombreado desde una célula individual hasta afectar potencialmente todo el sistema.
Caracterización de las sombras
Las sombras que afectan a los sistemas fotovoltaicos pueden clasificarse atendiendo a diversos criterios como su origen, duración, extensión o intensidad. Sin embargo, desde una perspectiva funcional, la categorización más relevante se basa en el grado de atenuación que provocan en la radiación incidente, siendo:
- Sombreado total
- Sombreado parcial
Ejemplo ilustrativo
EJEMPLOS
Sombreamiento parcial:
El sombreado parcial representa la situación más frecuente en instalaciones reales y ocurre cuando la radiación solar se ve atenuada pero no completamente bloqueada. La célula sombreada continúa generando electricidad, aunque a un nivel reducido proporcional a la intensidad de radiación que recibe.
Las causas habituales del sombreado parcial incluyen:
- Fenómenos atmosféricos: Nubes de diferente densidad, neblina, contaminación atmosférica o polvo en suspensión que reducen la intensidad de radiación incidente de manera progresiva o intermitente.
- Sombras proyectadas difusas: Edificaciones distantes, vegetación no inmediata, o elementos estructurales que generan zonas de penumbra donde la radiación directa se reduce pero la componente difusa sigue llegando a la superficie del panel.
- Suciedad distribuida: Acumulaciones no uniformes de polvo, arena o contaminantes que atenúan parcialmente la transmisión de luz a través del vidrio protector del panel.
El sombreado parcial resulta particularmente relevante porque puede afectar de manera diferencial a distintas células dentro del mismo módulo, creando desequilibrios eléctricos que reducen la eficiencia del sistema por encima de lo que cabría esperar por la simple proporción de área sombreada.
Sombreamiento total:
El sombreado total se produce cuando un elemento opaco bloquea completamente el paso de la radiación solar directa y difusa, impidiendo que alcance la superficie fotovoltaica. Bajo estas condiciones, la célula afectada cesa por completo su generación eléctrica, convirtiéndose efectivamente en un elemento resistivo dentro del circuito.
Este tipo de sombreado suele estar causado por:
- Elementos depositados directamente sobre la superficie: Hojas, ramas, excrementos de aves, residuos orgánicos, bolsas de plástico arrastradas por el viento, o acumulaciones de nieve que se adhieren físicamente al panel.
- Objetos próximos que proyectan sombras densas: Antenas, chimeneas, equipos de climatización, estructuras arquitectónicas o mástiles que bloquean completamente el paso de luz hacia determinadas zonas del panel.
La característica distintiva del sombreado total es la anulación completa de la generación fotoeléctrica en la zona afectada, lo que provoca discontinuidades abruptas en las características eléctricas del módulo y desencadena fácilmente el efecto de punto caliente que analizaremos posteriormente.
Efectos de sombras en celdas
La corriente generada por una célula fotovoltaica mantiene una relación prácticamente lineal con la intensidad de radiación incidente, constituyendo el parámetro más sensible a las variaciones de iluminación. Por el contrario, la tensión se ve afectada de manera logarítmica, experimentando cambios relativamente pequeños incluso ante reducciones significativas de irradiancia.
EJEMPLOS
Ejemplo ilustrativo
Para comprender con precisión los efectos del sombreado, analizaremos el comportamiento de una célula fotovoltaica estándar de silicio cristalino con dimensiones de 156 mm × 156 mm, que en condiciones normales de irradiancia (1000 W/m², 25°C) genera una corriente en el punto de máxima potencia (Impp) de aproximadamente 8 A.
Consideremos diferentes escenarios de sombreado y calculemos su impacto cuantitativo:
Estos cálculos ilustran cómo la corriente generada se reduce proporcionalmente al área sombreada y a la intensidad del sombreado. Sin embargo, el análisis se complejiza significativamente cuando consideramos que las células no operan aisladamente sino interconectadas dentro de configuraciones serie-paralelo en los módulos fotovoltaicos.
Esta información nos aporta el detalle de la calidad constructiva del panel y su adecuación a diferentes entornos de instalación.
Efectos de sombras en modulos
La estructura eléctrica interna de un módulo fotovoltaico convencional consiste en cadenas de células conectadas en serie. Los formatos más habituales en el mercado actual incluyen configuraciones de 12×6 (72 células) para aplicaciones industriales y 10×6 (60 células) para instalaciones residenciales, aunque existen numerosas variantes según fabricantes y tecnologías.
Esta conexión en serie presenta una característica operativa fundamental: la corriente que circula por una cadena queda limitada por la célula que genera menor intensidad. Este principio tiene consecuencias críticas cuando una o varias células quedan sombreadas:
rellenar
rellenar
Esta naturaleza potencialmente destructiva del sombreado en configuraciones serie justifica la implementación de elementos de protección específicos, siendo los diodos de bypass la solución más ampliamente adoptada por la industria fotovoltaica.
El fenómeno de punto caliente representa uno de los mecanismos de degradación más severos en módulos fotovoltaicos y merece un análisis detallado por sus implicaciones para la fiabilidad y durabilidad de las instalaciones.
El punto caliente se desarrolla mediante un proceso que podemos describir en varias etapas secuenciales:
La gravedad del efecto de punto caliente depende de múltiples factores, incluyendo la intensidad y duración del sombreado, el diseño eléctrico del módulo, la temperatura ambiente, la velocidad del viento (que influye en la disipación térmica) y la presencia o ausencia de mecanismos de protección como los diodos de bypass.
rellenar
rellenar
La prevención de puntos calientes constituye uno de los principales desafíos para garantizar la durabilidad de los sistemas fotovoltaicos, especialmente en entornos donde el sombreado parcial resulta inevitable o frecuente.
Efectos de sombras en sistemas
Ampliando nuestra perspectiva desde el módulo individual hacia el sistema fotovoltaico completo, debemos analizar cómo se propagan los efectos del sombreado en las diferentes configuraciones de interconexión que podemos encontrar en instalaciones reales:
- Configuración de módulos en serie
- Configuración de módulos en paralelo
Configuración de los módulos en serie
En una conexión serie, típica de las cadenas o strings fotovoltaicos, múltiples módulos se conectan secuencialmente formando un circuito donde la misma corriente atraviesa todos los elementos. Esta configuración amplifica la tensión del sistema (cada módulo aporta su tensión característica) manteniendo la corriente constante.
Cuando un módulo dentro de una cadena experimenta sombreado:
- El módulo afectado limita la corriente de toda la cadena, impactando la producción global incluso si representa un porcentaje pequeño del sistema total.
- La magnitud de la reducción depende del diseño interno del módulo, específicamente de la configuración de diodos de bypass y del número de células afectadas por el sombreado.
- En casos severos, donde un módulo queda completamente sombreado, los diodos de bypass permiten cortocircuitar ese módulo específico, perdiendo su contribución en tensión pero manteniendo la capacidad de corriente del resto de la cadena.
Este comportamiento explica por qué en instalaciones con múltiples cadenas en serie, un sombreado localizado en una sección específica puede tener un impacto desproporcionado en la producción total del sistema.
Configuración de los módulos en paralelo
En la conexión paralela, habitual en instalaciones de media y gran potencia, varias cadenas se interconectan manteniendo un nivel de tensión común mientras suman sus corrientes individuales. Esta configuración ofrece mayor robustez frente al sombreado parcial:
- El sombreado en una cadena específica afecta principalmente a esa rama, sin comprometer directamente el funcionamiento de las cadenas paralelas.
- La pérdida de producción tiende a ser proporcional a la fracción del sistema afectada, sin el efecto multiplicador que caracteriza a las configuraciones serie.
- Esta arquitectura permite implementar estrategias de máxima potencia independientes para cada cadena (mediante optimizadores o microinversores), minimizando aún más el impacto del sombreado.
Las instalaciones profesionales frecuentemente combinan ambas configuraciones, optimizando el balance entre tensión y corriente según los requerimientos específicos del emplazamiento, las restricciones normativas y las características de los equipos de conversión (inversores).
Consideraciones
Más allá de las protecciones a nivel de módulo que analizaremos en su capítulo correspondiente, existen enfoques sistémicos para reducir el impacto del sombreado:
- Planificación del layout: Disposición de los módulos considerando patrones de sombra estacionales y diarios para minimizar el sombreado cruzado entre filas.
- Segmentación eléctrica: Diseño de la arquitectura eléctrica para aislar zonas con mayor probabilidad de sombreado en circuitos independientes.
- Electrónica distribuida: Implementación de optimizadores de potencia a nivel de módulo o microinversores que permiten que cada unidad opere en su punto óptimo independientemente.
- Orientación diferenciada: En casos específicos, puede resultar beneficioso adaptar la orientación e inclinación de diferentes secciones del campo fotovoltaico para mitigar patrones de sombreado predecibles.
Estas estrategias, combinadas con las protecciones internas de los módulos que analizaremos en su correspondiente capítulo, constituyen un enfoque integral para maximizar la producción energética y la durabilidad de los sistemas fotovoltaicos en condiciones reales de operación donde el sombreado resulta prácticamente inevitable.
Caja de diodos
La caja de conexiones fotovoltaica, también conocida como junction box o caja de diodos, representa uno de los principales elementos en la arquitectura de los paneles solares. Este dispositivo no es simplemente un punto de conexión eléctrica, sino que constituye una solución ingenieril integrada que combina diseño eléctrico, mecánico y ciencia de materiales para proteger y optimizar el funcionamiento del panel solar bajo diversas condiciones ambientales y operativas.
La caja de conexiones se adhiere con gel de silicona a la parte posterior del panel solar y cumple la vital función de conectar la energía generada por las células solares con los circuitos externos, permitiendo la conducción eficiente de la electricidad producida. Sin embargo, su función va más allá de ser un simple conector: incorpora elementos de protección esenciales que garantizan la integridad y el rendimiento óptimo del panel a lo largo de su vida útil.
Componentes
La caja de conexiones fotovoltaica está compuesta por diversos elementos diseñados para asegurar la protección y eficiencia del panel solar:
- Carcasa protectora
- Diodos de bypass
- Sistema de conexión interna
- Conectores y cables de salida
- Material de sellado
Funcionamiento
La caja de conexiones fotovoltaica opera bajo principios eléctricos fundamentales que permiten proteger el módulo solar de los efectos adversos del sombreado descritos en el capítulo anterior. Su elemento clave son los diodos de bypass, dispositivos semiconductores que proporcionan un camino alternativo para la corriente cuando una parte del panel se encuentra sombreada.
Durante el funcionamiento normal del panel, cuando todas las células reciben radiación solar de manera uniforme, los diodos de bypass permanecen en estado de corte (no conducción). En esta condición, existe un pequeño flujo de corriente inversa a través del diodo, conocida como corriente de oscuridad, que generalmente es inferior a 0,2 μA. Esta corriente representa una pérdida mínima respecto a la producción total del panel.
Cuando una célula o grupo de células queda sombreada, estas células dejan de funcionar como generadores y se convierten en consumidores de energía. En esta situación, se genera una polarización inversa en la célula sombreada que puede provocar el efecto de punto caliente. Es aquí donde el diodo de bypass entra en acción: cuando la tensión inversa en la célula sombreada supera el umbral de conducción del diodo (típicamente 0,6-0,7V), este comienza a conducir, proporcionando un camino de menor resistencia para la corriente generada por el resto de células. De esta manera, la corriente "puentea" o "bypassa" el grupo de células afectadas, evitando el sobrecalentamiento y permitiendo que el resto del panel siga generando energía.
Selección de diodos
La elección apropiada de los diodos de bypass constituye un aspecto crítico en el diseño de la caja de conexiones. Esta selección debe seguir principios fundamentales que garanticen la protección efectiva del panel solar:
- La capacidad de tensión inversa del diodo debe ser al menos el doble de la tensión máxima que podría desarrollarse en el grupo de células que protege. Esta consideración es crucial para evitar la ruptura del diodo ante picos de tensión transitorios que podrían ocurrir durante eventos de sombreado o desconexiones súbitas.
- La capacidad de corriente directa del diodo debe ser como mínimo el doble del valor de la corriente de cortocircuito del panel. Este margen de seguridad es necesario para asegurar que el diodo pueda conducir eficientemente la corriente generada por las células no sombreadas sin sobrecalentarse, incluso en condiciones de alta irradiancia solar.
- La temperatura máxima de la unión semiconductora del diodo debe ser superior a la temperatura real que alcanzará durante su operación. Considerando que un panel puede alcanzar temperaturas internas superiores a 80°C en climas cálidos, los diodos seleccionados deben mantener su integridad y funcionalidad en estas condiciones extremas.
- La resistencia térmica del diodo y su encapsulado debe ser lo más baja posible para facilitar la disipación del calor generado durante la conducción. Una disipación térmica eficiente previene el sobrecalentamiento del diodo y prolonga su vida útil.
- La caída de tensión en conducción directa debe ser mínima para reducir las pérdidas de potencia cuando el diodo está activado. Los diodos Schottky suelen preferirse por su baja caída de tensión (típicamente 0,3-0,4V) en comparación con los diodos de unión PN convencionales (0,6-0,7V), aunque son más costosos.
En la práctica, lo ideal sería conectar un diodo de bypass por cada célula solar individual, maximizando la tolerancia al sombreado. Sin embargo, esto resultaría económicamente inviable debido al costo adicional de los diodos, las pérdidas por corriente de oscuridad y las complejidades de disipación térmica. Por ello, los fabricantes adoptan soluciones de compromiso, típicamente utilizando un diodo para proteger grupos de 15-24 células conectadas en serie.
El portal especializado en el sector de la eficiencia energética
