Voltaje, corriente y funcionamiento de paneles solares fotovoltaicos

Algunos milenios más tarde, el hombre inventó la célula fotovoltaica (PV) para convertir esa luz (del sol) en energía eléctrica.

Y esta energía eléctrica tiene algunas propiedades que no son como las propiedades de otras formas comunes de energía eléctrica. Los viejos profesionales pueden omitir este artículo, pero nunca se sabe cuándo se puede recoger uno o dos datos nuevos.

El origen de las corrientes fotovoltaicas.

Desde el punto de vista de un electricista, instalador fotovoltaico o inspector eléctrico, las corrientes comienzan en el módulo fotovoltaico, al menos para la parte solar de CC del sistema. Aquellos interesados ​​en aprender sobre el efecto fotovoltaico de convertir fotones del sol en electrones deben tomar un curso de física en un colegio local, tomar un curso en línea o obtener un buen libro sobre física.

La electricidad de fuentes comunes, como la corriente alterna doméstica (CA) a 120 voltios y 60 Hz, o la salida de la batería a 12 voltios de corriente continua (CC) es relativamente estable. En comparación, la salida (voltaje y corriente) de una célula fotovoltaica, un módulo fotovoltaico o un conjunto fotovoltaico varía con la luz solar del sistema fotovoltaico, la temperatura de los módulos y la carga conectada al sistema.

Una sola célula fotovoltaica de silicio producirá aproximadamente 0,5 voltios bajo una carga óptima. Existen otros materiales fotovoltaicos (p. Ej., Telururo de cadmio, seleniuro de indio y cobre) utilizados en los módulos fotovoltaicos que tendrán características diferentes.

La corriente dependerá en gran medida del tamaño de la célula (cuanto más grande es mejor) y la intensidad de la luz solar en la célula (conocida como irradiancia). Las celdas están conectadas en serie, y algunas veces en paralelo, para aumentar el voltaje y otras veces la corriente, y esta conexión de celdas forma un módulo fotovoltaico (no debe confundirse con un panel solar que generalmente produce agua caliente). Los módulos fotovoltaicos utilizados en los últimos sistemas interactivos con los servicios públicos han tenido generalmente 60, 72 o 96 células.

corriente modulo fotovoltaico
Figura 1. Curva para un solo módulo fotovoltaico de 210 vatios tomada en condiciones de prueba estándar de 1000 W / m2 y 25 °

Condiciones de prueba estándar.

Los módulos FV están clasificados para la potencia, la tensión y la salida de corriente cuando se exponen a un conjunto de condiciones de prueba estándar. Esas calificaciones se imprimen en la parte posterior de cada módulo y están disponibles en las hojas de información de datos para cada módulo en particular.

La intensidad solar estándar (llamada irradiación) se establece en 1000 vatios por metro cuadrado (W / m2). Esta es una constante internacional y está cerca del valor promedio de la irradiación al nivel del mar en la superficie de la tierra. Los módulos también se clasifican a una temperatura estándar de módulo / celda de 25 grados Celsius (C) [77 grados Fahrenheit (F)]. Estos dos valores de irradiancia y temperatura se conocen como condiciones de prueba estándar (STC).

Cuando el módulo se expone a estas condiciones de prueba estándar y se conecta a la carga correcta, durante la evaluación de seguridad del módulo, realizada por un laboratorio de pruebas reconocido a nivel nacional (NRTL), lo que lleva a que el módulo aparezca como lo exige el Código Eléctrico Nacional (NEC) 690.4 (D), las clasificaciones del módulo también se verifican para estar dentro de algún porcentaje de los valores de la etiqueta.

La tolerancia en los valores de la etiqueta suele ser del 10 por ciento, pero puede ser tan baja como el 3 por ciento. Un módulo fotovoltaico, como fuente de corriente, no fuente de voltaje, puede cortocircuitarse indefinidamente sin daños. Y, como se mostrará en artículos subsiguientes, el cableado, el equipo de conmutación y la protección contra sobrecorriente están diseñados de manera que permitan cortocircuitos completos de paneles fotovoltaicos sin daños.

El entorno del mundo real.

Desafortunadamente, o afortunadamente, dependiendo de su punto de vista, la radiación solar y las temperaturas generalmente no están en los valores de STC. Por la noche, no hay salida del módulo fotovoltaico, y las sombras, las nubes, la lluvia, la neblina, el humo y el polvo reducirán la intensidad solar y, a menor temperatura, la temperatura del módulo y la potencia de salida estarán por debajo de la clasificación STC.

Y, en días claros, soleados y fríos, el módulo fotovoltaico puede producir más de su corriente nominal, voltaje y potencia durante tres horas o más; por lo general durante un período alrededor del mediodía solar, que no debe confundirse con el mediodía estándar local. Debido a la variación significativa en la salida del sistema fotovoltaico y debido a las condiciones ambientales, una medición única de la tensión o corriente de un sistema fotovoltaico no es particularmente útil. Para vese cómo la salida de un módulo fotovoltaico.

Mediciones de Corriente y Voltaje.

La medición de la salida del módulo o matriz en condiciones de cortocircuito permitirá la medición de la corriente de cortocircuito (Isc), que se utilizará en el dimensionamiento del sistema fotovoltaico y en muchos cálculos del Código. Una medición de voltaje en condiciones de cortocircuito producirá cero (0) voltios.

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Si se usa un voltímetro para medir la salida de voltaje de un módulo o conjunto fotovoltaico que no está conectado a ninguna carga, el voltaje obtenido será el voltaje de circuito abierto (sin carga) (Voc). Una medición de corriente sería cero (0) para esta condición de circuito abierto. Si se toman mediciones simultáneas de voltaje y corriente en un módulo fotovoltaico o un conjunto fotovoltaico y estas mediciones se representan para varias cargas, se podría mostrar un gráfico que muestra las características eléctricas de un módulo fotovoltaico.

El gráfico tendría corriente (I) en el eje vertical y voltaje (V) en el eje horizontal. Este gráfico o gráfico para un solo módulo fotovoltaico se muestra en la figura 1 y se denomina curva IV. Curvas similares aparecen en las hojas de datos de los módulos fotovoltaicos y se realizan en el laboratorio en módulos fotovoltaicos o en el campo en módulos, cadenas o matrices fotovoltaicas.

P = V x I

El punto a la derecha en el eje horizontal es el circuito abierto de voltaje (Voc) y la corriente en este punto es cero (0). En el eje de corriente vertical, la curva cruza el eje en la corriente de cortocircuito (Isc) donde el voltaje es cero.

Un dispositivo llamado trazador de curva IV  es utilizado por los fabricantes de módulos, los laboratorios de pruebas o las organizaciones de instalación fotovoltaica más grandes bajo una irradiación solar constante y a una temperatura constante para registrar automáticamente el voltaje y los datos de corriente para estos IV curvas. La irradiancia y la temperatura del módulo también se registran durante el período de tiempo muy corto (un segundo o dos o menos) requerido para tomar los datos.

curva IV solar basicas
Figura 2. Curva IV y curva de potencia para un módulo fotovoltaico de 210 vatios en condiciones de prueba estándar de 1000 W / m2 y 25 ° C.

La potencia es igual al voltaje multiplicado por la corriente. Cada punto en la curva IV representa un valor de voltaje y un valor de corriente en una carga particular. Al multiplicar la tensión (V) por la corriente (I), se calculará la potencia (P) producida por un módulo y entregada a la carga.

P = V x I

A partir de esta relación, se puede ver que el módulo no suministra energía ni en el punto de voltaje de circuito abierto ni en el punto de corriente de cortocircuito porque uno de los factores de energía es cero en estos puntos. Sin embargo, si se examinan otros puntos en la curva (produciendo potencia en diferentes cargas), se observará que la potencia no es cero para estos puntos.

Si la curva de salida de potencia se agrega a la curva IV, se obtiene el gráfico que se muestra en la figura 2 que incluye la curva IV en azul y la curva de potencia en rojo. El eje horizontal para el gráfico combinado sigue siendo voltios, pero el eje vertical (a la derecha) para la curva de potencia ahora está marcado en vatios. La curva de potencia muestra que alcanza un pico para cierta carga entre Isc y Voc y este punto se denomina punto de máxima potencia (Pmp).

Cabe señalar que la tensión de salida de un módulo fotovoltaico no es constante y varía con la carga. Esta salida se modifica por varias condiciones ambientales externas diferentes además de la carga conectada.

La corriente varía con la intensidad de la luz solar.

La salida de corriente de un módulo fotovoltaico es directamente proporcional a la intensidad (irradiancia) de la luz solar que cae sobre él. Las corrientes nominales (tanto Isc como Imp) se emiten en condiciones de prueba estándar de irradiación de 1000 W / m2. Sin embargo, los módulos fotovoltaicos están expuestos a valores de irradiación de 0 (noche) a 1500 W / m2 (nube, agua, nieve o arena mejorada) y la corriente sigue los cambios en la intensidad de la luz solar.

Una reducción del 10% en el valor de irradiancia resultará en una reducción del 10% en Isc e Imp. Sin embargo, el voltaje de circuito abierto (Voc) permanece relativamente sin cambios con pequeñas variaciones en la irradiancia. La Figura 3 muestra las curvas IV para un módulo fotovoltaico, ya que la intensidad de la luz solar varía de 1000 W / m2 a 500 W / m2. Como puede verse, los cambios de Isc en proporción directa a los cambios en la irradiancia, pero Voc y Vmp no varían tanto.

irradancia
Curva IV para un solo módulo fotovoltaico que muestra los efectos de las variaciones de irradiancia en la salida.

Este es un hecho significativo. El voltaje en un módulo fotovoltaico o matriz fotovoltaica generalmente estará presente en niveles muy bajos de luz, como al amanecer o al atardecer. Las matrices fotovoltaicas pueden tener cientos de voltios en el cableado al amanecer y al atardecer, incluso cuando el sol no ilumina directamente los frentes de los módulos. Los voltajes peligrosos en los terminales expuestos en los combinadores de CC, las desconexiones y los terminales de entrada a los inversores estarán presentes.

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Una segunda variación en la salida del módulo y la curva IV es causada por la temperatura. La corriente del módulo es relativamente insensible a la temperatura, pero los voltajes Voc y Vmp se verán afectados. En los módulos fotovoltaicos de silicio cristalino, el Voc varía inversamente con la temperatura a aproximadamente 0,5% por grado Celsius y la tensión de pico de potencia (Vmp) varía inversamente a aproximadamente 0,4% por grado Celsius.

La Figura 4 muestra la relación y, a medida que la temperatura desciende, el voltaje aumenta y, a medida que aumenta la temperatura, el voltaje disminuye.

Apagar el sistema fotovoltaico.

Los módulos fotovoltaicos en los sistemas interactivos de servicios públicos están conectados en serie y el voltaje de circuito abierto puede acercarse a 600 voltios (vivienda), 1000 voltios (comercial) y 1500 voltios (escala de servicios públicos) en climas fríos.

La única forma de apagar de manera efectiva toda la electricidad de un módulo fotovoltaico o de una matriz fotovoltaica es cubrirla con un material opaco. Trabajar por la noche en el cableado de la matriz es una opción, pero la seguridad del trabajador sería una preocupación, y se sabe que los rayos que iluminan el cielo lejano iluminan la matriz lo suficiente como para producir descargas eléctricas.

La iluminación de alta intensidad utilizada por el Servicio de Bomberos también puede crear voltajes inseguros en el generador fotovoltaico. Por supuesto, el NEC (2014 y 2017) requiere que todas las matrices FV montadas en edificios estén equipadas con un Sistema de cierre rápido PV (PVRSS) (690.12) y eso se tratará con más detalle en un artículo futuro.

curvas Fotovoltaicas
Figura 4. Curva IV para un solo módulo fotovoltaico que muestra los efectos de las variaciones de temperatura en la salida.

Variaciones de voltaje y corriente: por qué y cómo lidiar con eso.

En el proceso de diseño fotovoltaico, la salida de la matriz debe coincidir con la entrada del inversor de la red. El inversor típico requerirá voltajes de varios cientos a miles de voltios o más para funcionar de manera eficiente. Los diseñadores e instaladores de sistemas fotovoltaicos desean mantener el voltaje alto para reducir el tamaño y los costos de los conductores.

Como se indicó anteriormente, el voltaje del módulo y las salidas de corriente no son constantes, y el diseñador del sistema debe asegurarse primero de que, en condiciones de clima frío, el voltaje de salida de la matriz no excederá el voltaje nominal de entrada de CC del inversor, el aislamiento del conductor u otros elementos conectados. equipo.

Este límite con frecuencia será tan alto como 600–1500 voltios, dependiendo del diseño del sistema y el equipo que se utilice. De manera similar, como se explica a continuación, todos los conductores, dispositivos de sobrecorriente, y el equipo de conmutación debe poder manejar la corriente de salida de la matriz en las peores condiciones de alta intensidad de luz solar. Superar la tensión nominal en inversores, conductores, equipos de conmutación u otros equipos sería una violación del Código y se sabe que dañó dichos equipos. VerNEC 110.3 (B).

Los primeros pioneros en el sector fotovoltaico, incluidos los fabricantes de módulos fotovoltaicos, Jet Propulsion Laboratories (programas espaciales), Underwriters Laboratories (UL) y la National Fire Protection Association (NFPA) se dieron cuenta de que, debido a estas variaciones en el rendimiento del módulo fotovoltaico, se necesitaría una consideración especial. para cumplir con los requisitos de instalación eléctrica de estos sistemas en el NEC .

La Norma UL 1703, Norma para módulos y paneles fotovoltaicos de placa plana, se redactó para establecer los requisitos de seguridad (mecánicos y eléctricos) que los módulos fotovoltaicos deben cumplir. Hasta aproximadamente el 2012, se escribieron los requisitos en los manuales de instrucciones del módulo que modificaron los valores de los parámetros de condición de prueba estándar impresos en la parte posterior del módulo. En las últimas ediciones de la norma, los requisitos de seguridad se remiten al NEC para establecer cómo las salidas del módulo fotovoltaico deben cumplir los requisitos de seguridad eléctrica en la instalación del sistema.

Estas modificaciones a los requisitos normales del Código trataron el hecho de que la intensidad de la luz solar en muchas partes del país podría exceder la condición de prueba estándar de 1000 W / m2 durante tres horas o más en numerosos días durante todo el año. Como se indicó anteriormente, el módulo fotovoltaico / cadena / conjunto puede proporcionar una corriente superior a la nominal y la tensión nominal según varíen las condiciones ambientales.

Tres horas por día representan un servicio continuo en el Código y se decidió en los primeros días de los sistemas fotovoltaicos que los cálculos del Código para sistemas fotovoltaicos deberían basarse en los peores resultados posibles y que dichos productos se considerarían continuos las 24 horas del día / 7 días por semana / 52 semanas por año y no varían en un ciclo diario con el sol. Por lo tanto, todos los voltajes y corrientes utilizados en los cálculos para los sistemas fotovoltaicos en el Código se ajustan a partir de las mediciones del estado de prueba estándar de manera que garantice que el sistema eléctrico cumpla con los requisitos de seguridad del Código y que todo el equipo funcione dentro de los límites establecidos por Tanto el Código como las Normas UL.

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Ajustes – Voltaje de circuito abierto.

Como se señaló anteriormente, el voltaje de circuito abierto (Voc) varía inversamente con la temperatura. Los manuales de instrucciones para módulos fotovoltaicos realizados antes de 2012 tenían la siguiente declaración o su equivalente:

«Multiplique el voltaje de circuito abierto (Voc) marcado en la parte posterior del módulo por 125% antes de aplicar cualquier requisito establecido por el NEC «.

Para el silicio cristalino, un factor de 125% en Voc representa el voltaje de circuito abierto de un módulo a aproximadamente –40 ° C (-40 ° F). Las temperaturas inferiores a -40 ° se encuentran en algunas partes del país y es posible que se deban hacer ajustes adicionales a Voc donde se esperan estas temperaturas.

Este factor de 125% asociado con una temperatura de -40 ° C (-40 °) es un factor de seguridad conservador. Sin embargo, ese requisito de 125% de multiplicador ya no se encuentra en los manuales de instrucciones del módulo fotovoltaico para módulos creados después de 2012 y los requisitos de NEC ahora establecen los diversos factores de corrección que se utilizarán durante la instalación. La tabla 690.7 en el NEC también es algo conservadora, y muestra los factores de multiplicación de voltaje de circuito abierto para varias temperaturas bajas. El NECpermite utilizar esta tabla o los coeficientes de temperatura de voltaje de circuito abierto de la hoja de datos del módulo pueden usarse para el cálculo de Voc a bajas temperaturas.

Los diseñadores e instaladores de sistemas fotovoltaicos intentarán utilizar tantos módulos fotovoltaicos en una serie como sea posible porque cuando las temperaturas son altas y las temperaturas de los módulos son más altas, el voltaje del circuito abierto cae y puede ser demasiado bajo para que el inversor se encienda o para funcionar correctamente.

Es importante que el AHJ requiera que el instalador / diseñador de sistemas fotovoltaicos indique en los planos que se ha utilizado una temperatura baja esperada adecuada para la ubicación de la instalación y que el Voc del sistema fotovoltaico calculado a esta temperatura baja no exceda la tensión nominal del Inversor o cualquier equipo asociado en la parte de CC del sistema. El autor ha dañado un inversor clasificado para 600 voltios en la entrada de CC con un voltaje de entrada de 604 voltios.

Correcciones actuales: otro 125 por ciento.

Como se indicó anteriormente, la corriente de salida del módulo, la cadena o la matriz varía directamente con la irradiancia y mientras que los módulos se califican en una condición de prueba estándar de 1000 W / m2, la irradiancia en días soleados puede exceder ese valor significativamente durante tres horas o más .

El autor ha medido valores de irradiancia de 1190 W / m2 durante un período de cuatro horas en un sistema fotovoltaico instalado. Para evitar que los conductores, los dispositivos de protección contra sobrecorriente, los equipos de conmutación y otros equipos que deben llevar la salida de un sistema fotovoltaico se utilicen a niveles de corriente que excedan su clasificación, el NEC en la Sección 690.8 requiere que la corriente de cortocircuito clasificada de STC se multiplique por Un factor del 125%.

Este nuevo valor de corriente se denomina corriente máxima y se usa en la mayoría de los otros cálculos en el Código que involucran corrientes de CC dc. Este factor de 125 por ciento es equivalente a una irradiancia de 1250 W / m2, un valor de irradiancia que es más alto que el que la matriz fotovoltaica debería experimentar durante tres horas o más.

Las irradiaciones mejoradas de nubes, agua, sol y nieve son más altas (hasta 1500 W / m2), pero son de naturaleza transitoria y duran solo unos minutos antes de las condiciones (ángulo del sol, movimiento de las nubes) que causaron el cambio. El Código no aborda estas condiciones directamente, pero el diseñador del sistema fotovoltaico debe tenerlas en cuenta.

Resumen. Los módulos fotovoltaicos como fuentes de corriente impulsadas por la luz solar tienen características eléctricas diferentes de otras fuentes eléctricas. La salida del módulo fotovoltaico se ve afectada significativamente por las condiciones ambientales, incluida la irradiancia y la temperatura. Las normas UL para el módulo fotovoltaico y los requisitos del NEC se han redactado para adaptarse a las variaciones de salida del módulo fotovoltaico para garantizar que pueda integrarse de forma segura en sistemas eléctricos residenciales, comerciales y de utilidad.

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