Estudio experimental del comportamiento de un módulo fotovoltaico en condiciones de sombreado con distintas configuraciones de diodos bypass

Abstract

[EN] The aim of the following project has been the study of a photovoltaic module for varying shading patterns using several configurations and bypass diodes with different electrical characteristics. We have studied the importance of choosing the proper configuration for the diode with the aim of reducing electrical losses considering the shading patterns. In order to specify the electrical characteristics of the cells, we have used a solar simulator, which provides a solar irradiance of 1000 W/m2. However, in order to illuminate completely the mini module we have used an halogen lamp, which supplies a visible radiation of 0.38 suns. It has been proved that the energy supplied by a module in which no protection diodes have been used depends on the most shaded cell. In order to reduce the energy loss, we have included bypass diodes in our module with different configurations. The diode starts conducting when the cell polarise inversely. Once the diode has been activated, the energy can be mantained because of the existence of the diode. Depending on the number of branches that the module has, on the electrical characteristics of the diode and on the quantity of solar cells protected by them. Two diodes with different electrical characteristics have been used to know the loss of energy introduced by the diode. It has been proved that the diode with less voltage leads to minor losses of energy in the module, since it starts earlier to conduct. The fewer number of solar cells protected by the diode, the greater importance the threshold voltage of the diode in the energy loss due to the shading has. Several configurations have been displayed so as to see which one provides a major voltage in our module depending on the adversities of the environment. The obtained results are discussed below: - Having choosed a single diode module for the entire module, no difference has been noticed. The reason for the diode not activating is that despite the shading being very simple the diode is always inversely polarized. The drop in power supply between its opposite sides is approx. -4V. One of the advantages is that it is possible to connect several modules in series. Several studies have been carried out on the modules connected in series with two and three protection diodes for the whole module. The intent of this study is to analyze the energy loss caused depending on the number of solar cells protected by the diode.

It can be noticed roughly that in the 3-diode-module tha activation of the diode happens in the 2/3 of the module voltage, while in the 2-diode-module happens in the 1/2. Two energy peaks, the absolute and the relative one, are associated to the different branches of the module. They both balance when a solar cell is shadowed at a 50%, while it happens close to a 70% in the case of the 3-diode-module protection. As each diode protects fewer cells, the energy loss is lower. Therefore, it is proved that more energy is obtained with the use of more protection diodes in each module and particularly with a single solar cell diode. -Regarding the configuration of the single cell diode, it has been proved that having fewer solar cells for each protection diode means less energy losses, as it has been mentioned previously. In this sense, a bypass diode should ideally be included for each solar cell. On the other hand, it should be highlighted that the graph moves to the left when most of the cells are shadowed, as a result of the voltage diode. In order to reduce the effect of the diode a low threshold voltage is required and once this has been exceeded, it is recommended that the increase of power supply, which can conduct the diode, is high considering some voltage variations. - It should be highlighted that the parallel configuration emprises the one cell diode and the ¿series¿ ones. With this configuration this problem is reduced if a protection diode is used for each solar cell and several module consecutive solar cells. This way, in order to be benefitial a whole branch of the module should often shadow, activating the diode placed in paralel, so losses related to each branch solar cell diode are avoided. This happens, for instance, in a side shadow of the module. It was indeed used in the past in some of the first photovoltaic modules launched in the market, the configuration of redundant diodes is not used nowadays due to the possibility that the shaded module generates a greater energy supply than the other modules, producing a negative effect on them. The best configurations in terms of energy loss are one diode cell and parallel configuration. Nevertheless, because of the complexity they are not the most used at an industrial level. Even if the series configuration is not the most efficient for the several studies, it is the most standarized because of the simplicity and the performance is suitable depending on the shadowing. Nowadays the configuration most frequently used has three protection diodes for modules composed by 60 series solar cells. The use of more protection diodes is being introduced gradually at an industrial level. It has been proved that it is important to have diodes with low threshold voltage. Its effect in the energy loss of the module is due to the shading increases when the number of solar cells protected by them decreases. Regarding the comparison of the behaviour of a module carried out with solar cells from low quality-multicrystalline sylicon and another one of multicrystalline sylicon, the module having fewer parallel resistance values will have an energy loss quite inferior considering the shading. On the other hand, the above mentioned cells have less energy, what leads to a lower efficience of the module. Furthermore, as dielectric breakdown voltage is inferior the chances for the generation of warm points in these modules raised. Depending on the position of the module in the installation and the chance of shading, one configuration can raise more interest than the other one. But in some cases, the configuration that leads to fewer energy losses is one diode cell, although its efficiency its being studied in laboratories and not at an industrial level. On the other hand, the configuration of series diodes in the most extended. In this sense, the three diode module is generally used, although for the reasons we have explained in this project, some companies are incrementing the number to six or nine.

[ES] El objetivo del presente proyecto ha sido el análisis de un módulo fotovoltaico para distintas condiciones de sombreado, empleando diferentes configuraciones y utilizando diodos bypass con distintas características eléctricas. Así se ha estudiado la importancia que tiene el seleccionar y elegir correctamente la mejor configuración para los diodos con el fin de tener las menores pérdidas posibles de potencia ante distintas condiciones de sombreado. Para determinar las características eléctricas de las células se ha empleado un simulador solar, este proporciona una irradiancia de un sol (1000 W/m2). En cambio, para poder iluminar de una forma más o menos uniforme todo el mini módulo, se ha utilizado una lámpara halógena cuya potencia emitida en forma de radiación luminosa era de 0,38 soles. Se ha demostrado que la potencia suministrada por un módulo en el cual no se han empleado diodos de protección depende de la célula con mayor sombreado. Para disminuir las pérdidas de potencia se incluyen diodos bypass a nuestro modulo con distintas configuraciones. El diodo entra en conducción cuando la célula solar sombreada se polariza en inversa. Activado el diodo, éste seguirá la respuesta de la rama sin sombrear, es decir, gracias a la existencia del diodo se puede conservar la potencia del resto de las ramas no sombreadas del módulo. Dependiendo del número de ramas que posea el módulo, de las características eléctricas del diodo y de la cantidad de células solares protegidas por el mismo, se tendrán mayores o menores pérdidas. Para conocer las pérdidas de potencia introducidas por los diodos, se utilizaron dos con características eléctricas diferentes. Se ha comprobado que el diodo con menor tensión umbral da lugar a menores pérdidas de potencia en el módulo, ya que este empieza a conducir con anterioridad. La tensión umbral del diodo tiene un mayor peso en la pérdida de potencia debida al sombreado cuanto menor es el número de células solares que están protegidas por el mismo. Se han realizado varias configuraciones de diodos para ver cuál de ellas permite disponer de una mayor potencia en nuestro módulo en función a las adversidades del medio externo. Se comenta los resultados a continuación. -Cuando se tiene un solo módulo con un diodo para todo el módulo, no se produce ninguna diferencia con el caso sin diodo.

La explicación de que el diodo no se active es que pese al sombreado, el diodo siempre está polarizado en inversa. Para el caso expuesto, la caída de tensión entre sus extremos es aproximadamente de -4V. La ventaja de disponer de éste diodo está a la hora de tener varios módulos conectados en serie. En los módulos con la configuración de diodos de paso en serie se han realizado varios estudios con dos y tres diodos de protección para todo el módulo. Con ello se pretende estudiar las pedidas de potencia que se tienen en función del número de células solares protegidas por diodo. Se puede apreciar de forma aproximada que para la configuración de 3 diodos por módulo, la activación del diodo se produce a 2/3 de la tensión del módulo, mientras que en el caso de dos diodos se produce a 1/2. También los dos picos de potencia absoluto y relativo asociados a las distintas ramas del módulo se igualan prácticamente cuando se sombrea una célula solar cualquiera un 50% para el módulo con tres diodos de protección, mientras que para el de dos diodos dicho efecto se ha encontrado en torno al 70%. Como cada diodo protege a menos células, la pérdida de potencia por sombreado es menor. Por lo tanto, se confirma que se obtiene más potencia con el uso de más diodos de protección en cada módulo, y en particular con un diodo por célula solar. -En lo que respecta a la configuración de un diodo por célula se comprobó que tener un menor número de células solares por cada diodo de protección da lugar a menores pérdidas de potencia ante sombreados, como se ha comentado anteriormente. En este sentido, el caso ideal supone incluir un diodo de paso por cada célula solar. Por otro lado, hay que tener en cuenta que la tensión del diodo desplaza hacia tensiones menores (a la izquierda) el escalón presente en la curva IV del módulo ante un sombreado. Esto es, que el punto de activación del mismo se produce a una tensión igual a la suma de las Voc de las células de la serie más la tensión del diodo. En este sentido, si hay muchos diodos y muchas células sombreadas, la suma de las tensiones de los distintos diodos puede llegar a ser responsable de una pérdida importante en la potencia del módulo. Para minimizar el efecto del diodo, se requiere que su tensión umbral sea muy baja, y que una vez superada ésta, el incremento de la corriente que puede conducir el diodo sea muy alto ante pequeñas variaciones de tensión. -Cabe destaca que la Configuración en paralelo engloba la de ¿un diodo por célula¿ y ¿en serie¿. Con ésta configuración se minimiza el problema encontrado si se utiliza un diodo de protección por cada célula solar y se sombrean muchas células solares consecutivas del módulo. Así, para ser beneficiosa tendrían que sombrearse a menudo una rama completa del módulo, activándose el diodo situado en paralelo y evitándose así las pérdidas asociadas a cada uno de los diodos de las células solares de la rama. Éste hecho se produce por ejemplo ante un sombreado lateral del módulo. - Si bien fue utilizada en algunos de los primeros módulos fotovoltaicos que salieron al mercado, la configuración de diodos redundantes no se emplea en la actualidad debido a la posibilidad de que el módulo sombreado genere una mayor corriente que el resto de módulos de la instalación, produciendo un efecto negativo sobre los mismos.

Concluyendo, las mejores configuraciones en cuanto a pérdidas de potencia ante sombreados son la de un diodo por célula y la configuración en paralelo, pero por su complejidad no son las más empleadas a nivel industrial. Respecto a las configuraciones en serie, a pesar de no ser la más eficiente para los distintos estudios de sombras realizados, es la más estandarizada por su sencillez de montaje, y porque su rendimiento es aceptable en función del sombreado del módulo. La configuración más empleada en la actualidad posee tres diodos de protección para módulos formados por 60 células solares en serie (un diodo cada 20 células). El uso de más diodos de protección se está introduciendo poco a poco a nivel industrial. En este sentido, la empresa española Silicio Ferrosolar S.L. oferta módulos con 72 células solares y seis diodos de protección (uno cada 12 células) con un diseño sencillo, y la canadiense Day4 ofrece módulos de 60 células solares y 9 diodos de paso (realizando siete grupos de 6 células y dos de 9 células solares), si bien su diseño es complicado. También ha quedado demostrado que es importante disponer de diodos con una baja tensión umbral. Su efecto en la pérdida de potencia del módulo debida a un sombreado, aumenta cuando disminuye el número de células solares protegidas por el mismo. En cuanto a la comparación del comportamiento ante sombreados de un módulo realizado con células solares de silicio multicristalino de baja calidad y otro de silicio monocristalino, el módulo que posee menores valores de la resistencia paralelo tendrá unas pérdidas de potencia sensiblemente inferiores ante sombreados. Pero por otro lado, dichas células poseen menores potencias, lo que conlleva a una menor eficiencia del módulo. Además, al tener una tensión de ruptura inferior en valor absoluto, aumenta la posibilidad de que se generen puntos calientes en dichos módulos. En resumen, según la ubicación que vaya a tener el módulo dentro de la instalación y la posibilidad de sombreados del mismo (sombras puntuales, avance de sombra o sombreado lateral), puede interesar más una u otra de las configuraciones analizadas en el presente estudio. Salvo casos puntuales, la que da lugar a menores pérdidas de potencia es la de un diodo de protección por cada célula solar, bien su eficiencia y debido a su complejidad, aún se está estudiando su implementación en laboratorios, y no tanto a nivel industrial. En cambio, la configuración con diodos en serie es con diferencia la más extendida. En este sentido, en general se utilizan tres diodos por módulo, aunque por los motivos que se han expuesto a lo largo de esta Tesina, algunas empresas ya están empezando a incrementar su número hasta seis o nueve.

[CA] L'objectiu del present projecte ha sigut l'anàlisi d'un mòdul fotovoltaic per a distintes configuracions d'ombrejat, utilitzant diferents configuracions i utilitzant díodes bypass de diferents característiques elèctriques. Així, s'ha estudiat la importància d'elegir correctament la millor configuració per als díodes amb la finalitat de tindre les menors pèrdues possibles de potència tenint en compte les condicions d' ombrejat. Per a obtindre les característiques elèctriques de les cèl¿lules s'ha utilitzat un simulador solar, aquest proporciona una irradiància d'un sol (1000 W/m2). En canvi, per a poder il.luminar de forma més o menys homogènia tot el mini mòdul, s'ha utilitzat una làmpada al.lògena la qual emet una potència en forma d'irradiació lluminosa de 0,38 sols. S'ha demostrat que la potència subministrada per un mòdul, en el qual no s'han utilitzat díodes de protecció depèn de la cèl.lula amb major ombrejat. Per a disminuir les pèrdues de potència s'han utilitzat díodes bypass en el nostre mòdul amb distintes configuracions. El díode entra en conducció quan la cèl.lula solar ombrejada es polaritza inversament. Activat el díode, aquesta continuarà la resposta de la rama sense ombrejar, es a dir, gràcies a l'existència del díode es pot conservar la potència de la resta de rames no ombrejades del mòdul. Depenent del nombre de rames que tinga el mòdul, de les característiques elèctriques del díode i de la quantitat de cèl.lules solars que protegisca, s.obtindran més o menys pèrdues. Per a conèixer les pèrdues de potència introduïdes pels díodes, s'utilitzen dos amb característiques diferents. S'ha comprovat que el díode que té menor llindar de tensió dóna lloc a menors pèrdues de potència en el mòdul, ja que aquest comença a conduir en anterioritat. La tensió llindar del díode té major pes en la pèrdua de potència degut a l' ombrejat, com menor és el nombre de cèl.lules solars que estan protegides pel mateix. S'han fet diverses configuracions de díodes per a veure quina d'elles permet obtenir major potència en el nostre mòdul en funció de les adversitats del medi extern. a continuació comentem els resultats obtinguts. Quan tenim un mòdul amb un díode per a tot el mòdul, no es produeix ninguna diferència amb el cas sense díode. L'explicació de que un díode no s'active encara que s'ombreje, el díode sempre esta polaritzat en inversa. Per al cas oposat, la caiguda de tensió entre els dos extrems és aproximadament de -4V. L'avantatge de disposar d'aquest díode es que a l'hora de tindre diversos mòduls connectats en sèrie. En els mòduls amb una configuració de díodes de pas en sèrie s'han fet diversos estudis amb dos i tres díodes de protecció per a tot el mòdul. Amb això es pretén estudiar les pèrdues de potència que s'obtenen en funció al nombre de cèl.lules solars protegides pel díode. Es pot apreciar d'una forma aproximada que per a la configuració de 3 díodes per mòdul, l'activació del díode es produeix a 2/3 de la tensió del mòdul, mentre que en el cas de dos díodes es produeix a 1/2. També els dos pics de potència absolut i relatiu associats a les distintes rames del mòdul s' igualen pràcticament quan s'ombreja una cèl.lula solar qualsevol un 50% per al mòdul amb tres díodes de protecció, mentre que per al de dos díodes aquest efecte s'ha trobat al voltant del 70%. Com cada díode protegeix menys cèl.lules, la pèrdua de potència per ombrejat es menor. Per tant, es confirma que s.obté més potència utilitzant mes díodes de protecció en cada mòdul, i en particular amb un díode per cèl.lula. Per al que respecta a la configuració de un díode per cèl.lula s'ha comprovat que el fet de teenir menor nombre de cèl.lules solars per cada díode de protecció dona lloc a menors pèrdues de potència davant ombrejats, com s.ha comentat anteriorment. En aquest sentit, el cas ideal suposa incloure un díode de pas per cada cèl.lula solar. Per altra banda, cal tenir en compte que la tensió del díode es desplaça cap a tensions menors (a l'esquerra) l' escaló present en la corba IV del mòdul davant d'un ombrejat. Açò és, que el punt d' activació del mateix s¿ha produït a una tensió igual a la suma de les Voc de les cèl¿lules de la sèrie més la tensió del díode. En aquest sentit, si tenim molts díodes i moltes cèl.lules ombrejades, la suma de les tensions dels diferents díodes pot arribar a ser responsable d' una pèrdua important en la potència del mòdul. Per a disminuir l'efecte del díode, es requereix que la seua tensió llindar siga més baixa, i que una vegada sobrepassada aquesta, l' increment de corrent que pot conduir el díode siga molt alt davant xicotetes variacions de tensions. Cal destacar que la configuració en paral.lel engloba la d'un díode per cèl.lula i en sèrie. Amb aquesta configuració es minimitza el problema trobat quan s'utilitza un díode de protecció per a cada cèl.lula solar i s.ombrejen moltes cèl¿lules solars consecutives del mòdul. Així per a ser beneficioses haurien d¿ombrejar-se més sovint una rama completa del mòdul, activant-se el díode situat en paral.lel i evitant així les pèrdues associades a cada un dels díodes de les cèl¿lules solars de la rama. Aquest fet es produeix, per exemple, davant un ombrejat lateral del mòdul. Si tanmateix es va utilitzar en alguns dels primers mòduls fotovoltaics que eixiren al mercat, la configuració de díodes redundants no s'utilitza en l¿actualitat degut a la possibilitat de que el mòdul ombrejat produïsca una major corrent que la resta dels mòduls de la instal¿lació, produint un efecte negatiu sobre els mateixos. Per concloure, les millors configuracions en relació a pèrdues de potència davant ombrejats és la d'un díode per cèl.lula i la configuració en paral.lel, però per la seua complexitat no és la més utilitzada a nivell industrial. Respecte a les configuracions en sèrie, encara que no és la més eficient per als diferents estudis d¿ombrejat realitzats, és la més estandarditzada per la seua simplesa de muntatge, i perquè el seu rendiment és acceptable en funció de l'ombrejat del mòdul. La configuració més utilitzada en l'actualitat posseeix tres díodes de protecció per a mòduls conformats per 60 cèl¿lules solars en sèrie (un díode cada 20 cèl.lules). L'us de més díodes de protecció esta introduint-se poc a poc a nivell industrial. En aquest sentit, l'empresa espanyola Silici Ferrosolar S.L.. ofereix mòduls de 72 cèl.lules solars i sis díodes de protecció (un per cada 12 cèl.lules) amb un disseny senzill, i la canadenca Day4 ofereix mòduls de 60 cèl.lules solars i 9 díodes de pas (realitzant set grups de 6 cèl.lules i dos de 9 cèl.lules solars), si bé el seu disseny és complex. També ha quedat demostrat que és important disposar de díodes amb una baixa tensió llindar. El seu efecte en la pèrdua de potència del mòdul degut a un ombrejat augmenta quan disminueix el nombre de cèl.lules solars protegides pel mateix. Respecte a la comparació del comportament davant ombrejats de un mòdul realitzat amb cèl¿lules solars de silici multicristalí de baixa qualitat amb altres de silici monocristalí, el mòdul que posseeix valors menors de resistència en paral.lel obtindrà unes pèrdues de potència sensiblement inferiors davant ombrejats. Per altra banda, aquestes cèl¿lules posseeixen menors potències, la qual cosa comporta una menor eficiència del mòdul. A més a més, al tindre una tensió de ruptura inferior en valor absolut, incrementa la possibilitat de que es generen punts calents en aquestos mòduls. En resum, segons la ubicació que tinga el mòdul dins de la instal.lació i la possibilitat d'ombrejats del mateix (ombrejats puntuals, avanç d¿ombra o ombrejat lateral), pot ser més interessant l'ús d'una o d'una altra de les configuracions analitzades en el present estudi. Encara que per a casos puntuals, la que dona lloc a menors pèrdues de potència és la d¿un díode de protecció per cada cèl.lula solar, si bé per la seua eficiència i complexitat, encara esta estudiant el seu ús en laboratoris, i no tant a nivell industrial. En canvi, la configuració amb díodes en sèrie és amb diferència la més extensa. En aquest sentit, en general si utilitzem tres díodes per mòdul, tenint en compte els motius que s¿han exposat al llarg de la tesina, algunes empreses estan incrementant el seu nombre fins a sis o nou.