Tecnología de células PERC y módulos solares de media célula

Cómo el aumento de la eficiencia y el diseño de la célula producen un mayor rendimiento del regulador de carga

Los módulos fotovoltaicos mejoran continuamente gracias a los esfuerzos de I+D+i que contribuyen a aumentar la eficiencia y a reducir los costes. La industria recoge directamente estos beneficios cada año. De vez en cuando, un cambio tecnológico da un paso más grande y significativo del que merece la pena tomar nota.

Uno de esos cambios fue la introducción de la tecnología de células pasivas y traseras (PERC), que aumentó significativamente la corriente y el voltaje de las células, y, en efecto, el voltaje máximo del módulo. Además, ha habido una gran afluencia de módulos de media célula en el mercado. Estos módulos de media célula incluyen una innovadora disposición de las células que puede proporcionar un rendimiento aún mayor que el de los módulos tradicionales de célula completa.

Con una mirada centrada en cómo la electrónica de potencia solar puede aprovechar estos cambios, podemos tomar decisiones más inteligentes sobre el tamaño del sistema y aprovechar estos nuevos desarrollos de forma más eficaz en los sistemas solares sin conexión a la red, donde cada vatio es importante.

¿En qué se diferencian los nuevos módulos fotovoltaicos PERC?

Los módulos de media célula han vuelto a aparecer

La tecnología de células fotovoltaicas PERC se ha convertido rápidamente en la tecnología de células dominante en el mercado.

Muchos fabricantes también ofrecen estos módulos PERC en una configuración de media célula. A diferencia de los módulos pequeños que utilizan medias células para conseguir un factor de forma global más pequeño y satisfacer las necesidades de baja potencia del mercado, estas nuevas configuraciones tienen el mismo tamaño que los módulos de células enteras, pero contienen el doble para conseguir la misma potencia, pero con algunas ventajas únicas. A continuación se muestran las nuevas configuraciones relativas configuraciones:

  • 36 células enteras ~ 72 medias células
  • 60 células enteras ~ 120 medias células
  • 72 células completas ~ 144 medias células

Los módulos de media célula tienen eficiencias ligeramente superiores debido a la menor corriente en cada célula y tienen mayores que los módulos de célula completa.

Además de estas nuevas configuraciones de células, las tensiones Vmp y Voc de los módulos PERC son entre un 5 y un 15% más altas que las de los módulos tradicionales. que la de los módulos tradicionales. La tabla 1 muestra una comparación de las tensiones nominales entre los módulos tradicionales tradicionales y los nuevos módulos PERC en condiciones de prueba estándar.

Sombreado parcial: ventajas de la disposición de los módulos de media célula

El sombreado parcial de los módulos solares siempre ha sido una de las principales preocupaciones de los sistemas solares fotovoltaicos. En los sistemas sin conexión a la red es especialmente importante conseguir la mayor carga posible para mantener las cargas y prolongar la vida útil de la batería. Aquí es donde el uso de módulos de media célula puede realmente marcar la diferencia.

  • Las medias células tienen el mismo voltaje que las células completas pero el 50% de la
    corriente.
  • Los módulos están formados por 2 cadenas paralelas de medias celdas, lo que es
    similar a 2 módulos conectados en paralelo
  • El sombreado de un lado del panel sólo afecta al 50% de la corriente del módulo, lo que permite que el módulo funcione con toda la tensión con al menos el 50% de la corriente.
  • Los módulos de media célula parcialmente sombreados pueden proporcionar suficiente tensión para soportar los controladores de carga en los casos en que los módulos de células completas no lo hacen.
  • Un controlador MPPT puede permitir la corriente completa con una menor tensión con algunos diodos de derivación activados dentro de los límites.
  • Se puede obtener un mejor seguimiento del MPPT con módulos de media célula con niveles de tensión del conjunto más altos.

El sombreado parcial con un módulo de células enteras actúa como un cuello de botella limitando la corriente de todo el panel. Con un sombreado parcial, el módulo de media célula puede seguir funcionando con toda la tensión y al menos el 50% de la la corriente del módulo de la mitad no sombreada del panel. Esto puede Esto puede ser mucho mejor que si el sombreado parcial afecta al 100% de la corriente.

Como demuestran estos puntos, la capacidad de los módulos de media célula para funcionar a plena tensión y con al menos la mitad de la corriente puede suponer una diferencia significativa al permitir una mayor carga cuando hay un sombreado parcial. Esta potencia adicional puede ser fundamental para los sistemas que pueden tener un sombreado parcial que dure más tiempo.

¿Cómo afecta esto al dimensionamiento de las matrices con los reguladores solares?

Cumplir con los requisitos de tensión de un campo fotovoltaico es una de las consideraciones más importantes a la hora de calcular el tamaño de las cadenas. La tensión nominal de los nuevos módulos PERC, entre un 5 y un 15% superior, puede tener un gran efecto en esto.

  • Los módulos PERC de 36 y 72 células tienen una tensión nominal superior a la que se consideraba el estándar con los módulos de tensión nominal tradicionales en el pasado.
  • Los valores nominales de tensión de los módulos PERC de 60 células son ahora sólo unos pocos voltios más bajos que los de los módulos tradicionales de 72 células.

Módulos PERC de "tensión nominal" de 36 y 72 células

Una de las ventajas de utilizar controladores MPPT en lugar de controladores PWM es el "MPPT Boost": la potencia extra que se consigue al operar a la tensión de máxima potencia (Vmp) en comparación con un controlador PWM que opera en el rango de funcionamiento de la tensión de la batería más baja.

  • Los módulos PERC de 36 y 72 celdas pueden seguir utilizándose a la tensión nominal con un equivalente de coincidencia tensión de la batería equivalente de 12V o 24V respectivamente, tanto con controladores PWM como MPPT.
  • Las ganancias de MPPT Boost son ahora aún más significativas en comparación con un controlador PWM.
    • MPPT Boost frente a PWM es de ~5-30% con los módulos tradicionales.
    • MPPT Boost frente a PWM es de ~15-55% con módulos PERC.

Aunque es posible utilizar controladores PWM con los nuevos módulos PERC de 36 y 72 celdas, el aumento de MPPT asociado a los módulos PERC hace que los controladores MPPT sean aún más atractivos económicamente que antes. Los gráficos que siguen ilustran el aumento adicional de MPPT que se obtiene con los nuevos de los nuevos módulos en comparación con los más antiguos.

Los gráficos anteriores representan un módulo tradicional que funciona a su tensión nominal Vmp. Se puede ver que la potencia mostrada a la tensión Vmp de 18V alcanzada por un controlador de carga MPPT es mayor que la generada por un controlador PWM con un rango de tensión operativa de 10-15V.

La figura anterior ilustra el rendimiento de un nuevo módulo fotovoltaico PERC que funciona a su tensión Vmp nominal de 21 voltios.

El aumento del MPPT con estos nuevos modelos PERC de 36 y 72 células es significativamente mayor que lo que hemos visto antes. El gráfico de voltaje versus potencia mostrado aquí tiene un voltaje MPPT más alto de 21V comparado con los 18V de los gráficos anteriores. Con estos voltajes más altos, el aumento del MPPT será aproximadamente del 15 al 55%, lo que supone una ganancia significativa respecto a los módulos tradicionales. Cuanto mayor sea el valor Vmp, mayor será el aumento del MPPT.

Dimensionamiento de matrices con los nuevos módulos PERC de 60 células

Como se indica en el consejo técnico de Morningstar sobre el dimensionamiento de los módulos fotovoltaicos de 60 celdas, los módulos tradicionales de 60 celdas no están bien adaptados para cumplir con los requisitos de la matriz de tensión nominal para los controladores PWM. Esto se debe a que la tensión Vmp puede bajar demasiado con temperaturas más altas de las células fotovoltaicas, causando un rendimiento marginal e impidiendo que la batería se cargue completamente. Algunos clientes pueden verse tentados a considerar el uso de módulos PERC de 60 células en lugar de los de 72 células en sistemas de tamaño nominal, especialmente con controladores PWM. Hay que extremar la precaución y ser consciente de las posibles consecuencias antes de decidirse a utilizar un módulo PERC de 60 células con un controlador PWM.

Los siguientes factores reducen el riesgo de un rendimiento marginal al dimensionar un sistema PWM de 24V o 48V con módulos PERC de 60 celdas:

  • Valores nominales de Vmp más altos.
  • Tensiones máximas de regulación más bajas; para baterías selladas, AGM o GEL; no para baterías inundadas.
  • Climas con temperaturas medias máximas más bajas.
  • Sistemas que despliegan baterías de litio que pueden tolerar períodos prolongados en un estado de carga parcial.

La siguiente figura muestra los gráficos de las curvas de IV y de potencia de un módulo PERC de 60 células que funciona a su tensión Vmp nominal de 33 voltios. La tensión Vmp no es mucho más alta que la tensión de funcionamiento más alta del controlador PWM. Cuando el voltaje del módulo se reduce debido a las altas temperaturas, el Vmp del conjunto puede caer por debajo de los puntos de ajuste de voltaje requeridos por el controlador y la carga puede detenerse temporalmente durante este período.

El voltaje insuficiente será más un problema con los controladores MPPT. En este gráfico se puede ver que la tensión Vmp más baja da lugar a un refuerzo de MPPT muy escaso o nulo. Además, los controladores MPPT son convertidores DC-DC Buck y requieren tensiones de entrada ligeramente más altas que los controladores PWM para que se produzca la carga, lo que aumenta el riesgo de un rendimiento marginal en condiciones más cálidas.

De acuerdo con las recomendaciones anteriores, se recomienda utilizar módulos PERC de 60 celdas con controladores MPPT siempre que haya suficientes módulos en serie para cargar completamente el banco de baterías:

  • Para los bancos de baterías de 24V, esto significa que se necesitan al menos dos módulos de 60 celdas en serie.
  • Para bancos de baterías de 48 V, significa que se necesitan tres o más módulos en serie.

Conclusiones

En resumen, la tecnología de celdas PERC, con sus nuevas opciones de configuración de celdas, proporciona más voltaje a controladores de carga para aumentar en gran medida la cosecha de energía. Esto proporciona más ganancias globales en los sistemas de seguimiento del punto de máxima potencia y proporciona a los controladores PWM una mayor tensión de entrada para mejorar su rendimiento de carga en condiciones de calor. Power Point Tracking y proporciona a los controladores PWM una mayor tensión de entrada para mejorar su rendimiento de carga en temperaturas elevadas. Además, los módulos de mayor número de células, con su diseño "dos en uno", mitigan el impacto de las sombras parciales, por lo que los módulos pueden seguir proporcionando la mayor parte de su potencia nominal durante estas condiciones. Esperamos que esta visión general de la tecnología, y los ejemplos de dimensionamiento que hemos incluido, le ayuden a aprovechar las ventajas de la tecnología PERC en sus diseños de sistemas sin conexión a la red.

Fuente: "PERC Cell Technology & Half Cell Solar Modules: How Efficiency Gains and Cell Layout Yield Greater Charge Controller Output", whitepaper de Morningstar