Pérdidas de sombra en sistemas fotovoltaicos y técnicas para mitigarlas

El uso de sistemas fotovoltaicos se ha popularizado por su capacidad de generar electricidad aprovechando la energía del sol, una fuente inagotable y limpia. Sin embargo, estos sistemas no están exentos de problemas. Hoy nos sumergimos en una problemática particular: las pérdidas de energía derivadas de la sombra en los sistemas solares fotovoltaicos y cómo mitigarlas.

¿Qué son las pérdidas por sombra en un Sistema fotovoltaico?

Aunque pueda parecer intuitivo pensar que una sombra que cubre parcialmente un panel solar reducirá su rendimiento de forma proporcional, la realidad es más complicada y las consecuencias, más graves.

Imaginemos que cada célula solar es un eslabón en una cadena: si una célula (eslabón) es afectada por la sombra, toda la cadena se ve afectada. De hecho, Gil Masters de la Universidad de Stanford afirma que sombrear solamente 1 de las 36 células de un módulo solar puede disminuir su rendimiento total hasta en un sorprendente 75%.

Las fuentes de sombra son variadas e incluyen objetos cercanos (como edificios, árboles o antenas), sombra auto-producida por filas de paneles solares adyacentes y sombra del horizonte creada por el terreno circundante.

Impacto de las sombras en la generación de energía solar

Pensemos en las células solares y su conexión como en un sistema de tuberías por donde fluye agua (en este caso, corriente eléctrica). Si hay un “tapón” o “obstrucción” (la sombra) en un punto, la corriente que puede pasar por todo el sistema se ve reducida. La consecuencia es que una pequeña sombra puede provocar una pérdida de energía mucho mayor de lo que podría preverse.

Estrategias para reducir las pérdidas por sombras.

1. Diseño de Conexión de los Módulos.

Al conectar módulos en serie se forman “strings” o cadenas, y estas pueden ser conectadas en paralelo a un inversor. Si un módulo de una cadena es afectado por sombra, toda la cadena se ve perjudicada.

Pero, una cadena sombreada no afecta a las demás que están conectadas en paralelo. Agrupando módulos que recibirán sombra en cadenas separadas se puede optimizar la energía generada.

2. Uso de Diodos de Bypass.

Los diodos de bypass permiten que la corriente eléctrica “salte” las partes sombreadas de un módulo solar, disminuyendo las pérdidas de energía, aunque también implica perder la entrada de las células solares que se «saltan». A menudo, para contener costes, un módulo solar tendrá solo tres diodos de bypass, agrupando las células en tres cadenas en serie.

3. Electrónica de potencia a nivel de módulo (MLPE)

Las MLPE, como los optimizadores de corriente continua y los microinversores, se suman a módulos individuales y pueden mejorar el rendimiento bajo condiciones de sombra, ya que permiten que cada módulo opere de forma independiente del resto.

• Optimizadores DC: Ajustan la tensión y la corriente para mantener la potencia máxima, sin comprometer el rendimiento de otros módulos.
• Microinversores: Estos dispositivos pequeños convierten la corriente de cada panel de DC a corriente alterna (AC) independientemente, permitiendo que cada panel funcione en su punto de máxima potencia sin afectar a los demás.

Comparando técnicas ante la sombra

Utilizando una herramienta de simulación de diseño instalaciones solares, comparamos el rendimiento de diferentes sistemas fotovoltaicos bajo condiciones de sombra similares. Aunque las configuraciones exactas pueden no ser las más prácticas o ideales, sirven para ilustrar la diferencia en rendimiento entre distintas topologías de sistemas en condiciones de sombra.

Resultados

La simulación mostró que el uso de MLPEs puede aumentar la producción del sistema en un 17,3% anualmente en condiciones de sombra. Tanto los microinversores como los optimizadores DC presentan rendimientos similares, aunque pueden haber pequeñas diferencias debido a variaciones en sus eficiencias.

El camino hacia la optimización de la energía solar pasa, indudablemente, por entender y mitigar los desafíos como las pérdidas por sombra. Implementar estrategias efectivas y tecnología avanzada asegura que aprovechemos al máximo cada rayo de sol, acercándonos un paso más a un futuro más sostenible y energéticamente eficiente.