ES2577387A1 - Método y sistema para prevenir puntos calientes en un módulo fotovoltaico - Google Patents

Método y sistema para prevenir puntos calientes en un módulo fotovoltaico Download PDF

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Miguel Ángel EGIDO AGUILERA
Jorge SOLORZANO DEL MORAL
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Abstract

Método y sistema para prevenir puntos calientes en un módulo fotovoltaico.#La presente invención se refiere a un método y un sistema para prevenir puntos calientes en un módulo fotovoltaico de un generador fotovoltaico. La invención comprende: medir, mediante un sensor, al menos un parámetro de funcionamiento del módulo fotovoltaico; comparar, en un procesador, el parámetro de funcionamiento medido con un umbral preestablecido; y desplegar un material opaco en función de la comparación anterior, de forma que dicho material cubre al menos una parte del módulo fotovoltaico.

Description

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DESCRIPCION
Metodo y sistema para prevenir puntos calientes en un modulo fotovoltaico
Objeto de la invencion
La presente invencion tiene aplicacion en el sector tecnico de la ene^a fotovoltaica y los elementos asociados, como generadores, modulos y celulas fotovoltaicas. Mas espedficamente el objeto de la invencion se refiere a un metodo y sistema para la prevention de puntos calientes en modulos fotovoltaicos para preservar su correcto funcionamiento y garantizar asi un rendimiento apropiado y una vida util de las celulas fotovoltaicas lo mas larga posible, deshabilitando para ello las celulas afectadas en funcion de ciertos parametros de funcionamiento de las mismas.
Antecedentes de la invencion
Un generador fotovoltaico esta compuesto de una combination de modulos en serie y modulos en paralelo. Los modulos se agrupan primero en combinaciones en serie formando series de modulos, del ingles, strings. Si se alcanza el numero maximo de modulos en serie, definido por el voltaje maximo permitido en el sistema, se deben de agrupar varios strings en paralelo para alcanzar el numero total de modulos del sistema. Generalmente se intenta minimizar el numero de strings en paralelo para reducir la corriente del sistema y las perdidas del mismo.
La corriente que circula por los modulos de cada string debe ser la misma debido a su conexion en serie. Sin embargo, puede ocurrir que existan desequilibrios entre las corrientes que puede generar cada modulo o cada celula de cada modulo; debido estas a varias razones como: sombras, suciedades, iluminacion no homogenea, envejecimiento desigual, malos contactos e incluso una dispersion en los valores fisicos de cada celula fotovoltaica.
Ocasionalmente ocurre que una celula genera menos corriente que el resto de celulas de una conexion serie, debido a un sombreado parcial, dispersion de parametros, danos en la celula, etc.., con lo que la celula que genera menos corriente se polariza en inversa para poder generar la misma corriente que el resto pero a tension negativa. Esto implica que la
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celula esta disipando potencia, en vez de generarla, y, para ello, eleva considerablemente su temperatura, pudiendo llegar a tener consecuencias nefastas para la integridad del encapsulado y, por consiguiente, para el tiempo de vida util del modulo fotovoltaico. Este fenomeno, ampliamente conocido en el estado de la tecnica de los sistemas fotovoltaicos, es lo que da lugar a los "puntos calientes”.
^picamente, danos por puntos calientes ocurren cuando la potencia disipada se concentra en un area pequena de la celula cercana a un punto debil o, del ingles, shunt. Sin embargo, tambien puede ocurrir que la celula se caliente a temperaturas anormales, sin causar punto caliente, pero degradando la celula poco a poco. Con el tiempo esta celula no podra producir la misma corriente que el resto y trabajara siempre en polaridad inversa.
Con el fin de solventar la problematica planteada, son conocidas las configuraciones del estado del arte que utilizan diodos de paso para prevenir las corrientes de las celulas en polaridad inversa. Habitualmente, un modulo fotovoltaico es equipado con diodos de paso en paralelo con un grupo de celulas para minimizar la potencia disipada por las celulas que trabajan en polaridad inversa. A cada grupo de celulas con un diodo de paso en paralelo se le denomina sub-modulo. Por ejemplo, un modulo de 60 celulas con 3 diodos de paso esta compuesto de 3 sub-modulos de 20 celulas. Cuando el diodo de paso entra en modo de conduccion, polariza todo el grupo de celulas que protege y permite que la corriente del resto de los modulos no tenga que pasar por las celulas desequilibradas, pudiendo pasar por el diodo y reduciendo la disipacion de potencia de estas celulas.
Sin embargo, este metodo no es infalible y, aunque se reduce la potencia que debe disipar la celula desequilibrada, esta todavia tiene que disipar la potencia del resto de celulas no desequilibradas dentro del mismo diodo de paso, en vez de la de todo el generador. Debido a que el resto de celulas estan iluminadas, estas generan una corriente la cual tambien circula por la celula desequilibrada, estando esta polarizada en inversa. Esto causa que aun asi haya una disipacion de potencia por parte de la celula desequilibrada y, por tanto, un incremento de temperatura, lo que continua suponiendo un riesgo de aparicion de un punto caliente.
Otras soluciones del estado del arte han propuesto alternativas para afrontar este problema, como por ejemplo en la solicitud de patente estadounidense US2012/0261993, donde se
sustituyen los diodos de paso por una bateria en paralelo con las celulas fotovoltaicas. Sin
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embargo el uso de baterias es muy costoso y ademas aumenta en exceso el peso de los modulos fotovoltaicos.
La solicitud de patente estadounidense US2003/0159728 persigue el mismo proposito, pero esta vez anadiendo un interruptor que permite aislar las celulas afectadas del resto de celulas del modulo. La corriente del resto de bloques de celulas en serie se deriva por un diodo de paso. Aqu la celula afectada todavia estaria recibiendo luz y si esta conectada en paralelo con otras celulas existe todavia la posibilidad de que entre en polarizacion inversa y haya riesgo de punto caliente.
Segun lo expuesto anteriormente, las invenciones hasta ahora conocidas por el estado de la tecnica realizan la funcion del objeto de invention, pero de una manera que no es del todo fiable debido a que no logran garantizar por completo que las celulas afectadas no disipen nada de potencia, por lo que el riesgo de aparicion de puntos calientes en generadores fotovoltaicos aun no ha sido eliminado de una manera plenamente satisfactoria por las soluciones existentes en el estado del arte.
Description de la invencion
La presente invencion supera los inconvenientes senalados anteriormente y logra que las celulas afectadas no disipen nada de potencia, evitando por completo el riesgo de un punto caliente. Para ello, la presente invencion se refiere a un metodo para prevenir los puntos calientes en celulas fotovoltaicas de un modulo fotovoltaico de un generador fotovoltaico que comprende los siguientes pasos:
a) medir, mediante un sensor, al menos un parametro de funcionamiento del modulo fotovoltaico;
b) comparar, en un procesador, el parametro de funcionamiento medido en el paso a) con un umbral preestablecido;
c) desplegar un material opaco en funcion de la comparacion del paso b), de forma que dicho material cubre al menos una parte del modulo fotovoltaico.
De esta forma, la solution propuesta por la presente invencion cubre ventajosamente el bloque de celulas afectadas por riesgo de punto caliente de forma automatica. La corriente del resto de celulas en serie se puede derivar por un diodo de paso, sin embargo, en la presente invencion, al cubrir el bloque de celulas se evita que este reciba nada de radiation
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solar, lo que da como resultado una disipacion de potencia nula de las celulas afectadas y previene por tanto el riesgo de puntos calientes.
El umbral se determina preferentemente de forma que el modulo no se cubra cuando existan pequenas diferencias en los parametros de funcionamiento, si no que se cubra cuando exista una diferencia grande, como la que ocurre cuando una celula opera en polarizacion inversa.
Una de las realizaciones de la invention contempla la posibilidad de que el parametro de funcionamiento medido comprenda medir un voltaje entre los terminales de al menos un diodo de paso conectado al modulo fotovoltaico. Al hacer uso de diodos de paso y cubrir completamente un modulo o submodulo por considerar que puede haber una celula en polarizacion inversa reduciendo el voltaje de todo el submodulo, se consigue evitar que circule ninguna corriente por la parte tapada y, por tanto, por la celula polarizada en inversa. Asi se evita que en esa celula se pueda ocasionar un punto caliente cubriendo al menos un submodulo en cuanto se detecte un cierto voltaje inferior al umbral preestablecido. Se puede determinar asi, que una cierta celula ha sido polarizada en inversa, ya que el diodo de paso ha entrado en conduccion.
Un modulo fotovoltaico puede estar formado por uno o varios submodulos, los cuales a su vez pueden estar formados por varias celulas fotovoltaicas. En modulos de concentration cada celula tiene su propio diodo de paso, sin embargo en modulos convencionales puede haber, por ejemplo, 20 celulas por cada diodo de paso. Los diodos de paso, de acuerdo a una de las realizaciones de la invencion, se colocan conectando un numero igual de celulas para crear submodulos del mismo tamano.
Segun una de las realizaciones de la invencion, parte de un modulo, por ejemplo un submodulo, puede cubrirse con un material opaco para evitar ventajosamente que el resto de celulas del mismo submodulo que la celula afectada produzca corriente alguna y, por tanto, que la celula afectada disipe potencia. De esta forma se consigue que la celula afectada no se caliente debido a la disipacion de potencia y se evita asi la aparicion de puntos calientes.
Una de las realizaciones de la invencion contempla la posibilidad de que el parametro de
funcionamiento medido comprenda medir la temperatura de al menos una celula del modulo
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fotovoltaico. Asi se puede desplegar la cubierta o material opaco, cuando el valor de temperatura de alguna celula es superior al umbral preestablecido
Adicionalmente, una vez que el modulo fotovoltaico ha sido cubierto como resultado del paso c), donde un material opaco ha sido desplegado para evitar que al modulo le llegue radiacion solar alguna, se contempla la posibilidad de plegar de nuevo el material opaco, de forma que al menos una parte del modulo fotovoltaico se descubre, de acuerdo a un parametro de tiempo preestablecido. Por ejemplo, el procesador se puede configurar para que una vez detectado un fallo en algun submodulo y desplegado el material opaco, dejar cubierto el modulo hasta el final del dia y solo destaparlo una vez llegada la noche. Si al amanecer del dia siguiente los parametros de funcionamiento revelan que el fallo persiste, se volveria a cubrir.
Los medios para plegar periodicamente el material opaco que forma la cubierta del modulo pueden comprender un interruptor y un temporizador que permite el plegado automatico sin necesidad de que intervenga un operador.
Alternativamente, una de las realizaciones de la invention contempla utilizar la production del generador fotovoltaico como senal para plegar el material opaco. Cuando este deja de inyectar potencia significa que ya no hay casi radiacion solar y que ha llegado la noche. Por tanto, en este momento se puede plegar el material opaco o cubierta que cubre el modulo o las partes del modulo afectadas.
Una de las realizaciones de la invencion contempla la posibilidad de, una vez que el modulo fotovoltaico ha sido cubierto como resultado del paso c), donde un material opaco ha sido desplegado para evitar que al modulo le llegue radiacion solar alguna, plegar de nuevo el material periodicamente y realizar nuevas mediciones de los parametros de funcionamiento, compararlas con el umbral preestablecido y mantener el material opaco plegado, descubriendo asi el modulo fotovoltaico, en el caso de que los parametros de funcionamiento hayan revertido su situation respecto al umbral preestablecido. Esta particularidad permite reducir el tiempo que el modulo afectado esta cubierto.
Un segundo aspecto de la invencion se refiere a un sistema para prevenir puntos calientes en un modulo fotovoltaico de un generador fotovoltaico que comprende:
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- al menos un sensor para medir al menos un parametro de funcionamiento del modulo fotovoltaico;
- medios para cubrir al menos una parte del modulo fotovoltaico;
- un procesador configurado para comparar el parametro de funcionamiento medido con un umbral preestablecido y para desplegar los medios para cubrir al menos una parte del modulo fotovoltaico en funcion de la comparacion realizada.
De acuerdo a una de las realizaciones de la invention, se contempla que el sistema ademas comprenda al menos un diodo de paso conectado al modulo fotovoltaico; y unos medidores de tension que miden la tension entre los terminales del al menos un diodo de paso.
Opcionalmente, una de las realizaciones de la invencion puede incluir un medidor de temperatura que mide la temperatura de al menos una celula del modulo fotovoltaico.
Los medios para cubrir al menos una parte del modulo fotovoltaico pueden comprender, segun una de las realizaciones de la invencion, los siguientes elementos:
- un material opaco y desplegable que puede cubrir en parte o totalmente el modulo fotovoltaico;
- un eje rotatorio donde se enrolla el material opaco;
- un primer motor conectado al eje rotatorio y que hace rotar dicho eje plegando o desplegando el material opaco sobre al menos una parte del modulo fotovoltaico.
La alimentation del motor, de acuerdo a diferentes realizaciones de la invencion, puede proveerse desde el propio generador fotovoltaico o desde una fuente de energia propia, como una bateria, o conectarse directamente a la red electrica.
En una de las realizaciones de la invencion, el material opaco o cubierta es un material semi-rigido similar a una persiana convencional.
Adicionalmente, el sistema de la presente invencion puede comprender un rail por el que desliza el material opaco durante el plegado o desplegado.
En una de las realizaciones se contempla la posibilidad de incorporar un segundo motor al
sistema de la presente invencion, dicho segundo motor esta conectado al material opaco de
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forma que al ser activado tira del material opaco durante el desplegado del mismo. De esta forma refuerza y facilita el trabajo del primer motor y asegura un funcionamiento mas eficaz en el desplegado del material opaco.
El procesador se puede configurar para activar el primer y/o el segundo motor para desplegar el material opaco.
Se contempla la posibilidad, en una de las realizaciones de la invention, de incluir una carcasa acoplada al modulo fotovoltaico que en su interior aloja el resto de componentes, donde dicha carcasa tiene una abertura por la que el material opaco puede desplegarse.
Otro aspecto de la invencion se refiere a un generador fotovoltaico con una pluralidad de modulos, conectados en serie o en paralelo, donde cada uno de los modulos comprende un sistema de acuerdo a cualquiera de las realizaciones de la invencion anteriormente descritas.
Otro aspecto de la invencion se refiere a un modulo fotovoltaico que comprende uno o mas sistemas de acuerdo a cualquiera de las realizaciones de la invencion anteriormente descritas.
Un ultimo aspecto de la invencion se refiere a un programa informatico caracterizado por que comprende medios de codigo de programa adaptados para realizar las etapas del procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, cuando dicho programa se ejecuta en un procesador de proposito general, un procesador de senal digital, una FPGA, un ASIC, un microprocesador, un microcontrolador, o cualquier otra forma de hardware programable.
Asi pues, de acuerdo con la invencion descrita, la solution que la presente invencion propone constituye un avance en los metodos y sistemas de protection de celulas y modulos fotovoltaicos hasta ahora utilizados, y resuelve de manera plenamente satisfactoria la problematica anteriormente expuesta, en la lmea de prevenir la aparicion de puntos calientes, lo cual se realiza de manera sencilla, con la consiguiente mejora en el rendimiento de los modulos fotovoltaicos y su vida util, con la consiguiente reduccion de costes y todo ello a traves de un diseno sencillo y de facil implantation por la industria.
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Descripcion de los dibujos
Para complementar la descripcion que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracteristicas del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realization practica del mismo, se acompana como parte integrante de dicha descripcion, un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- Muestra una vista frontal de un modulo fotovoltaico configurado de acuerdo a una de las realizaciones de la invencion.
La figura 2.- Muestra una vista lateral donde puede verse en detalle los elementos interiores de la carcasa acoplada a un modulo fotovoltaico, de acuerdo a una de las realizaciones de la invencion.
Realizacion preferente de la invencion
A la vista de la figura 1 puede observarse como en una de las posibles realizaciones de la invencion, el metodo y sistema de prevention de puntos calientes propuesto parte de un modulo fotovoltaico (1) compuesto por 60 celulas en serie (2) y tres diodos de paso (5), uno por cada 20 celulas. Esta configuration solo es un ejemplo y se podrian elegir otras configuraciones con mas o menos celulas en serie o paralelo y mas o menos diodos de paso. Continuando con este ejemplo, el modulo fotovoltaico esta compuesto entonces por tres sub-modulos de veinte celulas cada uno. Este modulo esta conectado mediante sus terminales positivo (4) y negativo (3) a otros modulos del mismo o de diferente tipo, no representados en la figura, para asi formar un generador fotovoltaico.
La presente invencion cuenta con sensores para medir al menos un parametro de funcionamiento del modulo fotovoltaico. De acuerdo a la realizacion mostrada en la figura 1 y de la cual puede apreciarse tambien una vista lateral en la figura 2, los sensores comprenden unos medidores de voltaje (8) en los terminales de cada diodo de paso (5) y una carcasa (6) que alberga el resto de componentes. Una de las alternativas contempla sustituir los medidores de voltaje en los bornes del diodo por medidores de temperatura cada celula fotovoltaica. El sistema aumenta asi la precision, pero esta implementation
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eleva tambien los costes de fabrication.
Preferentemente, tal y como se muestra en las figuras, a cada submodulo fotovoltaico se le asocia un sistema de acuerdo a la invention descrita, pero tambien es posible, de acuerdo a otras realizaciones, asociar un solo sistema anti puntos calientes por cada modulo o incluso por cada varios modulos.
En la figura 2 puede verse con mayor detalle el interior de la carcasa (6) donde se aloja un microprocesador (9), un motor (11), un interruptor del motor (10), un eje tubular (12) y un material opaco (7).
El microprocesador (9) recibe continuamente los valores de voltaje de cada submodulo, medido por los medidores de voltaje, y los compara con un umbral preestablecido. Si el voltaje de alguno de los submodulos es inferior al umbral, debido por ejemplo a una o varias celulas sombreadas, se activa el motor que hace rotar el eje y se despliega el material opaco que se encuentra enrollado, cubriendo asi todo el sub-modulo y evitando que circule corriente por las celulas de ese submodulo. Como se ha descrito anteriormente, esto evita que se pueda crear un punto caliente en ese sub-modulo.
El umbral puede establecerse por ejemplo en 0V, indicando asi que el diodo de paso (5) esta en conduction y alguna celula ha entrado en polarization inversa, con el consiguiente riesgo de producirse un punto caliente.
Una vez que el material opaco (7) ha sido desplegado y cubre totalmente el sub-modulo afectado, toda la corriente del resto de sub-modulos en serie circulars solamente por el diodo de paso (5) y se evitara el riesgo de punto caliente. En esta situation el submodulo se elimina del sistema y deja de producir potencia.
Mientras el material opaco esta cubriendo un submodulo, no se sabe si la condition que ha ocasionado un parametro de funcionamiento anomalo, por ejemplo una sombra, ya ha desaparecido. Es por ello que es necesario descubrir el sub-modulo periodicamente para llevar a cabo esta comprobacion. El microprocesador (9) esta por tanto programado para accionar el motor periodicamente y que se recoja el material opaco. Es tambien posible que esta funcion se lleve a cabo al final del dia para empezar al dia siguiente con todos los sub- modulos descubiertos.
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Como ya se ha explicado anteriormente al cubrir un submodulo con un material opaco se evita el riesgo de punto caliente en las celulas que componen el modulo, preservando la vida de las mismas entre otras ventajas.

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    REIVINDICACIONES
    1. - Un metodo para prevenir puntos calientes en un modulo fotovoltaico de un generador fotovoltaico que comprende los siguientes pasos:
    a) medir, mediante un sensor, al menos un parametro de funcionamiento del modulo fotovoltaico;
    b) comparar, en un procesador, el parametro de funcionamiento medido en el paso a) con un umbral preestablecido;
    c) desplegar un material opaco en funcion de la comparacion del paso b), de forma que dicho material cubre al menos una parte del modulo fotovoltaico.
  2. 2. - Metodo de acuerdo a la reivindicacion anterior donde medir al menos un parametro de funcionamiento comprende medir un voltaje entre los terminales de al menos un diodo de paso conectado al modulo fotovoltaico.
  3. 3. - Metodo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde medir al menos un parametro de funcionamiento comprende medir la temperatura de al menos una celula del modulo fotovoltaico.
  4. 4. - Metodo de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde al menos una parte del modulo fotovoltaico esta cubierta como resultado del paso c), que ademas comprende plegar el material opaco de forma que al menos una parte del modulo fotovoltaico se descubre, de acuerdo a un parametro de tiempo preestablecido.
  5. 5. - Un sistema para prevenir puntos calientes en un modulo fotovoltaico de un generador fotovoltaico que comprende:
    - al menos un sensor para medir al menos un parametro de funcionamiento del modulo fotovoltaico;
    - medios para cubrir al menos una parte del modulo fotovoltaico;
    - un procesador configurado para comparar el parametro de funcionamiento medido con un umbral preestablecido y para desplegar los medios para cubrir al menos una parte del modulo fotovoltaico en funcion de la comparacion realizada.
  6. 6. - Sistema de acuerdo a la reivindicacion anterior que ademas comprende:
    - al menos un diodo de paso conectado al modulo fotovoltaico; y
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    - el al menos un sensor comprende unos medidores de tension que miden la tension entre los terminales del al menos un diodo de paso.
  7. 7. - Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores 5-6 donde el al menos un sensor comprende un medidor de temperatura que mide la temperatura de al menos una celula del modulo fotovoltaico.
  8. 8. - Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores 5-7 donde los medios para cubrir al menos una parte del modulo fotovoltaico comprenden:
    - un material opaco y desplegable que puede cubrir en parte o totalmente el modulo fotovoltaico;
    - un eje rotatorio donde se enrolla el material opaco;
    - un primer motor conectado al eje rotatorio y que hace rotar dicho eje plegando o desplegando el material opaco sobre al menos una parte del modulo fotovoltaico.
  9. 9. - Sistema de acuerdo a la reivindicacion 8 que ademas comprende un rail por el que desliza el material opaco durante el plegado o desplegado.
  10. 10. - Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 8-9 que ademas comprende un segundo motor, conectado al material opaco, que tira del material opaco durante el desplegado.
  11. 11. - Sistema de acuerdo a cualquier de las reivindicaciones anteriores 8-10 donde el procesador esta ademas configurado para activar el primer y/o el segundo motor para desplegar el material opaco.
  12. 12. - Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores 5-11 que ademas comprende una carcasa acoplada al modulo fotovoltaico que en su interior aloja el resto de componentes, donde dicha carcasa tiene una abertura por la que el material opaco puede desplegarse.
  13. 13. - Un generador fotovoltaico con una pluralidad de modulos, conectados en serie o en paralelo, donde cada uno de los modulos comprende un sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores 5-12.
  14. 14. - Un modulo fotovoltaico que comprende uno mas sistemas de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores 5-13.
  15. 15. - Programa informatico caracterizado por que comprende medios de codigo de programa 5 adaptados para realizar las etapas del procedimiento segun cualquiera de las
    reivindicaciones 1 a 4, cuando dicho programa se ejecuta en un procesador de proposito general, un procesador de senal digital, una FPGA, un ASIC, un microprocesador, un microcontrolador, o cualquier otra forma de hardware programable.
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