Influencia de la sombra en el rendimiento de los paneles solares

os paneles solares y la sombra no se mezclan bien. ¿Cómo obtiene el mejor rendimiento si sufre de sombra en su techo?

Influencia de la sombra en el rendimiento de los paneles solares

En Internet, puede perder rápidamente la pista de todos los diferentes paneles solares, inversores, microinversores y optimizadores. ¿Quieres saber exactamente cómo funciona?

Al leer este artículo aprenderás:

• cuál es la influencia de la sombra en los diferentes tipos de paneles solares . Esto puede diferir mucho por panel.
• cómo los inversores manejan la sombra en los paneles solares. Explica cómo los inversores de cadena, los microinversores y los optimizadores intentan minimizar la influencia de la sombra.
• cómo puede determinar la influencia de la sombra para poder estimar cuánto rendimiento obtendrá con sus paneles solares.

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Parte 1: Influencia de la sombra en diferentes tipos de paneles solares

En esta parte, observamos cómo los siguientes paneles solares manejan la sombra:

• paneles solares estándar con 60, 72 o 96 celdas y tres diodos,
• Paneles solares QCells DUO de 120 células
• Paneles solares de energía solar
• Paneles solares de película delgada

1.1 Paneles solares estándar

1.1.1 Primero una breve explicación sobre cómo se construye un panel solar

Si observa detenidamente un panel solar, verá que contiene muchas celdas cuadradas. Cada celda suministra alrededor de 0,5 a 0,6 voltios cuando la luz cae sobre ella. Este voltaje es demasiado bajo para usar y, por lo tanto, todas las celdas están conectadas por tiras de metal o cables. Están en serie, lo que aumenta el voltaje. Puede sumar los voltajes de todas las celdas juntas. La mayoría de los paneles solares consisten en 60 celdas (6×10) que están en serie. Entonces llegas a un voltaje entre 30 y 40 voltios por panel.

1.1.2 ¿Qué sucede si un panel solar estándar está sombreado en una sola celda?

¿Qué pasa y ahora si una sombra cae sobre una de esas 60 celdas? Cuando esto sucede, la resistencia en la celda sombreada aumenta y la corriente ya no puede fluir correctamente. Debido a que todas las demás celdas están al sol, toda la corriente es forzada a través de esta celda y esta celda se calienta. Puede romperse con el tiempo. Tal celda caliente se llama punto caliente . Los puntos calientes también pueden ser causados ​​por pequeñas roturas en una celda. Este es un gran problema porque sus paneles solares se romperían en poco tiempo.

Afortunadamente, el diodo de derivación existe . Si el diodo de derivación detecta que hay demasiada resistencia en una celda, la apaga. Luego, la corriente fluye a través del diodo de derivación en lugar de a través de la celda. Esto mantiene la célula intacta. Es poco práctico y costoso dotar a cada celda de un diodo de derivación. Hay tres en un panel solar de 60 celdas. Uno por cada 20 celdas. Llamamos a estas 20 celdas una subcadena . Si hay una hoja en una celda, esto significa que ya no participan 20 celdas. Eso es una pérdida del 33 por ciento. Algunos fabricantes como Panasonic utilizan 96 celdas (8×12) en sus paneles solares. Estos paneles tienen cuatro diodos, uno por cada 24 celdas. Si 1 celda está a la sombra, el 25 por ciento del panel ya no funciona.

1.1.3 ¿Qué sucede si una franja de sombra cae sobre el lado corto de un panel solar estándar?

¡Aquí hay que prestar atención! Hay una diferencia entre un panel solar o varios paneles solares en serie.

Situación 1: un panel solar está conectado a un inversor y hay sombra en el lado corto del panel. Como resultado, las celdas en la parte inferior del panel solar solo tienen un 30 por ciento de sol. Así que ahora no hay diferencia entre las subcadenas. Entonces los diodos no hacen nada. El panel solar suministrará entonces el 30 por ciento de su energía.

Situación 2: Múltiples paneles solares están conectados a un inversor y la sombra cae sobre el lado corto de un panel solar . Por lo tanto, las celdas en la parte inferior del panel solar sombreado solo tienen un 30 por ciento de sol. Los otros paneles solares tienen 100 por ciento de sol. Los paneles solares que se encuentran al sol intentan impulsar la corriente a través del panel solar con sombra. Todos los diodos se encienden y el panel solar en la sombra no hace nada, cero por ciento.

1.1.4 ¿Qué sucede si cae una franja de sombra en el lado largo de un panel solar estándar?

Ahora dos subcadenas tienen pleno sol. La tercera subcadena de este ejemplo tiene una sombra del 50 por ciento en las diez celdas inferiores. El diodo de derivación se encenderá y el 33 por ciento del panel fallará.

Ves que un panel solar reacciona de manera diferente a la sombra en el lado largo y en el lado corto de un panel solar. El lado largo es mejor. Es por eso que los paneles solares en los techos planos suelen estar en el paisaje. La sombra del panel frontal solo da una pérdida del 33 por ciento, mientras que esto sería del 100 por ciento con el retrato. Esto se aplica a un inversor de cadena. Con optimizadores o microinversores esta pérdida es limitada pero eso es para el capítulo 2.

1.1.5 ¿Cómo funciona un diodo de derivación en un panel solar?

Un panel solar estándar se compone de 3 subcadenas de 20 celdas. Un diodo de derivación se coloca paralelo a la subcadena de 20 celdas. En la entrada del diodo, el voltaje es de -10V con respecto a la salida. El diodo no permitirá el paso de corriente. Un diodo solo permite que la corriente fluya hacia un lado, como una válvula de retención. En el momento en que una sombra cae sobre una celda, la resistencia aumentará. La subcadena ahora se ha convertido en un consumidor de energía en lugar de un proveedor. El voltaje de la cadena secundaria se invertirá y la corriente fluirá a través del diodo. La subcadena ahora se omite. Con la mayoría de los paneles solares, el diodo se encenderá con una pérdida de energía de alrededor del 20 por ciento en una celda. ¹

1.2 QCells DÚO

Los paneles solares QCells DUO tienen 120 medias células solares. El panel está dividido en dos partes de 60 celdas, la mitad inferior y la superior. Estas dos partes son paralelas. Con una tira de sombra sobre el lado corto del panel solar, la mitad sigue funcionando. Un panel estándar no hará nada. Al menos, si hay varios paneles solares en serie (ver 1.1.3). Esta es una mejora del 50 por ciento.

1.3 Paneles solares de energía solar

Serie de rendimiento

Los paneles solares Sunpower Performance tienen nada menos que 18 zonas ^2. en lugar de 3 zonas con un diodo. El panel es completamente diferente de los paneles solares estándar. Utilizan celdas muy pequeñas que se superponen como tejas. Las conexiones de soldadura ahora son superfluas. El panel contiene seis filas de estas celdas. Estos son paralelos. En el ejemplo de una franja de sombra en el lado corto del panel, el panel SunPower pierde el 33 por ciento de su potencia, mientras que un panel estándar en estas condiciones no produce nada si varios paneles están en serie (ver 1.1.3). Al sombrear el lado largo del panel, el panel SunPower pierde solo un 8 por ciento con una sombra de media celda en toda la longitud y un 16 por ciento con una franja de sombra en toda la fila de celdas. Esto es mucho mejor que el 33 por ciento con un panel estándar.

Maxeon

Las celdas Maxeon de SunPower se componen de una base de cobre con el silicio en la parte superior. Además de que los paneles solares con estas células alcanzan la mayor potencia, también funcionan mejor a la sombra. Debido a que las celdas tienen una placa de cobre como base, son menos sensibles a los puntos calientes. Por lo tanto, no es necesario tener el diodo encendido para proteger la celda. Los diodos de los paneles solares Maxeon solo se encienden para optimizar el rendimiento. Con un panel estándar, una sola hoja es suficiente para encender el diodo de derivación. Con los paneles solares Maxeon esto solo ocurre con 3 hojas. Esto se ilustra en el siguiente ejemplo de Sunpower.

Además, las celdas Sunpower funcionan mejor en las longitudes de onda de luz altas y bajas. Esto significa que estos paneles solares funcionan mejor que los paneles solares estándar en días nublados (parte azul del espectro) y poca luz (parte roja del espectro). Vea la ilustración a continuación.

1.4 Paneles solares de película delgada

Los paneles solares de película delgada ya no se usarán mucho en 2019. Aún así, los paneles solares de película delgada son interesantes porque reaccionan de manera muy diferente a la sombra. Un panel solar de película delgada se compone de células alargadas paralelas. Estos se ejecutan de abajo hacia arriba a través del panel. Por lo general, en los paneles solares de película delgada, no se necesitan diodos para proteger el panel. Esto se debe a la gran superficie de las celdas y a las bajas intensidades de corriente. ³Debido a que el panel no tiene diodos, solo las celdas que están en la sombra se ven afectadas por la sombra. Con un panel estándar, parte del panel desaparece debido a una pequeña sombra. Si un panel solar de película delgada está sombreado en el lado largo, las celdas en la sombra ya no funcionan y el voltaje del panel cae. Si el panel está sombreado en el lado corto, todas las celdas paralelas están parcialmente sombreadas y la corriente del panel cae. Por lo tanto, la sombra tiene menos influencia en los paneles solares de película delgada. Sin embargo, ciertamente puede ser útil usar optimizadores (ver Sección 2.2).

Parte 2 Cómo los inversores manejan la sombra en un panel solar

Esto nos lleva a la siguiente parte del artículo que explica cómo los inversores manejan la sombra en los paneles solares. Hasta ahora, analizamos la influencia de la sombra en un solo panel, pero en la práctica, generalmente se conectan varios paneles en serie a un inversor. Esto hace que todo sea un poco más complicado. Primero, se analiza el inversor más simple, un inversor de cadena. Luego se discuten los microinversores y varios optimizadores.

2.1 Inversores de cadena

Hay inversores de cadena de muchas marcas diferentes. Todos ellos tienen en común que varios paneles solares están conectados en serie al inversor. En la parte 1 aprendimos lo que sucede cuando parte de un panel solar está a la sombra. Pero, ¿qué sucede con el resto de la cadena?

El trabajo de un inversor es extraer la máxima potencia de los paneles solares y convertirla de corriente continua a corriente alterna para poder suministrarla a la red. El inversor encuentra la potencia máxima de la cadena ajustando la corriente y el voltaje. Esto se llama seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT). A continuación se muestran algunos ejemplos simples con los que debe lidiar un inversor.

2.1.1 ¿Qué sucede si se sombrea una celda de un panel?

Como ejemplo, tomemos un sistema de 10 paneles solares conectados en serie al inversor (ver dibujo arriba). En este ejemplo, hay excrementos de pájaros en una celda de uno de los diez paneles, lo que significa que recibe un 20 por ciento menos de luz. El inversor ahora tiene la tarea de extraer la mayor cantidad de energía del conjunto de paneles solares. Comienza por mantener la corriente de los buenos paneles. Digamos 10 amperios. Debido a que todos los paneles están conectados en serie, la misma corriente fluye en todas partes. También por el panel que tiene sombra. En la parte 1.1.3 aprendimos que el diodo se encenderá. Esto hará que un tercio del panel sombreado deje de funcionar. Debido a que el resto de todos los paneles aún funcionan al máximo, la potencia total es el 96,7 por ciento del máximo. El inversor tiene una segunda opción. Puede reducir el amperaje de todos los paneles al 80 por ciento. Entonces el diodo no enciende. El panel sombreado pierde solo el 20 por ciento en lugar del 33 por ciento. Todos los demás paneles solo hacen el 80 por ciento. El panel en la sombra lo hace mejor, pero todo el conjunto peor. El inversor elegirá la mejor opción de las dos pero es un compromiso. No es posible obtener la máxima potencia de cada panel.

2.1.2 Tira de sombra sobre un panel

En este ejemplo, uno de los diez paneles tendrá una franja de sombra en las celdas inferiores del panel (lado corto). El treinta por ciento de las seis celdas inferiores están sombreadas. ¿Qué hará ahora el inversor? Si mantiene la corriente de los paneles a pleno sol, los tres diodos del panel de sombra apagarán el panel. El conjunto ahora solo ofrece el 90 por ciento. Si mantiene la corriente del panel de sombra, todos los paneles solo hacen el 70 por ciento. La primera opción es la mejor, pero nuevamente un compromiso. Si todos los paneles solares funcionaran al máximo, la potencia sería del 97 por ciento del máximo.

2.1.3 Múltiples cadenas paralelas

En sistemas más grandes, varias cadenas se conectan en paralelo a un inversor de cadena. Las cadenas paralelas deben tener el mismo voltaje para suministrar corriente. En este ejemplo tomamos dos cadenas paralelas de 10 paneles. Una de las cadenas tiene un panel con una franja de sombra en la parte inferior de las celdas, lo que hace que el panel tenga una pérdida de energía del 30 por ciento. ¿Qué hará ahora el inversor? Los voltajes en ambas cadenas deben permanecer iguales. Debido a que los diodos en la cadena de sombras no pueden encenderse, la corriente debe reducirse en un 70 por ciento. La cadena correcta hará el 100 por ciento. En general, esto es solo el 85 por ciento del máximo porque un panel tiene una franja de sombra. Si todos los paneles funcionaran de manera óptima, 19 paneles proporcionarían el 100 % y uno el 70 % (98,5 % en total).

Está claro que un inversor string puede causar muchas más pérdidas que si cada panel funcionara de forma óptima. En la práctica, en los Países Bajos, muchos sistemas reciben sombra durante el día de árboles, conductos de ventilación, chimeneas, excrementos de pájaros y nubes. Por no hablar de las diferencias que siempre existen entre los paneles y que solo aumentan con la edad. Ningún panel es idéntico. Si observa detenidamente la hoja de datos de sus paneles solares, verá que puede haber una pequeña diferencia porcentual. Con película delgada a veces hasta el diez por ciento. El inversor está ocupado ajustando el punto de máxima potencia todo el día, pero no puede hacerlo de manera óptima por panel. En la siguiente sección, leerá cómo se puede hacer esto .

2.2 Microinversores

Los microinversores y los optimizadores tienen en común que pueden controlar el Punto de Máxima Potencia por panel. Si 1 panel tiene una pérdida del 20 por ciento debido al sombreado, este panel funcionará al 80 por ciento de su máximo y los otros 9 paneles funcionarán al 100 por ciento. Por lo tanto, los microinversores y los optimizadores en muchos casos proporcionarán más rendimiento que un inversor de cadena. Por lo tanto, estos sistemas son preferibles solo con respecto al rendimiento. Suelen ser más caros de comprar.

Los microinversores en realidad funcionan de manera muy simple. En lugar de un inversor de cadena, cada panel tiene su propio inversor pequeño. Esto asegura que cada panel funcione siempre en su Punto de Máxima Potencia y que la corriente continua del panel solar se convierta en corriente alterna. En realidad, tiene diez pequeños sistemas que funcionan de forma independiente entre sí. Si una pieza falla, todas las demás siguen funcionando. Tampoco habrá ningún inversor instalado en la casa y solo un cable irá a la caja del medidor. Una gran ventaja de los microinversores es que el disyuntor de fuga a tierra en la caja del medidor protege todo el sistema. Solo se utiliza corriente alterna, al igual que en el resto de tu casa. Este es el sistema más seguro.

2.3 Optimizadores SolarEdge

Con SolarEdge tiene un inversor central como con un inversor de cadena, pero el punto de máxima potencia está controlado por un optimizador. Cada panel solar está conectado a un optimizador. En una cadena de paneles solares, la corriente en cada panel debe ser la misma. Al ajustar el voltaje y la corriente de cada panel, se aseguran de que cada panel funcione a su máxima potencia y que la corriente en la cadena sea la misma (esto se llama conversión DC DC). Esto evita que los diodos apaguen una parte de un panel solar como con un inversor de cadena (parte 2.1). Hay una desventaja para los optimizadores en comparación con los microinversores. El inversor SolarEdge debe poder recibir un mínimo de 370 voltios de los optimizadores para poder operar. Con los inversores trifásicos, esto es incluso 750 voltios. Entonces necesita una cantidad mínima de paneles solares para que el inversor funcione. Con el inversor monofásico son 8 paneles solares y con el inversor trifásico 16 paneles. Si demasiados paneles solares tienen sombra, puede que no sea posible alcanzar la tensión de funcionamiento del inversor. Hay optimizadores especiales de SolarEdge que pueden generar un voltaje de salida más alto. Luego puede trabajar con 6 y 12 paneles solares para el inversor monofásico y trifásico.

2.4 Optimizadores Tigo y SMA

Los optimizadores TIGO y SMA son los mismos. SMA ha adquirido parte de TIGO y ahora produce los optimizadores bajo su propio nombre. Los optimizadores Tigo funcionan de manera diferente a los optimizadores SolarEdge. Tienen en común que permiten que cada panel trabaje en su punto de máxima potencia. El funcionamiento es el siguiente. Si un panel en una cadena se oscurece un poco, la resistencia en el panel aumenta. Los optimizadores TIGO registran inmediatamente que el panel tiene más resistencia que el resto de la cadena. Hacen esto incluso antes de que el convertidor de cadenas ajuste su MPPT. Luego dejan que fluya un poco de corriente paralela al panel solar. Esto asegura que los diodos del panel no se enciendan y que cada panel funcione de manera óptima. La gran ventaja de los optimizadores TIGO es que solo es necesario colocar un optimizador para los paneles que tienen sombra. El control central no es necesario, a menos que desee leer el rendimiento por panel. También funcionan con casi todos los inversores string (no con Victron).

No trabajamos mucho con Tigo. Solo en determinados casos para optimizar un único panel en combinación con un inversor string. Mira aquí para más información.

Parte 3: ¿Cómo se determina la influencia de la sombra en el rendimiento de los paneles solares?

Hoy en día hay una gran cantidad de buenos programas disponibles para determinar la influencia de la sombra. Estos utilizan mapas de elevación detallados que muestran árboles y edificios. A veces también usamos esto para estimar si tiene sentido instalar paneles solares. A continuación se muestra cómo puede estimarlo usted mismo.

3.1 haga su propia estimación de la influencia de la sombra en los paneles solares

La figura de arriba muestra el camino que hace el sol con el horizonte a lo largo del año. Puedes ver que el sol está mucho más alto en verano que en invierno. Ahora puedes ver, desde tu techo o desde tu tragaluz, qué obstáculos ves y qué ángulo forman con el horizonte. Luego puede trazar eso en la órbita solar como puede ver en la figura de arriba. En este ejemplo se trata de una cubierta inclinada orientada al sur, con dos grandes árboles, A y B, en el jardín. El dibujo de los árboles se hace midiendo el ángulo que forman los árboles con el horizonte paso a paso de este a oeste desde el techo. Entonces puedes estimar qué porcentaje del año los paneles solares tienen sombra. Luego observa qué tan grande es la superficie debajo de la línea del horizonte que ha dibujado en comparación con la órbita solar total.

Es mejor tomar esta estimación con pinzas, pero te da una idea aproximada. Esta estimación solo se aplica a un sistema que hace que cada panel funcione de manera óptima, como microinversores u optimizadores. La sombra de un árbol se mueve sobre el techo de izquierda a derecha durante el día y todos los paneles tienen sombra en un momento diferente. Si ha leído la parte 2, sabe que un inversor de cadena no es una buena opción. Si hay mucha sombra, lo mejor es utilizar microinversores para que la tensión de arranque del inversor no se convierta en un problema (ver 2.3).