Sombras en paneles fotovoltaicos: obstáculos y riesgos.

Identificación de obstáculos que generan sombras: En los últimos años las energías renovables han tenido un papel importante para satisfacer la demanda energética. Una de las fuentes más ampliamente utilizada es la fotovoltaica. Como son equipos que generan electricidad, están propensos a posibles fallas de origen externo, pérdidas de potencia y eficiencia. Para prevenir el mal funcionamiento y deterioro de las células de estos y sobre todo evitar sobrecalentamiento y pérdida total del panel, se recomienda prestar mucha atención e identificar las posibles sombras que se pueden generar en la ubicación de los paneles. Las sombras en los paneles fotovoltaicos pueden significar un grave riesgo en la inversión de cualquier proyecto.

La potencia de salida del arreglo fotovoltaico siempre disminuye debido a condiciones de sombra parcial, que son provocados generalmente por nubes, árboles, edificios, postes, muros, etc. Aun cuando la cantidad de sombra es pequeña puede reducir el desempeño del mismo de una manera significativa. En el diseño de un sistema fotovoltaico es muy importante minimizar las sombras, determinar el correcto acceso a la radiación y de preferencia definir una locación libre de sombras. La regla general dice que un arreglo fotovoltaico debe estar libre de sombras desde las 9:00 a.m. hasta las 3:00 p.m. Este intervalo de tiempo recomendado recibe el nombre de ventana solar.

Al seleccionar un sitio es importante verificar lo siguiente:

• Evitar árboles, estructuras, vegetación, muros, postes, edificios, chimeneas y cables, cercanos al arreglo fotovoltaico.
• Asegurar que el arreglo fotovoltaico no estará sombreado al menos de 9:00 a.m. a 3:00 p.m. ningún día.
• Asegurarse de que el arreglo fotovoltaico no estará sombreado ningún mes del año durante el tiempo de la ventana solar.
• Identificar los obstáculos que sombrean el arreglo entre 9:00 a.m. a 3:00 p.m.
• Si es posible y viable, eliminar los objetos que generan la sombra o cambiar el arreglo de sitio para evitar sombras. También es posible incrementar el tamaño del arreglo para compensar las pérdidas debidas al sombreado.  

Comportamiento de las células con sombras

Para explicar el comportamiento de las células con sombras, se tomará como ejemplo la conexión en serie de 5 células y se tratará cada una de las células como un circuito eléctrico. Cada una de las células tiene una fuente de alimentación que inyecta corriente en función de la radiación que le incide.

Si suponemos que una de las células es tapada (por efecto de la sombra) la fuente de alimentación que inyecta corriente que está en función de la radiación deja de funcionar. Lo que implica que en la célula se tendría 0W/m2. Debido a que la fuente no recibe radiación, no suministra corriente y se comporta como un circuito abierto, por lo tanto la corriente circula por la resistencia Rp# y se comporta como una carga resistiva. La corriente que circula por la carga resistiva hace que esta consuma una potencia proporcional a la corriente que circula por ella. Gran parte de la potencia se transforma en temperatura lo que provoca que la célula fotovoltaica se caliente.

Ahora las células fotovoltaicas pasan de generar electricidad a consumirla, ocasionando sobrecalentamiento y deterioro. Para evitar este calentamiento, las células fotovoltaicas vienen con unos diodos bypass, que logran puentear la corriente eléctrica. El diodo se encarga de conducir a la corriente por un camino diferente para evitar que la célula sombreada se estropee.

Comportamiento de los módulos con sombras

En las siguientes gráficas se observan cuatro curvas distintas: las azules y lilas representan según el fabricante las características Intensidad-Voltaje (I-V) y Potencia-Voltaje (P-V) respectivamente. Las rojas y marrones representan las características (I-V) y (P-V) medidas. Lo que demuestra que a menor radiación menor corriente.

Tomando en cuenta que los tres módulos están conectados en serie y una sombra tapa la primera hilera de células de los tres módulos, se observa que las diferencias más notables comparado con lo ideal está en la corriente eléctrica y que la tensión no varía excesivamente.

Los resultados son los siguientes:

Para el segundo caso de la sombra de una persona se puede observar que la sombra no es regular y afecta a las tres cadenas de células del módulo por lo que la curva I-V tendrá una corriente muy baja debido a la gran cantidad de sombra en el módulo fotovoltaico. Esto provoca que ningún módulo produzca de manera correcta.   

Los resultados son los siguientes:

Se puede concluir que cuando la sombra que afecta a los módulos fotovoltaicos es horizontal el cambio de corriente es muy notorio (es el más agresivo de cualquier otro caso) y por lo tanto no solamente afecta a una cadena de células sino a más de una corriente que circula por el módulo es aproximadamente la mitad que sin sombra. El descenso de corriente afecta directamente a la potencia que da el módulo y es reducida aproximadamente a la mitad.

Fuentes:

[1]

[4]

Fotovoltaica Manual de diseño e instalación. Una panorámica de la energía fotovoltaica.