Célula, módulo y curva I-V

Diagrama

La curva I-V

Qué mueve la curva

flowchart LR
  G["Más irradiancia"] --> GI["Sube la corriente<br/>casi en proporción"]
  G --> GV["La tensión sube muy poco"]
  T["Más temperatura"] --> TV["Baja la tensión<br/>≈ −0,25 a −0,30 %/°C"]
  T --> TI["La corriente sube muy poco"]
  TV --> TP["Baja la potencia<br/>≈ −0,3 a −0,4 %/°C"]

Explicación

La célula

Una célula fotovoltaica es una lámina de silicio con una unión PN, la misma estructura que un diodo. Cuando la luz llega a la unión, libera electrones y aparece una tensión entre las dos caras. Si se cierra el circuito, circula corriente: es el efecto fotovoltaico. Una célula produce corriente continua.

• En circuito abierto, una célula de silicio da unos 0,6–0,7 V, sea del tamaño que sea.
• La corriente depende del tamaño de la célula y de la luz que recibe.

Tipos de célula:

Del módulo a la ficha técnica

Un módulo une las células en serie para sumar tensión: 60 o 72 células enteras, o 120, 132 o 144 medias células (half-cut). Las capas son vidrio templado, encapsulante, células, encapsulante, lámina trasera y marco de aluminio. Detrás va la caja de conexiones con los diodos de bypass y los cables con conectores rápidos.

Los datos que hay que saber leer en la ficha de un módulo:

Además, la ficha da dos garantías: la de producto y la de potencia. La potencia baja con los años (degradación), del orden de medio punto al año en módulos de calidad; la ficha indica cuánto garantiza el fabricante a 25 o 30 años.

La curva I-V

Si se conecta al módulo una carga variable, de cortocircuito a circuito abierto, y se mide la tensión y la corriente, sale la curva I-V:

• Cortocircuito (V = 0): corriente máxima, Isc. Potencia cero.
• Circuito abierto (I = 0): tensión máxima, Voc. Potencia cero.
• Entre medias, la corriente se mantiene casi constante hasta el codo de la curva, y a partir de ahí cae rápido.
• El punto de máxima potencia (MPP) está en el codo: es el par $V_{mp}$, $I_{mp}$ que hace máximo el producto $V \cdot I$.

El factor de forma mide lo «cuadrada» que es la curva:

$FF = \frac{V_{mp} \cdot I_{mp}}{V_{oc} \cdot I_{sc}}$

En módulos actuales está en torno a 0,78–0,82. Un factor de forma bajo indica pérdidas internas: células dañadas, malas soldaduras o resistencia de conexiones.

El punto de trabajo lo elige la carga. Por eso el inversor tiene un seguidor del punto de máxima potencia (MPPT): va ajustando la tensión del string para quedarse siempre en el codo, aunque cambien la luz y la temperatura.

Efecto de la irradiancia

• La corriente es casi proporcional a la irradiancia: con 500 W/m², la mitad que con 1000 W/m².
• La tensión apenas cambia: sube un poco con más luz. Por eso, a primera hora de la mañana o con nubes, el módulo ya tiene casi toda su tensión aunque dé poca corriente.

Efecto de la temperatura

• La tensión baja al calentarse la célula: el coeficiente β de la Voc está en torno a −0,25 a −0,30 %/°C.
• La corriente sube un poco: α en torno a +0,04–0,05 %/°C.
• El efecto neto es que la potencia baja: γ en torno a −0,3 a −0,4 %/°C.

Para corregir un valor de la ficha a otra temperatura de célula:

$X(T) = X_{STC} \cdot \left[1 + c\,(T - 25)\right]$

con $c$ el coeficiente correspondiente (β, α o γ) en tanto por uno.

Esto es clave para dimensionar los strings: en invierno, con la célula fría, la Voc sube. Es la tensión máxima que verá el inversor, y no la de la ficha.

Sombras, puntos calientes y diodos de bypass

Si una célula queda en sombra, deja de generar y, como está en serie con las demás, frena la corriente de todo su grupo. Peor aún, la empujan a funcionar al revés: disipa la energía de sus vecinas y se calienta. Es un punto caliente, que con el tiempo puede quemar la lámina trasera.

Para evitarlo, el módulo lleva diodos de bypass en la caja de conexiones, normalmente 3. Cada uno puentea un grupo de células: si una de ellas se sombrea, el diodo conduce y ese grupo deja de producir, pero el resto del módulo y del string sigue trabajando. Un tercio del módulo perdido es mucho mejor que el módulo entero.

Los módulos de medias células dividen además cada grupo en dos mitades en paralelo (superior e inferior), así que toleran mejor las sombras que entran por un borde.

Módulos bifaciales

Captan luz también por la cara trasera, a través de un vidrio posterior. Ganan algo de producción si el suelo de debajo es claro y están separados de él, por ejemplo en estructura sobre cubierta plana o en suelo. Pegados a un tejado de teja apenas aprovechan esa ventaja.

Fórmulas

Qué dice el REBT

En la práctica

Para practicar

• Test: Test · Fotovoltaica
• Flashcards: Flashcards · Fotovoltaica
• Casos prácticos: CP19 · La curva de un módulo en invierno y en verano
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