Efecto del sombreado en los paneles solares fotovoltaicos

¿Qué es el efecto de sombreado en paneles solares fotovoltaicos?

Si por alguna razón la luz solar no ilumina de manera homogénea a todas las celdas de un panel solar, la potencia eléctrica que este genera cae de manera dramática. Esta caída en la generación de potencia eléctrica debido al bloqueo parcial de la luz solar es lo que se conoce como efecto de sombreado, y ocurre en todos los paneles solares fotovoltaicos comerciales.

Parece una especie de defecto de fabricación de los paneles solares fotovoltaicos, pero si por alguna razón una sombra se llega a proyectar sobre una pequeña área o bloquea la luz sobre unas pocas celdas del panel, de manera inmediata se reduce la potencia que generan. Esta reducción puede ir desde un 30 % hasta el 100 % de la energía que producen.

Para evitar las pérdidas en la generación de energía eléctrica por el efecto de sombreado, lo que debemos hacer es garantizar que a lo largo de todo el año la luz solar siempre ilumina la totalidad de nuestros paneles solares fotovoltaicos. Para ello, durante la instalación se deben tomar muy en cuenta los árboles y malezas en torno a nuestras instalaciones, así como tomar en cuenta las grandes estructuras que puedan proyectar algún tipo de sombra de manera recurrente sobre nuestros sistemas solares fotovoltaicos. La mejor manera de garantizar que dichas estructuras u objetos no generarán problemas de sombreado sobre nuestros sistemas solares fotovoltaicos es calculando el analema solar para nuestra ubicación.

Condiciones óptimas de funcionamiento de un panel solar fotovoltaico

Los paneles solares fotovoltaicos son excelentes dispositivos para generar potencia eléctrica a partir de la luz solar. Sin embargo, las condiciones en las que operan deben ser las óptimas en todo momento para poder garantizar el correcto funcionamiento y una larga vida útil para estos equipos.

Las condiciones ideales de operación de un panel solar fotovoltaico son relativamente fáciles de conseguir en cualquier instalación. Lo primero que se debe garantizar es que la luz solar siempre ingrese lo más perpendicular posible a la superficie del panel fotovoltaico. Esto se logra, en promedio a lo largo de todo una año, haciendo que la inclinación del panel fotovoltaico en el eje norte-sur coincida con la latitud del lugar en donde están ubicados. La segunda condición es que la luz solar siempre ilumine completamente y lo más uniforme posible a todo el panel fotovoltaico. Si por alguna razón, se proyecta algún tipo de sombra o se bloquea la luz solar en unas pocas celdas, la cantidad de energía que produce el panel se reduce drásticamente, y se comienza a hacer daño permanente al sistema, lo que trae como consecuencia que se acorte su vida útil.

Pero, es importante entender que el efecto de sombreado ocurre solo cuando la iluminación no es uniforme sobre todo el panel solar fotovoltaico. Sí se proyecta una sombra que es uniforme sobre toda el área del panel, entonces la reducción de potencia se debe a la caída de la intensidad de la iluminación y no al efecto de sombreado. En estas condiciones los paneles solares fotovoltaicos no están sufriendo daño alguno. Por supuesto, en sistemas solares fotovoltaicos con varios paneles solares, si se llega a proyectar una sombra sobre uno o varios de esos paneles solares, aunque dicha sombra cubra completamente a esos pocos paneles, el sistema como un todo verá su generación de potencia reducida por el efecto del sombreado. Es decir, todos los paneles solares fotovoltaicos que generan la potencia eléctrica deben recibir en todo momento la misma cantidad de luz solar de manera uniforme, porque si no ocurre así, verán su capacidad de generar potencia eléctrica reducida por el efecto de sombreado y se estará generando un daño permanente al sistema.

¿Por qué los paneles solares fotovoltaicos dejan de producir energía cuando se proyecta una sombra sobre ellos?

El efecto de sombreado de los paneles solares fotovoltaicos no se debe a los defectos de fabricación, sino que surge como consecuencia de las limitaciones que se imponen al conectar múltiples fuentes en serie o paralelo para generar potencia eléctrica.

Cuando se tiene un único dispositivo para generar la potencia eléctrica de un sistema, hay muy pocas probabilidades de que surjan problemas o discordancias que afecten la generación de voltaje o corriente de dicha fuente, más allá de la que pueda introducir la carga que se intenta alimentar con ese generador. Pero, si intentamos conectar más de una fuente para alimentar una carga eléctrica, entonces debemos garantizar que ambas fuentes tienen exactamente las mismas características eléctricas si van a ser conectadas en serie o en paralelo. Lo ideal es que ambas fuentes sean exactamente iguales de tal manera que aun cuando se conecten en serie o paralelo, una fuente no alterará el funcionamiento de la otra. Si conectamos dos fuentes con diferentes voltajes en serie, lograremos subir el voltaje que generan la fuentes, y estas trabajarán adecuadamente siempre y cuando la corriente eléctrica que generan ambas fuentes sea exactamente la misma. Si la corriente no es exactamente la misma cuando están conectadas en serie, entonces una fuente comenzará a realizar trabajo sobre la otra fuente, porque al estar conectadas en serie ambas deben tener la misma corriente, lo que obliga a la fuente que produce menos corriente a producir más corriente de la que puede, y a la fuente que es capaz de producir mayor corriente a reducir la cantidad de corriente que es capaz de producir, bajando de esta manera la potencia neta que son capaces de producir ambas fuentes por separado.

Algo similiar ocurre en el caso de que conectemos nuestras fuentes en paralelo. Al conectar las fuentes en paralelo ambas deben ser capaces de generar exactamente el mismo voltaje, porque sino una fuente terminará haciendo trabajo sobre la otra, disminuyendo la potencia neta que producen juntas en comparación con la que producirían por separado.

En el caso de los paneles solares fotovoltaicos, esta situación de conectar generadores de potencia eléctrica en serie o paralelo se ve multiplicado en la mayoría de los casos por ciento o miles de generadores, dependiendo del diseño de los paneles solares fotovoltaicos. Esto es relativamente fácil de comprender si entendemos qué son las celdas, módulos o paneles solares fotovoltaicos.

El diseño del módulo fotovoltaico

Una vez que hemos entendido que un módulo fotovoltaico es la conexión en serie de varias celdas para obtener un voltaje nominal de trabajo, entonces podemos hacer un análisis del impacto del efecto de sombreado en la generación de potencia eléctrica de nuestros sistemas.

Por ejemplo, para ensamblar un módulo fotovoltaico con un voltaje nominal de 12 voltios se suelen utilizar 36 celdas solares fotovoltaicas de silicio monocristalino. En este caso, cada celda suele generar una corriente eléctrica que es proporcional al área de la celda, y una tensión que está en el orden de los 0,6 voltios sí las celdas están siendo iluminadas completamente con luz solar. Todas y cada una de esas celdas están generando esa potencia eléctrica porque cada una de ellas está siendo iluminada con la misma intensidad e irradiancia de luz. Pero, si una sombra se proyecta sobre cualesquiera de esas celdas, entonces habrá una reducción del voltaje y/o corriente que dichas celdas producen. Como todas las celdas están conectadas en serie, es obligatorio que a través de todas ellas circule exactamente la misma corriente, pero como consecuencia del sombreado, las celdas que si están siendo iluminadas producen una corriente que es mucho mayor que la corriente que están produciendo las celdas que están siendo sombreadas. Esto crea discrepancias entre múltiples fuentes generadoras de potencia que están conectadas en serie, y en este caso, unas celdas comenzarán a hacer trabajo sobre las otras, trayendo como consecuencia el daño o destrucción de esas celdas.

Para evitar dañar las celdas que están siendo sombreadas, los diseñadores agrupan las celdas en diferentes configuraciones de serie y paralelo, y agregan diodos de bypass y de bloqueo para sacar de producción aquellos grupos de celdas que están siendo sombreadas. No existe un estándar industrial para la configuración de dichos módulos, lo cual trae como consecuencia que paneles solares fotovoltaicos de distintos modelos y/o fabricantes tengan diferentes respuestas a los patrones de sombreado sobre dichos paneles solares fotovoltaicos.

Conclusiones

Las condiciones óptimas de trabajo de un panel solar fotovoltaico se cumplen cuando dichos paneles están siendo iluminados de manera homgénea y completa sobre toda su superficie con la misma intensidad e irradiancia. Sí se llega a proyectar una sombra sobre algún área particular del panel, se producirá la reducción de la potencia total que es capaz de generar dicho panel. Este efecto de sombreado se debe a la diferencia de iluminación entre las distintas zonas del panel solar, y su impacto sobre la generación de potencia eléctrica depende de la configuración específica que haya utilizado el fabricante en sus paneles solares fotovoltaicos. Todos los paneles solares fotovoltaicos, sin excepción de ningún tipo, presentan un patrón específico de sombreado. Por tanto, lo más importante en el diseño de los sistemas solares fotovoltaicos es evitar que en ningún momento a lo largo del año se produzcan sombras parciales sobre los paneles solares fotovoltaicos.