Fundamentos de Celdas y Paneles Solares: Conexiones y Rendimiento Eléctrico

El Factor de Forma (FF) en Celdas Solares

El factor de forma (FF) de una celda es el cociente entre la potencia máxima (Pmax) y el producto de la intensidad de cortocircuito (Isc) por la tensión de circuito abierto (Voc). Se trata de una magnitud adimensional, es decir, que no tiene unidades.

El FF equivale al cociente entre las áreas del cuadrado azul y el cuadrado amarillo (base x altura). Es fácil ver que este cociente siempre será menor a la unidad, ya que el área amarilla (denominador) es mayor que el área azul (numerador).

Puesto que ambas áreas solo serán iguales en el caso de que la celda sea ideal, podemos considerar el FF como un parámetro que nos indica la calidad de la celda (cuanto más se aproxime a la unidad, mejor será).

Módulos Fotovoltaicos (Paneles Solares)

Una celda típica de unos 100 cm² suministra aproximadamente una tensión Vmpp = 0,5 V y una corriente Impp = 3 A, es decir, una Potencia Máxima Pmax = 0,5 x 3 = 1,5 W. Esta es una cantidad muy pequeña para la mayor parte de aplicaciones, por lo tanto, se agrupan varias celdas fotovoltaicas en una unidad. Adicionalmente, el panel proporciona un soporte físico y una protección a las celdas.

Conexión Serie de Celdas

Al agrupar las celdas en serie, la tensión de la agrupación es la suma de las tensiones de cada celda. La intensidad de la agrupación es igual a la intensidad de cada celda.

• Vp = Ns * Vc
• Ip = Ic
• Pp = Vp * Ip = Ns * Vc * Ic = Ns * Pc

Conexión en Paralelo de Celdas

Al agrupar las celdas en paralelo, la tensión de la agrupación es igual a la tensión de cada celda. La intensidad de la agrupación es la suma de las intensidades de cada celda.

• Ip = Np * Ic
• Vp = Vc
• Pp = Vp * Ip = Np * Ic * Vc = Np * Pc

Conexión Mixta de Celdas

Por lo general, los paneles comerciales contienen varias ramas en paralelo, teniendo cada rama un número variable de celdas en serie.

• Ip = Np * Ic
• Vp = Ns * Vc
• Pp = Vp * Ip = Np * Ic * Ns * Vc = Np * Ns * Pc

Comportamiento Eléctrico de un Panel Fotovoltaico

A todos los efectos, podemos asumir en este curso que un panel se comporta eléctricamente como la suma de las celdas que lo componen. Se pueden definir las curvas I-V (Intensidad-Tensión) y P-V (Potencia-Tensión).

Cualquier tensión del panel se relacionará con la de una celda a través del parámetro Ns (número de celdas en serie). Cualquier intensidad del panel se relacionará con la de una celda a través del parámetro Np (número de ramas en paralelo). Cualquier potencia del panel se relacionará con la de una celda a través del parámetro Ns * Np (número total de celdas).

• Vcop (Tensión de circuito abierto del panel) = Ns * Voc
• Iscp (Intensidad de cortocircuito del panel) = Np * Isc
• Pmaxp (Potencia máxima del panel) = Ns * Np * Pmaxc
• Vmppp (Tensión en el punto de máxima potencia del panel) = Ns * Vmppc
• Imppp (Intensidad en el punto de máxima potencia del panel) = Np * Imppc

Tensión Nominal de un Panel

Puede ser de 12, 24 o 48 V.

¿Cómo reconocerla en los datos del fabricante?

Nos fijamos en Vmppp. Cogemos de los tres posibles valores (12, 24, 48 V) el más pequeño que sea superado por Vmppp.

Potencia de Pico (Pmax)

Es la potencia máxima suministrada por el panel en condiciones estándar de medida (STC).

Tolerancia de Fabricación

Los fabricantes no producen todos los paneles exactamente iguales. En el catálogo garantizan que la potencia de pico (máxima) se encuentra dentro de una determinada tolerancia respecto al valor nominal del catálogo.

Generador Fotovoltaico

Habitualmente, un único panel no es suficiente para satisfacer las demandas energéticas de una instalación. Es por ello que, en la práctica, se requiere combinar cierto número de paneles conectados en serie y en paralelo.

Comportamiento Eléctrico de un Generador Fotovoltaico

Vamos a suponer las mismas hipótesis que en el caso celda-panel. Supondremos que todos los generadores estarán formados por:

• Paneles del mismo modelo.
• Ramas en paralelo donde cada rama tiene el mismo número de paneles en serie.
• Mismas condiciones de temperatura e irradiancia.
• Mismas magnitudes eléctricas (todos producen lo mismo).

Conexión Serie de Paneles en un Generador

Magnitudes del generador (g) y magnitudes del panel (p):

• Vg = Ns * Vp
• Ig = Ip
• Pg = Vg * Ig = Ns * Vp * Ip = Ns * Pp

Conexión en Paralelo de Paneles en un Generador

• Ig = Np * Ip
• Vg = Vp
• Pg = Vg * Ig = Np * Ip * Vp = Np * Pp

Conexión Mixta de Paneles en un Generador

• Ig = Np * Ip
• Vg = Ns * Vp
• Pg = Vg * Ig = Np * Ip * Ns * Vp = Ns * Np * Pp