El seguimiento global del punto de máxima potencia (MPPT) se refiere a la capacidad de un inversor de barrer periódicamente toda la curva de corriente-tensión (IV) de un campo solar para encontrar el punto de funcionamiento en el que el campo produce la máxima potencia. Esta funcionalidad, junto con los diodos de derivación en el interior de los paneles solares, puede tener un impacto significativo en la producción de energía para las instalaciones bajo sombreado parcial. Este artículo cubre los conceptos de MPPT global y diodos de bypass y explica cómo Aurora implementa estas características.
Diodos de derivación
En los diseños de inversores en cadena, el módulo capaz de producir la menor cantidad de corriente -debido al sombreado, la suciedad o una irradiancia generalmente menor- limita la corriente de toda la cadena. Esto se debe a que los módulos conectados en serie deben transportar la misma cantidad de corriente, y si un módulo no puede producir tanta corriente como otro, entonces la corriente de la cadena no puede ser superior a la que puede producir el módulo más débil. Esto hace que los módulos "más fuertes" se alejen de sus puntos de máxima potencia, lo que resulta en menos energía total de la que son capaces de producir de forma aislada.
Para mitigarlo, muchos fabricantes de módulos integran diodos de derivación Para explicar cómo funciona esto, examinemos primero cómo funcionarían los diodos de derivación si se aplicaran a nivel de módulo; una vez comprendido el concepto básico, lo aplicaremos a cómo funcionan los diodos de derivación cuando se conectan a nivel de submódulo. Considere la Fig. 1, donde un único diodo de derivación se coloca en paralelo con cada módulo de una cadena. Si sólo un módulo está sombreado, su diodo paralelo permite puentear el módulo puenteado de modo que la corriente más alta de los módulos no sombreados pueda fluir sin ser derribada por el módulo sombreado. El módulo más débil está efectivamente en cortocircuito. Esto da lugar con frecuencia a una mayor potencia de salida del conjunto; como ejemplo, considere un caso en el que nueve de cada diez módulos son capaces de producir 8 A de corriente a una tensión de 32,5 V, pero uno de los diez módulos está sombreado y sólo puede producir 1 A aproximadamente a la misma tensión. Si no se puentea el módulo débil, entonces la potencia de salida total es de aproximadamente 10 * 32,5 V * 1 A = 325 W, porque toda la cadena se ve obligada a funcionar a la corriente más baja (tenga en cuenta que esto supone que los módulos sin sombreado siguen funcionando a 32,5 V; en realidad funcionarán más cerca de su tensión de circuito abierto). Si, por el contrario, podemos puentear el módulo sombreado, entonces la potencia de salida total pasa a ser de 9*32,5 V*8 A = 2.340 W, excluyendo la pequeña pérdida de potencia debida a la caída de tensión del diodo. Este es claramente un caso en el que queremos puentear el módulo sombreado y operar a una corriente más alta.
Fig. 1: Ilustración de diodos de derivación en paralelo con cada módulo de una cadena. El terminal positivo del diodo (ánodo) se conecta al terminal negativo del módulo, y el terminal negativo del diodo (cátodo) se conecta al terminal positivo del módulo.
MPPT global
Las curvas de corriente-tensión (IV) y de potencia-tensión (PV) del panel solar en condiciones de sombra reflejan todos los puntos de funcionamiento posibles (en nuestro caso sencillo, corriente baja y corriente alta). La fig. 2 muestra un ejemplo de ello, en el que se encuentra un punto de máxima potencia "global" cuando el conjunto funciona con una corriente más alta y una tensión más baja (≈22 V), y en el que se encuentra un punto de máxima potencia "local" cuando el conjunto funciona con una corriente más baja y una tensión más alta (≈38 V); el primero se produce cuando el diodo de derivación del módulo sombreado está "activado" y el segundo se produce cuando el diodo de derivación del módulo sombreado no está transportando ninguna corriente. Ajustando la tensión de funcionamiento de la cadena, el inversor puede decidir en qué punto debe funcionar.
Fig. 2: (izquierda) curva IV (azul) y PV (roja) de un campo solar sin sombreado; (derecha) curva IV (azul) y PV (roja) de un campo solar con sombreado, donde la activación de los diodos de derivación da lugar a múltiples puntos de funcionamiento posibles. Fuente de la imagen: Digikey
No todos los inversores que realizan el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) son capaces de buscar en toda la curva IV para encontrar el punto de funcionamiento que dé como resultado la mayor potencia posible, en el que algunos módulos pueden quedar obviados. Algunos inversores se limitan a buscar únicamente el punto de máxima potencia en una región local en la que "normalmente" se encuentra, que suele ser la solución de alta tensión en la que no se puentea ningún módulo y, como resultado, este "punto de máxima potencia" no es potencialmente el óptimo global que da como resultado la mayor potencia de salida posible. La mayoría de los inversores residenciales modernos son capaces de realizar un seguimiento global del punto de máxima potencia porque el sombreado debido a árboles y obstrucciones es habitual y esperado; los grandes inversores comerciales para montajes en suelo, sin embargo, pueden no tener esta funcionalidad porque generalmente se asume que no hay mucho sombreado.
La base de datos de componentes de Aurora se ha actualizado para reflejar qué inversores son capaces de escanear la curva IV para encontrar la mayor potencia de salida posible. Cuando ejecute una simulación de rendimiento de Aurora con un inversor que disponga de la función "MPPT global" (Fig. 3), Aurora localizará un punto de potencia máxima global en el que los módulos más débiles podrán ser puenteados. Si se puentea un módulo, Aurora modela una caída de tensión típica de 0,7 V por diodo de puenteo, en función de la corriente que pase por el diodo. Los módulos de la base de datos de componentes de Aurora también se han actualizado para incluir información sobre cuántos diodos de derivación están integrados en un mismo módulo; si un módulo contiene tres diodos de derivación y acaba siendo derivado, habrá en consecuencia una caída de tensión de 2,1 V a través del módulo. La caída de tensión del diodo multiplicada por la corriente de la cadena es la pérdida de potencia asociada a la activación del diodo de derivación. Esta pérdida de potencia se tiene en cuenta automáticamente en la estimación del rendimiento de Aurora. No se tiene en cuenta la eficiencia del MPPT a la hora de encontrar el punto de máxima potencia global, que incluye cuánto tiempo pasa el MPPT buscando la máxima potencia y no operando realmente allí. Si el inversor admite el seguimiento "global" del punto de máxima potencia, se supone que el inversor funciona en el punto de máxima potencia global durante todo el paso de simulación de una hora.
Fig. 3: Ejemplo de un inversor en la base de datos de componentes de Aurora con funcionalidad "MPPT global".
Por el momento, sólo los inversores proporcionados en la base de datos de componentes de Aurora con funcionalidad MPPT global podrán simular diodos de derivación. No podrá simular MPPT global con componentes personalizados.
Impacto en la producción de energía
- En los lugares con mucha sombra por obstáculos, árboles y edificios, es probable que un inversor con funcionalidad MPPT global obtenga una mayor producción total que un inversor que no disponga de esta funcionalidad. Los emplazamientos sin sombreado no tendrán por lo general un rendimiento diferente, independientemente de que el inversor disponga o no de seguimiento de la potencia máxima global, porque sin sombreado no hay motivo para puentear los módulos.
- En algunos casos, nunca es óptimo que se activen los diodos de derivación. Si, por ejemplo, una cadena en un diseño con muchas cadenas paralelas está sombreada, entonces bajar el voltaje de la cadena sombreada puenteando módulos baja el voltaje en todas las cadenas paralelas, porque las cadenas paralelas deben tener el mismo voltaje. Esto saca de hecho a las cadenas "buenas" de sus puntos de máxima potencia y podría dar como resultado una potencia de salida total menor que en el escenario en el que no se puentean los módulos sombreados.
- En raras ocasiones, puede encontrar una mayor producción global si no simula los diodos de derivación o si utiliza un inversor sin seguimiento global del punto de máxima potencia. Esto se debe a que es posible que los inversores -tanto en el mundo real como en la simulación- se atasquen en regiones con un máximo local en la curva potencia-tensión.
- Los diodos de derivación no sustituyen a la electrónica de potencia a nivel de módulo, como los optimizadores de CC o los microinversores. En el mejor de los casos, un diodo de derivación anulará efectivamente la contribución de potencia de un módulo. Sin embargo, un optimizador de CC o un microinversor seguirán cosechando toda la energía posible de un módulo sombreado sin afectar a los puntos de funcionamiento de otros módulos de su diseño.