Panel solar fotovoltaico (PFV)
Los paneles solares fotovoltaicos (PFV) permiten transformar la energía solar (irradiación) en energía eléctrica en forma de corriente continua (CC), están compuestos por múltiples celdas fotovoltaicas conectadas entre sí. Actualmente los tipos de paneles que más se implementan a nivel mundial son los PFV «monocristalino» y PFV «policristalino», ambos son fabricados con celdas de silicio. La eficiencia de los PFV que hoy ofrece el mercado está entre el 20% y 24% de rendimiento, la eficiencia también determina el tamaño de cada panel, entre más grande sea el PFV más potencia generará debido a que tiene una mayor superficie de captación de irradiación.
La potencia de salida y parámetros eléctricos de los paneles vararían dependiendo de las condiciones atmosféricas en las cuales deben operar, un modelo de panel generará una potencia nominal diferente dependiendo de la latitud de la instalación y la hora del día en que se haga la medición. Es por este motivo que la industria de los PFV a establecido unas «condiciones estándar de pruebas» o «STC» por sus siglas en inglés (standar test conditions) para poder establecer unas condiciones atmosféricas fijas en las cuales realizar las pruebas de los parámetros eléctricos producidos por los PFV y así lograr hacer comparaciones de eficiencia entre diferentes modelos para poder clasificarlos entre sí. En estas condiciones de prueba los PFV generan el 100% de su capacidad nominal.
Las condiciones estándar de pruebas «STC» son:
Irradiancia: 1.000 W/m2.
Temperatura de la celda: 25 °C.
Masa de aire: 1,5 AM.
Una masa de aire corresponde a la distancia mínima que recorre un fotón desde el interior la atmosfera hasta la superficie terrestre más cercana cerca de la línea del Ecuador. La masa de aire aumenta a medida que el haz de luz recorre una trayectoria mayor hacia los polos. A mayor latitud la masa de aire que deberá atravesar el fotón será mayor, la masa de aire depende del ángulo entre el Sol y la latitud de la superficie terrestre.
Debido a que las condiciones estándar de pruebas «STC» son muy difícil de obtener en condiciones naturales en un sistema operativo los fabricantes también consideran otras condiciones de pruebas denominada «Temperatura nominal de operación de celda» o «NOCT» por sus siglas en inglés (Nominal operating cell temperature). Las mediciones de prueba bajo estas condiciones busca obtener valores más similares a los que se podrán obtener en un PFV operativo en condiciones naturales.
Las condiciones de temperatura nominal de operación de celda «NOCT» son:
Irradiación: 800 W/m2
Temperatura ambiente: 20 °C
Masa de aire: 1,5 AM
Velocidad del viento: 1 m/s
Cada PFV cuenta con una ficha técnica en la cual podemos conocer las características eléctricas propias de cada modelo, está información nos permitirá calcular la cantidad de paneles que se necesitaría para desarrollar una planta fotovoltaica determinada y también a diseñar el conexionado entre los paneles. Los PFV pueden conectarse entre sí, formando un «arreglo fotovoltaico» para poder sumar potencia (W) y lograr cubrir diferentes tipos de necesidades de energía eléctrica, tanto a niveles residenciales, comerciales e industriales. Hoy se puede desarrollar prácticamente cualquier tipo de solución de energía con PFV.
Los fabricantes de PFV generan las fichas técnicas de los paneles fotovoltaicos donde entregan todos los resultados medidos en las pruebas desarrolladas en condiciones de pruebas «STC» y «NOCT». En la ficha técnica generalmente encontraremos los siguientes parámetros eléctricos que nos permitirán calcular y diseñar nuestros arreglos fotovoltaicos:
Parámetros eléctricos «STC» y «NOCT»:
Modelo: Nombre que permite diferenciar los paneles entre sí.
Potencia máxima «Pmax» (W): Potencia máxima expresada en watt (W) que genera el PFV en condiciones atmosféricas controladas de laboratorio.
Voltaje de circuito abierto «Voc» (V): Es el voltaje máximo que puede generar el PFV cuando el panel está desconectado o no hay cargas, en ese momento su intensidad de corriente es cero (0 A), considerando condiciones atmosféricas de laboratorio.
Corriente de corto circuito «Isc» (A): Es la intensidad de corriente máxima que puede generar el PFV en condiciones atmosféricas controladas de laboratorio cuando sus terminales positivo y negativo se encuentran en contacto en algún punto, en este momento el «Voc» es cero (0 V).
Voltaje máximo de operación «Vmp» (V): Es el voltaje máximo que puede generar el PFV cuando el panel está entregando energía a las cargas, considerando condiciones de atmosféricas de laboratorio controladas.
Corriente máxima de operación «Imp» (A): Es la intensidad de corriente máxima que puede generar el PFV cuando está en operación, considerando condiciones de atmosféricas de laboratorio controladas.
*Eficiencia (%): Corresponde al porcentaje máximo de energía de la irradiación solar que logra transformar en energía eléctrica por metro cuadrado, considerando condiciones de atmosféricas de laboratorio controladas.
Parámetros de operación:
Temperatura de operación (°C): Es el rango de temperatura en el cual puede operar el PFV.
Voltaje máximo de sistema (V): Determina el voltaje máximo de los «string» que podemos formar sin que se dañen los PFV, se debe considerar el «Voc» para no sobrepasar este límite de voltaje.
Corriente máxima sistema (fuse): Es la corriente máxima que puede soportar la protección interna del PFV. Se debe tener en consideración para las conexiones en paralelo de los arreglos fotovoltaicos.
Tolerancia de salida (%): Es la diferencia de potencia que podría existir en la precisión de la medición, generalmente son porcentajes bastante bajos.
Coeficientes de corrección por temperatura:
Coeficiente de temperatura «Pmax» (%/°C): Es un valor de corrección para poder determinar cómo afectará la temperatura ambiente a la «potencia máxima» del PFV cuando se encuentra en operación con las condiciones atmosféricas propias del lugar de la instalación.
Coeficiente de temperatura «Voc» (%/°C): Es un valor de corrección para poder determinar cómo afectará la temperatura ambiente al «voltaje de circuito abierto» PFV cuando se encuentra en operación con las condiciones atmosféricas propias del lugar de la instalación.
Coeficiente de temperatura «Isc» (%/°C): Es un valor de corrección para poder determinar cómo afectará la temperatura ambiente a la «intensidad de cortocircuito» al PFV cuando se encuentra en operación con las condiciones atmosféricas propias del lugar de la instalación.
Características mecánicas:
Tipo de celda: Corresponde al tipo de calda con el que está construido el PFV.
Cantidad de celdas: Determina la cantidad de celdas que componen el PFV.
Peso (kg): Es el peso total del PFV.
Tipo de vidrio: Corresponde al vidrio con el que está construida la parte frontal del PFV.
Fondo: Es el tipo de material con el que está construida la parte trasera del PFV.
Marco: Específica el tipo de marco con el que está elaborado el PFV.
Caja de conexiones: Determina el tipo de cajas de las salidas de los conductores del PFV.
Cables: Características de los conductores del PFV.
Conector: Tipo de conector que tiene el PFV para hacer las conexiones del mismo.
Cargas de viento y nieve (Pa): Cargas máximas de viento y nieva que puede soportar el PFV. Se debe tener en consideración principalmente en lugares de mucho viento y/o nieve.
Cantidad de paneles por pallet: Es la cantidad de paneles que viene en cada pallet.
Además de las características eléctricas y mecánicas, podemos encontrar información de la «curva I V» de cada PFV, esta curva representada en un gráfico nos permite conocer como operará el panel a diferentes irradiaciones, también nos permitirá conocer el punto de máximo potencia «MPP» por sus siglas en inglés.
Curva IV «Voltaje de circuito abierto (Voc)»: En la curva IV donde se grafica el «voltaje de circuito abierto» se puede apreciar que el voltaje es el máximo que puede generar un PFV cuando se encuentra desconectado o sin cargas conectadas, en este momento la «intensidad de corto circuito» es cero (0 A)
Curva IV «Intensidad de cortocircuito (Isc)»: En la curva IV donde se grafica la «intensidad de cortocircuito» se puede apreciar que la intensidad (corriente) es la máxima que puede generar un PFV cuando se encuentran sus polos positivo y negativo conectados en algún punto, en este momento el «voltaje de circuito abierto» es cero (0 V)
Curva IV «Punto de máxima potencia (MPP)» En la curva IV donde se grafica la «el punto de máxima potencia» el PFV genera su mayor potencia (W) estando en operación, en este momento el panel trabaja a su «voltaje máximo (Vmax)» y también a su «intensidad máxima (Imax)»
Existen 3 formas diferentes en las que se pueden conectar los paneles entre sí para poder sumar potencia (los 3 tipos de conexiones pueden ser aplicables a cualquier carga o fuente de energía):
Conexión en serie: Las conexiones en serie son cuando conectamos el terminal positivo (+) de un PFV con el terminal negativo (-) de otro PFV, al hacer este tipo de conexiones multiplicamos el voltaje (Vmax / Voc) del panel por la cantidad de paneles en serie, la intensidad (A) del arreglo fotovoltaico o string de paneles será el valor equivalente a la intensidad del PFV con menor intensidad. La la cantidad máxima de paneles en serie esta determinada por el «voltaje máximo del sistema» que permita el modelo del PFV sin que estos se dañen. Los grupos de paneles formados se denominan «string».
Conexión en paralelo: Las conexiones en paralelo es cuando conectamos los terminales positivos (+) y negativos (-) de un PFV o arreglo fotovoltaico con los terminales positivos (+) y negativos (-) de otro PFV o arreglo fotovoltaico respectivamente (positivos con positivos y negativos con negativos), estas conexiones deben realizarse en una «string box» o «tablero de protecciones». Al realizar este tipo de conexiones multiplicamos la intensidad del PFV o string de paneles por la cantidad de PFV o strng conectado en paralelo, el voltaje del PFV o string será el del PFV o string con menor voltaje.
Conexión mixtas: Las conexiones mixtas es cuando se mezclan los 2 tipos de conexiones anteriores dentro de un mismo sistema de captación solar fotovoltaica. Se realizan conexiones en serie y paralelo, generalmente podemos encontrar este tipo de conexiones en sistema fotovoltaicos aislados de la red. Mayormente realizaremos estas conexiones para diseñar los bancos de baterías.
