La energía solar es una fuente de energía renovable cada vez más popular en todo el entorno. Los paneles solares son dispositivos que convierten la luz solar en electricidad utilizable. Al considerar la eficiencia y el rendimiento de los paneles solares, es importante comprender la relación entre el voltaje del panel solar y la irradiancia solar.
¿Cómo afecta la irradiancia al voltaje del panel solar?
La temperatura y la irradiancia son factores influyentes en el rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos (PV), que afectan principalmente el voltaje de salida y la corriente de salida de los dispositivos PV. Los sistemas de PV suelen funcionar bajo diferentes temperaturas e irradiancias. Sin embargo, las especificaciones del módulo suelen definirse en condiciones de prueba estándar (STC: irradiancia de 1 kW/m2, espectro de masa de aire 5G y temperatura del módulo de 25 °C, (IEC 60904-3, 2016)). Se han discutido varios tipos de modelos matemáticos sobre las dependencias de temperatura e irradiancia de las características corriente-voltaje (curvas I-V) y los parámetros de rendimiento de los módulos de PV hasta ahora (Cuce et al., 2017, Cuce y Cuce, 2012, Achouby et al., 2018, Wang et al., 2011, Zaimi et al., 2018, Zaimi et al., 2019). Propusieron nuevos modelos de las curvas I-V, extrajeron los parámetros de rendimiento de las curvas experimentales mediante el uso de los modelos y predijeron las curvas I-V y la potencia máxima (P max) bajo diferentes condiciones de temperatura e irradiancia. También se propusieron modelos para extraer parámetros de diodo basados en las especificaciones de la hoja de datos y predecir las dependencias de temperatura e irradiancia de los dispositivos PV (Drouiche et al., 2018, Ma et al., 2014, Sera et al., 2007). También se estudió el análisis de ecuaciones de traducción mediante el ajuste numérico de los parámetros basado en numerosos datos al aire libre (Anderson, 1996, Batzelis, 2017, King et al., 2016, King, 1996, King et al., 1997, King et al., 2004, Whitaker et al., 1997).
Durante las operaciones de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) de los sistemas de PV, solo se pueden medir la corriente en el punto de máxima potencia (I mp) y el voltaje en el punto de máxima potencia (V mp). Dado que el I mp y el V mp dependen de la temperatura del módulo e irradiancia, son necesarias ecuaciones de traducción para caracterizar el rendimiento de los dispositivos PV bajo la operación MPPT. Estudios anteriores (Würfel, 2005; Sze y Ng, 2006, Wenham et al., 2006, IEC 60891, 2009, Hishikawa et al., 2018, Kasu et al., 2018) discutieron el I mp y el V mp, basado en los resultados experimentales de la curva I-V. También se describe un estándar IEC (IEC 60891, 2009) los procedimientos de traducción de la curva I-V para irradiancia y temperatura. Sin embargo, requiere un conjunto de curvas I-V bajo diferentes irradiancias (G) manteniendo la temperatura (T) y bajo diferentes T manteniendo G para calcular los parámetros de corrección. También requieren curvas I-V experimentales y coeficientes de temperatura (TC) de la corriente de cortocircuito (I sc), el voltaje de circuito abierto (V oc) y otros factores de corrección. Recientemente, Hishikawa et al., 2018 propusieron una fórmula novedosa para la traducción de temperatura. Propuso el TC de las curvas I-V de los dispositivos PV como una función de la temperatura y el voltaje basado en el modelo de diodo único.
También ha habido muchos estudios de I mp y V mp basados en numerosos experimentos (Batzelis, 2017, Achouby et al., 2018, Zaimi et al., 2019, Anderson, 1996, Whitaker et al., 1997, King et al., 2016, King, 1996, King et al., 1997, King et al., 2004, Wang et al., 2011, Moser et al., 2014, Cuce et al., 2013, King y Eckert, 1996). El I mp generalmente se expresa como una función cuasi-bilineal de la temperatura del módulo y la irradiancia solar (Zaimi et al., 2019). Algunos de ellos discutieron el TC del I mp y V mp basado en ecuaciones empíricas. Por ejemplo, Moser et al., 2014, discutieron el TC del I mp y V mp para varias tecnologías de PV basadas en datos in situ. Por lo general, requerían muchos datos para derivar empíricamente el TC para cada módulo PV o cada sistema PV. Recientemente, se propuso una metodología llamada método Suns-Vmp (Sun et al., 2018, Sun et al., 2018b), que permitió el monitoreo y diagnóstico de la degradación del sistema PV solo utilizando los valores en el punto de máxima potencia (MPP). Requería información de la hoja de datos para los valores iniciales y también tenía que extraer parámetros del diodo mediante ajuste numérico para evaluar su rendimiento.
Este estudio investigó analítica y experimentalmente las expresiones para las dependencias de temperatura e irradiancia de I mp y V mp de dispositivos de PV de silicio cristalino comercial, que no necesitan ajuste de parámetros. También se investigaron nuevas fórmulas para la corrección de temperatura de los datos experimentales de V mp. La novedad del presente estudio es que las fórmulas no requieren información previa de TC, parámetros de diodo o los parámetros de la curva I-V. Los resultados conducen a la traducción de I mp y V mp con mayor precisión, que se pueden utilizar para el análisis de la potencia máxima a partir de los datos de monitoreo.
¿Cuál es la relación entre la irradiancia solar y la potencia de salida?
El rendimiento de un sistema fotovoltaico no solo depende de la eficiencia de los módulos solares, sino también de otros factores, como la irradiancia solar. La irradiancia solar se refiere a la cantidad de radiación solar que llega a la superficie de los paneles solares. Cuanta más radiación solar incida sobre los paneles solares, mayor será la potencia generada por el sistema.
Mejorar la eficiencia de los módulos solares es solo una forma de extraer más energía del sistema. Sin embargo, lo que importa en última instancia es el rendimiento energético del sistema fotovoltaico a nivel de sistema. Entonces, la pregunta es: ¿Qué podemos hacer a nivel de sistema para aumentar el rendimiento de los sistemas fotovoltaicos?
Además del material semiconductor utilizado en los módulos solares, solo hay dos partes que desempeñan un papel en la mejora del rendimiento de un sistema fotovoltaico: la parte eléctrica y la parte mecánica. La parte eléctrica se encarga de rastrear el punto de máxima potencia (MPP), que es una herramienta para garantizar que el módulo solar funcione en el MPP en su curva I-V bajo un conjunto dado de irradiancia y temperatura. Esta unidad no es algo que un diseñador pueda optimizar o cambiar para mejorar el rendimiento durante la fase de diseño de un sistema fotovoltaico. La otra parte es la parte mecánica del sistema fotovoltaico que realmente se puede optimizar por el diseñador para mejorar la cantidad de luz que incide sobre una matriz fotovoltaica.
La forma más sencilla de maximizar la utilidad solar se realiza cambiando físicamente la orientación y el ángulo de inclinación del módulo. Como resultado, vemos la necesidad de rastrear el sol utilizando un sistema de seguimiento mecánico. La irradiancia solar afecta la salida de los paneles solares. A medida que aumenta la irradiancia, los paneles solares generan más corriente y, como resultado, generan más potencia. Esto se debe a que la mayor cantidad de radiación solar proporciona más energía para que los electrones se muevan en los paneles solares y generen electricidad.
La relación entre la irradiancia y la corriente y potencia de los módulos solares se puede expresar mediante la siguiente ecuación:
G1/G2 = I2/I1 = P2/P1
Donde G1 y G2 son las irradiancias (en W/m2), I1 e I2 son las corrientes correspondientes de los módulos (en A) y P1 y P2 son la potencia resultante cuando cambia la irradiancia (en W).
¿Cómo afecta el ángulo de inclinación a la salida de los paneles solares?
El ángulo de inclinación de los paneles solares también juega un papel importante en la producción de energía de un sistema fotovoltaico. El ángulo de inclinación se refiere al ángulo de inclinación de los paneles solares con respecto a la superficie horizontal.
Un ángulo de inclinación óptimo puede permitir que los paneles solares capturen la máxima cantidad de radiación solar durante todo el año. En general, un ángulo de inclinación más bajo ayuda a mejorar la producción en los meses de verano, mientras que los ángulos de inclinación más altos favorecen las condiciones de baja irradiancia en los meses de invierno. Los diseñadores deben tener en cuenta el costo del hardware de montaje, que se puede minimizar mediante un ángulo de inclinación más bajo y también minimizar el riesgo de daños por viento a la matriz. Para encontrar el ángulo de inclinación óptimo, los diseñadores pueden utilizar herramientas desarrolladas por organizaciones como el NREL (National Renewable Energy Laboratory), que pueden calcular la producción de energía anual de una matriz fotovoltaica dada una inclinación y orientación específicas.
La relación entre el voltaje del panel solar y la irradiancia solar es importante para comprender cómo afecta la cantidad de radiación solar a la salida de los paneles solares. A medida que aumenta la irradiancia, los paneles solares generan más corriente y potencia. Además, el ángulo de inclinación de los paneles solares también puede afectar la cantidad de radiación solar que capturan y, por lo tanto, la producción de energía del sistema fotovoltaico. Al comprender estas relaciones, los diseñadores y propietarios de sistemas solares pueden optimizar el rendimiento y la producción de energía de sus instalaciones.
Consultas habituales
- ¿Cuál es la relación entre el voltaje del panel solar y la irradiancia solar?
- ¿Cómo afecta el ángulo de inclinación de los paneles solares a la producción de energía?
- ¿Cómo se calcula la potencia de salida de un sistema fotovoltaico?
A medida que aumenta la irradiancia solar, el voltaje del panel solar también tiende a aumentar.
El ángulo de inclinación de los paneles solares puede afectar la cantidad de radiación solar que capturan y, por lo tanto, la producción de energía del sistema fotovoltaico. Un ángulo de inclinación óptimo puede permitir que los paneles solares capturen la máxima cantidad de radiación solar durante todo el año.
La potencia de salida de un sistema fotovoltaico se calcula multiplicando el voltaje y la corriente generados por los paneles solares.
Comprender la relación entre el voltaje del panel solar y la irradiancia solar es fundamental para optimizar el rendimiento y la producción de energía de los sistemas fotovoltaicos. Al tener en cuenta la irradiancia solar y el ángulo de inclinación de los paneles solares, los diseñadores y propietarios de sistemas solares pueden maximizar la eficiencia y la generación de energía de sus instalaciones.