lunes, 10 de octubre de 2016

Panel Solar Fotovoltaico ( FV ) y temperatura. - 3º envio -

Fotografías de archivo Zugar de instalación solar FV aislada en Toledo



Panel Solar Fotovoltaico ( FV ) y temperatura.

Saludos
     
Es frecuente oír a un cliente decir que obtiene mas energía en Marzo o Abril que en Agosto y los clientes de bombeo solar directo asegurar que en Marzo y Abril tienen mas presión en el riego que en Julio o Agosto.
Pues nada mas lejos de la realidad.
No solo es posible, de hecho es así.
¿ Pero si en verano hay mas Sol, como da menos un panel que " funciona " con el Sol ?
Esto es motivado por un factor que solo esta presente en verano, mayor temperatura ambiente, y en consecuencia mayor temperatura de las células de silicio, que componen el panel, y este mismo en su conjunto.
Estas diferencias de producción se aprecian en países o lugares donde hay grandes diferencias de temperatura según que época del año.

En España es muy notorio el efecto mientras que en la bella ciudad de Cartagena de Indias, Colombia, no lo es debido a su climatología con temperatura anual estable.



Hay varios valores en las características eléctricas de un modulo fotovoltaico que se ven afectados y que sufren variación con la temperatura, pero dos de esos valores nos importan especialmente por que van a influir en el diseño de la instalación o aplicación.
La tensión de salida en circuito abierto ( Voc ) y la potencia nominal del modulo ( Wp ).

Los fabricantes de paneles nos dan estos valores para una determinada condición, llamada  STC ( Standard Test Conditions ), de temperatura en célula, insolación y " rareza " o contaminación del aire ( Masa del Aire, Air Mass, AM o distribución espectral ).
Los valores para la condición estándar de test ( STC ) son 25 ºC para la temperatura, 1.000 w/m2 para la insolación y Masa espectral AM 1.5 para la atmósfera.

Nota: AM 1.5 corresponde a un día claro con luz solar incidiendo sobre una superficie con 41,81 º de inclinación sobre la horizontal, condición en los equinoccios de primavera y otoño en la parte mas continental de los Estados Unidos, EEUU, donde se espera sobre una célula patrón de 6 " ( la habitual de 15,2 x 15,2 cm usada en los módulos ) y con rendimiento o eficiencia de un 16 % obtener 4,4 w.

Otro valor que nos proporciona el fabricante es la Temperatura de Operación Nominal de la Celula o TONC ( NOTC en ingles ) que es la temperatura que alcanza la célula ( 45 ºC con tolerancia de + - 2 ºC ) cuando incide sobre ella una radiación de 800 w/m2 con AM 1.5, temperatura ambiente de 20 ºC y 1 m/s velocidad del viento.

Añadir que cuando medimos la temperatura en el modulo lo hacemos en su superficie pero las células situadas en su interior están a mayor temperatura, superando los 20 ºC con respecto a la superficie. Esta formulita nos indica cuanto mas alta esta la temperatura en la célula por encima de la temperatura ambiente    Δtº = 0,034 x I - 4    donde I es la insolación en W/m2.
Este factor depende de la velocidad del viento ya que a mayor velocidad el modulo se mantiene mas frió y a menor velocidad, o ausencia de viento, la temperatura alcanza valores mas altos.


Datos de un modulo monocristalino de   235 Wp / 24 V  de la marca Solarworld  ( gráfica bajada de la red )






















Volviendo a los valores que nos afectan:
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Voc:
La variación o desplazamiento de tensión en circuito abierto con la temperatura oscila en valores de  entre  - 0,33 % / ºC  y  - 0,37 % / ºC, valor denominado coeficiente de voltaje o Beta ( β ).

La tensión en circuito abierto ( Voc ) evoluciona según la formula resumida:

Voltaje a una temperatura dada =
Voc  x [  1 - (  coeficiente voltaje    ( 25 - ( temperatura de trabajo ) ) ]
                              100

Esto es que ha mas temperatura menor Voc y a menor temperatura mayor Voc.
Este dato es muy importante, y repito, muy importante, en determinadas configuraciones de diseño.
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Wp:
La potencia pico o máxima potencia del panel proporcionada por el fabricante en condiciones STC sufre variación o desplazamiento con valores comprendidos entre
- 0,42 % / ºC  y  - 0,44 % / ºC  para silicio policristalino  y  - 0,45 % / ºC  a  -0,48 % / ºC 
para silicio monocristalino ( para este ultimo habitualmente  - 0,47  y  - 0,48 ). Estos valores representan el coeficiente de potencia, coeficiente Pmax. o Gamma ( γ ).

La potencia del modulo ( Wp ) evoluciona según la formula resumida:

Potencia a una temperatura dada =
Pmax  x  [ 1 - (  coeficiente P max.   x  ( 25 - ( temperatura de trabajo ) ) ]
                               100

Esto es que a mayor temperatura menos Wp y a menor temperatura mas Wp.
Generalmente se redondea para cálculos rápidos a - 0,5 % / ºC para ambos silicios, es decir
que perdemos un 0,5 % de potencia de panel por cada ºC que sube la temperatura.
Este dato es importante, aunque menos peligroso que Voc, en determinadas configuraciones de diseño.
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Isc: Aunque la Intensidad de cortocircuito ( Isc ) aumenta al subir la temperatura lo hace en un valor tan bajo, sobre  0,060 % / ºC, que no lo tendremos en cuenta. Este valor prácticamente no difiere de un silicio a otro, es similar para ambos, policristal y monocristal. Este coeficiente se denomina coeficiente de corriente o Alfa ( α ).
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Eficiencia y FF:
Tanto la eficiencia ( rendimiento ) como el factor de llenado hacen relación en la célula a su capacidad de conversión de la insolación recibida ( irradiancia ) y la energía útil proporcionada en sus electrodos conectados a un circuito eléctrico funcional, según las formulas simplificadas ...

Eficiencia ( η )  =                          Pmax                     
                          W/m2  x  Superficie de celula en m2


Factor de llenado =      Pmax     
                              Voc  x  Isc

No obstante la variación en el rendimiento es causa directa de la temperatura sobre los parámetros inicialmente mencionados Voc y Pmax.
Eficiencia y factor de llenado los tendremos en cuenta en determinadas aplicaciones, que se verán mas adelante, pero a nivel electrónico no resultan perjudiciales.
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Es cierto que la temperatura varia a lo largo del día y con ello el rendimiento esto se refleja en que para una determinada potencia pico instalada el rendimiento anual del silicio policristalino sera algo mayor, que la misma potencia pico con silicio monocristalino, debido a que el primero, el policristalino, tolera mejor la temperatura, es decir tiene un coeficiente menor de temperatura como ya hemos visto.


  

                Curva Tensión - corriente para diferentes temperaturas  y  Curvas de los valores para condición STC y NOTC
                                  Estas curvas han sido bajadas de la red  ( la  proporcionan los fabricantes de paneles )              
                                                                                
Aun hay algo mas.
Tal como hemos expuesto a lo largo del texto la temperatura afecta la tensión que proporciona la célula y con ello al panel ya que este es un grupo de células.
La tensión del panel depende del numero de células serie que lo configuran ( 30, 36, 60 y 72 habitualmente ).
Como ejemplo para cargar correctamente una batería de 12 v. son necesarios entre 13,8 y 16 VDC ( depende de la temperatura del electrolito y la fase de carga en que se encuentre ) siendo un valor normal de final de carga 14,4 para reguladores paralelo y 14,8 para reguladores serie.
Al asunto, y resumiendo, un panel de 36 células podría hacerlo, cargar una batería de 12 V, y con dos en serie, cargaríamos correctamente una batería de 24 v, al igual que con un panel de 72 células en serie ( OJO hay paneles de 72 células que son dos grupos serie de 36 células y a su vez en paralelo ).
Sin embargo el panel de 60 células podría cargar la batería de 12 v con el regulador adecuado pero ... quedando justo a 25 ºC, no conseguiría una carga adecuada a mayor temperatura sobre batería de 24 v, salvo montajes en serie de mas módulos.
Es decir el panel de 60 células usado en instalaciones aisladas no debería emplearse en zonas cálidas.
Recuerdo el antiguo panel de Isofoton de 94 wp que en el norte peninsular " funcionaba " en la zona centro se " defendía ", según épocas, pero en la zona Sur y Extremadura no cumplía con las expectativas dejando la batería con baja densidad.
Lo mismo ocurría con los denominados paneles autorregulados que no necesitaban regulador, buen argumento comercial para vendernos un panel mas caro que de fabricación cuesta menos al llevar menos material ( células y empaque asociado ).
Veremos esto con mas detalle en otro post.

                                                    G.F.H. ( 3 )