Formación y dimensionamiento de Strings en Fotovoltaica

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En la actualidad, la energía solar fotovoltaica (FV) es una de las fuentes de energía renovable que más se está desarrollando debido sobre todo a la bajada de precios en las instalaciones de este tipo. Según IRENA desde 2010 se han abaratado los costes de esta tecnología hasta un 82%. Esto junto a otros factores como sus avances a nivel de productividad como su practicidad han convertido la “Solar pv” en una de las más utilizadas en todo el mundo. A partir de 2021, la capacidad total de energía solar fotovoltaica instalada a nivel mundial superó los 1,1 teravatios (TW), según el informe "Global Trends in Renewable Energy Investment 2021" del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA).

Para entrar en materia uno de los elementos más importantes en cualquier sistema de este tipo es el panel fotovoltaico, dispositivo que convierte la radiación solar en energía eléctrica debido al llamado efecto fotoeléctrico y que, en este caso, se basan habitualmente en células de silicio.

Para la optimización de cualquier sistema de generación solar fotovoltaico, se buscará aumentar su capacidad, y la forma más básica de realizar esta acción será mediante la agrupación de gran cantidad de paneles o módulos, aumentando así la potencia de generación de la planta, conocidas también como “Centrales fotovoltaicas ”.

El conjunto de módulos fotovoltaicos conectados en serie es lo que se conoce como string FV, y por lo tanto la formación de un string fotovoltaico es crucial para la producción de energía solar.

Esta conexión en serie de paneles FV, en términos eléctricos, se traduce en que la corriente eléctrica fluye a través de un módulo FV y luego a través del siguiente, y así sucesivamente a través del conjunto del string de manera unitaria.

Por otro lado, la tensión total del string fotovoltaico, en cambio, es la suma de las tensiones de cada módulo individual. Pongamos un ejemplo: si se toma un módulo de características, en condiciones de máxima potencia (mp), de: 500W (Pmax), 40V (Vmp) y 12,5A (Imp) ; y se quieren formar strings de 20 módulos FV, la producción de este string será la suma de las potencias de todos los módulos en serie (20x500W=10.000W), que eléctricamente hablando será resultado de la intensidad que recorre toda la serie (12,5A) multiplicada por la suma de todas las tensiones de los módulos (20*40V=800V), recordando así la famosa ley de la potencia eléctrica: P=VxI. La ley de la potencia eléctrica establece que la cantidad de energía eléctrica que se consume en un circuito (en unidades de vatios) es igual al producto de la corriente eléctrica que fluye por el circuito (en unidades de amperios) y la diferencia de potencial eléctrico (en unidades de voltios) a través del cual fluye la corriente.

En un orden de nivel superior estos Strings FV (que por la propia naturaleza de la tecnología FV se establecen en corriente continua -CC-) se conectarán en paralelo para poder así seguir aumentando la capacidad de la instalación en su conjunto y prepararse para la evacuación, que se realiza en, en cambio, en corriente alterna (CA) previa conversión mediante un inversor, y en alta tensión (AT), previo paso por un centro de transformación y/o subestación elevadora, pero esto es ya otra historia.

En este texto se pretende abordar, de manera divulgativa, los principales aspectos que se han de tener en cuenta a la hora de dimensionar estos strings fotovoltaicos.

El principio de dimensionamiento de un strings FV en una planta solar fotovoltaica se basa, como ya hemos comentado, en poder optimizar y aumentar la potencia de la instalación, pero manteniendo una adecuada caracterización técnica basada en los equipos principales de la planta y de las condiciones ambientales del lugar donde se establece.

Con todo esto, la primera pregunta que nos debería surgir sería ¿Cuál es el límite de módulos FV que se pueden conectar en serie para formar un string ?

La respuesta práctica, y que aplicaría a la mayoría de las plantas solares FV de la actualidad, sería: Las características eléctricas del inversor, en concreto su tensión máxima de entrada, que en la actualidad corresponde a 1500V.

Por lo tanto, si tomamos el ejemplo anterior, parecería que podemos crear strings de hasta 37 paneles FV (37x40V=1480V), pero esto es un error, ya que este valor de tensión (que corresponde al punto de máxima potencia que puede ofrecer el módulo FV) no es el voltaje máximo que el fabricante nos asegura. La tensión máxima que puede alcanzar un módulo FV viene caracterizada por su curva I-V (una imagen ejemplo a continuación) y, en concreto, corresponde a la tensión de circuito abierto (Voc), que sería el voltaje que se mide a través del panel cuando no pasa corriente por el mismo.

Y no acaba aquí la cosa, ya se ha comentado que la ubicación de la planta FV será fundamental a la hora del dimensionamiento de strings FV, y esto es porque la tensión producida por un panel FV es variable dependiendo de la temperatura del mismo. Esta temperatura es a su vez dependiente de la temperatura ambiente y de la irradiancia incidente.

La siguiente expresión relaciona la temperatura de la célula del módulo con estas dos variables de operación:

Recordamos que las características expuestas en la ficha técnica de un módulo FV vienen en condiciones estándar de medida (STC: Irrandiancia 1000W/m^2 ; Temperatura de la célula 25ºC), por lo que para realizar un dimensionamiento adecuado, y del lado de la seguridad y buenas prácticas de ingeniería, el valor de esta Voc tendrá que extrapolarse a la temperatura mínima esperada, en condiciones mínimas de radiación en las que el panel empieza a producir, en la ubicación de la planta FV lo que probablemente elevará esta tensión de circuito abierto (Voc) entre 0,5 y 5 V aproximadamente.

El anterior cálculo es un punto crítico a la hora de dimensionar los strings, ya que marcarán el límite aceptable de módulos máximos por string que se va a reproducir a lo largo de toda la planta FV. Esto repercute directamente en la potencia y configuración de todo el sistema fotovoltaico.

Los parámetros fundamentales que afectarán a esta extrapolación de la Voc son: la temperatura mínima de la célula FV (ºC), que dependerá de la temperatura mínima ambiente que se tome como referencia (ºC) y la radiación global horizontal (W/m^2); y las características particulares del módulo FV, entre las que destacan para este cálculo: temperatura nominal de funcionamiento de la célula (ºC) (NOCT), tensión de circuito abierto en STC (V) (Voc), y el coeficiente de temperatura de Voc (%/ºC) que tiene valor negativo.

Existen diversidad de métodos para realizar este cálculo, muchos basados en métodos estadísticos que toman como base grandes lotes de información de bases de datos meteorológicas.

Con las correcciones debidamente calculadas, es posible prever cómo la tensión máxima de nuestro string aumentará considerablemente. Por seguir con el ejemplo anterior, si tenemos una Voc (STC) de 45V, al extrapolarse a las condiciones de instalación, podría aumentar hasta 47V. Esto significa que, para adecuarnos a las características del inversor (1500V), deberíamos reducir el número de módulos por string.

En este caso, si a priori pareciesen 37 módulos por string (realizando el cálculo con la Vmp), con estas nuevas consideraciones y correcciones, deberíamos reducirlo hasta 31 módulos. Es decir, debemos ajustar el número de módulos por string para garantizar que la tensión del sistema fotovoltaico esté dentro de los límites aceptables y seguros para su correcto funcionamiento.

Tras esta exposición, queda claro que a la hora de diseñar una planta de producción fotovoltaica es de gran trascendencia, además de seleccionar los equipos principales de manera adecuada, realizar un dimensionamiento del número de módulos por strings que conlleve un balance entre la optimización de CAPEX y la seguridad de la instalación

Vector Renewables, a través de su servicio de Ingeniería de la propiedad, verifica que el diseño de la planta sea tal que garantice la vida útil recogida en el contrato con la propiedad. También incluye entre sus servicios la comprobación y análisis de las plantas en operación de manera que se pueda valorar el estado general y ofrecer unas expectativas de vida útil realistas..