Introducción a la energía solar: cómo convertir la luz en corriente continua y conectarla a la red eléctrica y a las baterías.

Un panel solar no genera corriente alterna directamente. Una unión pn de semiconductor divide la energía de un fotón en un electrón y un hueco; la corriente continua que producen las celdas se combina en serie y en paralelo, y el sistema MPPT (seguimiento del punto de máxima potencia) y un acondicionador de potencia la convierten en electricidad utilizable. La lectura de todos los componentes, desde unos pocos paneles en tejados hasta una megaplanta solar, baterías y el mercado eléctrico, como un único sistema, conecta el gráfico de generación con las operaciones de la red.

Ejemplo de energía fotovoltaica a gran escala

Imagen: Photovoltaic Paneles en la granja solar de Travers (Kkiefuik, CC BY 4.0), Wikimedia Commons. Fotografía ilustrativa, no una medición directa de la potencia de salida ni de la eficiencia mencionada en este artículo.

0. Versión resumida

• La potencia de salida de una célula solar se determina mediante el producto P=VI del voltaje V y la corriente I. Una mayor irradiancia aumenta principalmente la corriente; una temperatura más alta disminuye el voltaje.

• La curva I-V tiene un único punto de máxima potencia (MPP), y el MPPT (seguimiento del punto de máxima potencia) ajusta el convertidor CC-CC a dicho punto. El sombreado puede generar múltiples picos locales.

• El inversor convierte la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA) y controla el factor de potencia, la potencia reactiva, los armónicos y la detección de funcionamiento en isla. Con una batería, el excedente de energía del mediodía se puede aprovechar para la tarde.

• Las instalaciones en azoteas, agrivoltaicas, flotantes y marinas presentan diferentes consideraciones en cuanto a temperatura, reflexión, mantenimiento, capacidad de la red y factores ambientales, según su ubicación. Las perovskitas, las células en tándem, el reciclaje y los inversores formadores de red están en fase de investigación, pero requieren evaluación en cuanto a vida útil, encapsulación, gestión de plomo, viabilidad financiera y mantenimiento.

1. La unión pn convierte la luz en corriente

Diagram 1 · Use the button to switch views

Figura 1: Separe las pérdidas por conversión de celda, temperatura, sombreado, cableado, acondicionamiento de potencia y limitación de potencia antes de comparar dos sistemas fotovoltaicos.

Si la energía E_{ph}=hc/\lambda de un fotón que incide sobre una celda solar supera la banda prohibida del semiconductor E_g, se genera un par electrón-hueco. El campo eléctrico en la región de agotamiento de la unión pn separa ambos pares en direcciones opuestas, impulsando la corriente a través del circuito externo. Una corriente de celda idealizada se puede escribir como:

donde I_{ph} es la fotocorriente y I_0 la corriente oscura. Corriente, q carga elemental, n factor de idealidad y T temperatura absoluta. Cerca del voltaje de circuito abierto V_{oc}, la corriente disminuye bruscamente; cerca de la corriente de cortocircuito I_{sc}, el voltaje es casi cero. El punto de inflexión de esta curva es el MPP.

Conectar celdas en serie aumenta el voltaje; conectarlas en paralelo aumenta la corriente. Los diodos de derivación de un panel evitan los puntos calientes, donde el sombreado parcial polariza inversamente toda una cadena de celdas y genera calor. El sombreado, la suciedad, la nieve y el envejecimiento modifican la curva I-V de cada cadena, por lo que el monitoreo de la generación registra el voltaje, la corriente y la temperatura simultáneamente.

2. MPPT: seguimiento del punto de máxima potencia

La condición máxima para la potencia P(V)=V I(V) es:

Entre los métodos representativos de MPPT se incluye el de Perturbación y Observación. (Ascenso de pendiente), que ajusta ligeramente la tensión de funcionamiento y observa la respuesta de la potencia, y Conductancia incremental, que controla para satisfacer dI/dV=-I/V. Cuando la irradiancia cambia repentinamente, estos métodos pueden seguir erróneamente el aumento o la disminución anterior, razón por la cual la investigación combina sensores meteorológicos, múltiples cadenas y control predictivo.

3. El acondicionador de potencia y la interconexión a la red

La salida de CC de los paneles fotovoltaicos se convierte en CA mediante un convertidor elevador, un condensador de enlace de CC y un puente H o un inversor trifásico. El control de seguimiento de red, que rastrea la fase de la red mediante un PLL y da forma a la corriente en una onda sinusoidal, es el enfoque común. Dado que el suministro continuo de energía a los paneles fotovoltaicos en los tejados durante un corte de la red es peligroso para los trabajadores, se requiere detección y desconexión anti-isla.

En redes débiles con una alta proporción de energías renovables, el control de formación de red —donde el inversor se comporta como una fuente de tensión en lugar de simplemente rastrear la tensión de la red— está ganando atención. Las máquinas síncronas virtuales, los osciladores virtuales y el control de caída de tensión permiten una respuesta rápida. Desviación de frecuencia y fluctuación de voltaje. No se trata de cambiar el semiconductor de la célula solar, sino de adaptar el control y la protección del convertidor de potencia a la red eléctrica en su conjunto.

4. Irradiancia, temperatura y ángulo de instalación

Con la irradiancia en el plano G [W/m²], el área del módulo A y la eficiencia de conversión \eta, la producción instantánea se puede aproximar como:

La eficiencia \eta disminuye con el coeficiente de temperatura. La distancia al material del techo, la ventilación posterior, la estructura de montaje, el azimut, el ángulo de inclinación y la luz reflejada afectan la generación anual. Los módulos bifaciales aprovechan la reflectancia del suelo (albedo), por lo que incluso las condiciones de la superficie de instalación (grava blanca, nieve, terreno agrícola) deben incluirse en el diseño.

Los emplazamientos agrovoltaicos deben evitar reducir demasiado la cantidad de luz que llega a los cultivos. Extienda la sombra de los paneles y mantenga la altura libre necesaria para el trabajo de la maquinaria agrícola. Las instalaciones flotantes deben evaluar el efecto de enfriamiento de la superficie del agua, el anclaje, las olas, el cableado y el impacto en las algas y la calidad del agua. Maximizar la generación por sí sola puede pasar por alto las compensaciones con el rendimiento de los cultivos y la facilidad de mantenimiento.

5. Baterías y pronóstico

El excedente solar carga una batería para su descarga por la noche o durante la nubosidad. El estado de energía de la batería (E) se puede actualizar mediante el comando de potencia (P_b) y la eficiencia de ida y vuelta (\eta_{rt}) como:

donde P_{ch} y P_{dis} son la potencia de carga y descarga, y \eta_c,\eta_d sus respectivas eficiencias. Los límites superior e inferior del SOC, la temperatura, la degradación y la capacidad de interconexión se consideran restricciones. Pronosticar la sombra de las nubes con unos minutos de anticipación permite elegir entre mantener la batería disponible o Aceptación de la reducción de la producción.

6. Tecnología e investigación actuales

Un sistema fotovoltaico típico hoy en día consta de células de silicio cristalino, un inversor de cadena o microinversor, una puerta de enlace de monitoreo, disyuntores, conexión a tierra/protección contra rayos y, cuando corresponda, una batería. Las comparaciones de rendimiento deben ir más allá de la eficiencia nominal y considerar la eficiencia a carga parcial, la potencia de reserva nocturna, el rango de voltaje MPPT, la detección de fallas de arco, las actualizaciones remotas de firmware, las piezas de repuesto y las clasificaciones de carga de aire salino/nieve.

La investigación se centra en células en tándem que apilan una perovskita de diferente banda prohibida sobre silicio, películas delgadas ligeras que se pueden aplicar a superficies curvas, encapsulación de larga duración, recuperación y reciclaje de plomo, inversores formadores de red y operaciones que combinan energía fotovoltaica con baterías, hidrógeno y respuesta a la demanda. Incluso cuando la eficiencia de conversión en laboratorio es alta, la uniformidad de los módulos grandes, los ciclos UV/humedad/térmicos, las garantías de más de 25 años y la recuperación al final de la vida útil siguen siendo barreras para la comercialización.

7. Monitoreo, mantenimiento y Seguridad

Detectar una caída en la producción implica comparar los valores esperados normalizados por las condiciones climáticas con las mediciones reales. Verifique los valores atípicos de corriente de cadena, las diferencias de temperatura del panel, la resistencia de aislamiento del inversor, la detección de fallas de arco, los fusibles de la caja de conexiones y los conectores de cables. Las imágenes infrarrojas de drones pueden detectar puntos calientes, pero la reflexión, el viento y el ángulo de medición influyen en ellas, por lo que la determinación de anomalías debe cotejarse con las mediciones eléctricas.

Los arcos de CC pueden persistir incluso después de que se abra un interruptor. Los trabajadores deben asumir que la tensión de generación permanece presente mientras el panel reciba luz solar y seguir las normas de seguridad eléctrica pertinentes y los procedimientos del fabricante. Cuando las baterías están ubicadas en el mismo lugar, la respuesta ante incendios (extinción, aislamiento, reignición y coordinación con los bomberos y las compañías eléctricas) debe estar integrada en el plan.

8. Conclusión

La energía solar es un sistema continuo que abarca la fotoconversión de las células, el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT), la conversión CC-CC, el inversor, el transformador, la monitorización, el almacenamiento y la protección de la red. Al comparar la generación anual, alinee la irradiancia, la temperatura, el sombreado, la suciedad, la degradación, las pérdidas de conversión y la limitación de la producción con los mismos parámetros. condiciones. Al leer sobre perovskitas o inversores formadores de red, también se deben considerar la escala de demostración, la durabilidad, el mantenimiento, el reciclaje y la seguridad a lo largo de todo su ciclo de vida.

Referencias

• Agencia para los Recursos Naturales y la Energía — Energía Renovable (Japonés)
• NREL — Tabla de eficiencia de las mejores células de investigación
• IEA PVPS
• IEC 61724-1 — Monitorización del rendimiento de los sistemas fotovoltaicos
• NREL — Investigación sobre inversores formadores de red