ES2345750A2 - Circuito electrico de proteccion de sistemas fotovoltaicos. - Google Patents
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Abstract
Circuito eléctrico de protección de sistemas fotovoltaicos.<br /><br />La presente invención tiene como objeto proporcionar una estructura para la protección eléctrica de instalaciones fotovoltaicas, en el caso en que al conectar el generador fotovoltaico (G1-Gp), se conecte con la polaridad invertida, para lo que cuenta con una célula de protección que comprende dos puntos de conexión (1, 2) en los que se conecta el generador fotovoltaico (G1-Gp), al menos un dispositivo (D) de reducción de la tensión del generador fotovoltaico (G1-Gp) en caso de inversión de polaridad, que está conectado en paralelo entre los dos puntos de conexión anteriormente citados, y al menos un elemento de apertura y/o protección (M) del generador fotovoltaico (G1-Gp) conectado en serie con los elementos anteriores; minimizando las solicitaciones sobre estos elementos de apertura y/o protección.
Description
Circuito eléctrico de protección de sistemas
fotovoltaicos.
La presente invención tiene como objeto
proporcionar una estructura para la protección eléctrica de
instalaciones fotovoltaicas en el caso de conexión inversa de una
parte del campo fotovoltaico, entendiendo como conexión inversa la
inversión de polaridad en dicha parte del campo fotovoltaico.
Esta invención tiene como campo de aplicación la
industria dedicada al diseño de dispositivos eléctricos y/o
electrónicos destinados a la conexión de sistemas eléctricos de
corriente continua y más particularmente, al sector de generación de
energía solar fotovoltaica.
Los sistemas fotovoltaicos gozan hoy en día de
un amplio reconocimiento en nuestra sociedad, siendo utilizados en
la actualidad cada vez con más frecuencia. Comúnmente, se trata de
instalaciones formadas por un conjunto de paneles fotovoltaicos, un
convertidor electrónico que acondiciona la energía producida por los
paneles fotovoltaicos para su uso posterior y una serie de
protecciones y canalizaciones inherentes a cualquier
instalación
eléctrica.
eléctrica.
\vskip1.000000\baselineskip
Un módulo o panel fotovoltaico es un dispositivo
eléctrico que convierte la energía electromagnética de la luz en
energía eléctrica. Este dispositivo genera una corriente continua en
función de la irradiancia que incide sobre él y la tensión impuesta
entre sus bornes. La relación V-I (tensión -
intensidad) característica del módulo fotovoltaico sigue una curva
en la que podemos destacar tres puntos característicos según se
muestra en la figura 1:
- -
- V_{oc-módulo}: tensión de circuito abierto que genera el módulo fotovoltaico cuando la corriente que lo atraviesa es nula.
- -
- I_{sc-módulo}: corriente de cortocircuito que genera el módulo fotovoltaico cuando la tensión entre sus bornes es nula.
- -
- V_{mpp-módulo} e I_{mpp-módulo}: puntos de tensión y corriente en los que el módulo fotovoltaico genera la máxima potencia.
- -
- P_{mpp-módulo}: potencia máxima que genera el módulo fotovoltaico que resulta de la siguiente fórmula:
Para aumentar la potencia generada por la
instalación fotovoltaica se puede asociar los módulos fotovoltaicos
conectándolos entre sí en serie o en paralelo.
\vskip1.000000\baselineskip
La conexión de uno o más módulos fotovoltaicos
en serie aumenta la potencia del sistema, aumentando la tensión del
sistema y manteniendo la corriente. Esta asociación en serie de al
menos un panel fotovoltaico se denomina serie o string. Así, si se
asocian n paneles en serie, la curva V-I resultante
de esta asociación tendrá como puntos característicos:
Siendo:
- -
- V_{oc-string}: la tensión de circuito abierto que genera el string cuando la corriente que lo atraviesa es nula.
- -
- I_{sc-string}: corriente de cortocircuito que genera el string cuando la tensión entre sus bornes es nula.
- -
- P_{mpp-string}: potencia máxima que genera el string.
Otra alternativa para aumentar la potencia es la
conexión en paralelo, en este caso se mantiene la tensión del
sistema y aumenta la corriente. La conexión de uno o varios strings
en paralelo se denomina generador fotovoltaico. Si se conectan m
strings (strings de n módulos) en paralelo el generador formado
tiene una curva V-I con los siguientes puntos
característicos:
Siendo:
- -
- V_{oc-generador}: la tensión de circuito abierto que genera el generador cuando la corriente que lo atraviesa es nula.
- -
- I_{sc-generador}: corriente de cortocircuito que genera el generador cuando la tensión entre sus bornes es nula.
- -
- P_{mpp-generador}: potencia máxima que genera el generador.
De la asociación en paralelo de varios
generadores fotovoltaicos descritos en el párrafo anterior junto con
sus dispositivos de mando, monitorización y protección
(M_{11},..., M_{pm}) se obtiene el campo fotovoltaico de la
instalación (figura 2).
A menudo, en serie con cada generador
fotovoltaico se incorporan elementos de apertura y/o protección
(M_{1}-M_{p}). Los elementos de apertura
(interruptores, seccionadores, etc.) permiten cortar la corriente de
los generadores y son de gran utilidad para operaciones de
manipulación y mantenimiento de la instalación. Los dispositivos de
protección (magnetotérmicos, fusibles, etc.) se emplean para
proteger los generadores de sobrecorrientes que pueden dañar la
instalación. Si durante la conexión en paralelo de los diferentes
generadores fotovoltaicos (G_{1}-G_{p}) que
conforman la instalación, se invierte la polaridad de uno de ellos
al conectarse su polo positivo al polo negativo del resto de
generadores y su polo negativo al polo positivo del resto de
generadores, se produce una conexión inversa (figura 3). En este
caso, los dispositivos de apertura y/o protección
(M_{1}-M_{p}) son sometidos al doble de la
tensión del generador. Esta solicitación puede llegar a destruir los
dispositivos de apertura y/o protección y causar graves daños
personales y materiales, al encontrarse generalmente dimensionados
para la tensión y corriente del generador.
En el estado de la técnica actual se toman
diferentes alternativas frente a este problema.
Una primera alternativa consiste en el uso de
elementos mecánicos de conexión eléctrica (conectores) que imponen
una conexión unívoca entre dos terminales. Una vez un cable queda
ligado a su conector bien sea por soldadura, crimpado o atornillado,
solo existirá una conexión posible. Sin embargo, la unión entre
cable y conector se realiza frecuentemente en la propia instalación,
lo que puede propiciar la conexión indebida del cable con su
conector correspondiente.
Otra alternativa consiste en dimensionar los
sistemas de apertura y/o protección para el doble de la tensión del
generador. Esta es una solución efectiva pero a su vez más cara,
pesada y voluminosa.
Una tercera opción del estado del arte pasa por
impedir la circulación de corriente del generador conectado en
inversa dotando a cada generador de un diodo en serie dimensionado
para 2 veces la tensión de circuito abierto del generador (figura
4). Sin embargo, este diodo en funcionamiento normal produce
pérdidas eléctricas por la caída de tensión inherente a la
conducción del diodo con la consecuente disminución del rendimiento
del sistema.
Para lograr los objetivos y evitar los
inconvenientes indicados en anteriores apartados, la presente
invención proporciona una nueva estructura para la protección
eléctrica de instalaciones fotovoltaicas en el caso de conexión
inversa de un generador fotovoltaico dentro de un campo
fotovoltaico, entendiendo como conexión inversa la inversión de
polaridad de un generador fotovoltaico del campo fotovoltaico.
La estructura propuesta está compuesta por al
menos una célula de protección, en la que se conecta un generador
fotovoltaico. La célula de protección está formada por:
- -
- Dos puntos de conexión en los que se conecta el generador fotovoltaico.
- -
- Al menos un dispositivo encargado de reducir la tensión del generador en caso de conexión inversa. Este dispositivo se conecta en paralelo entre los dos puntos de conexión anteriormente citados.
- -
- Al menos un elemento de apertura y/o protección del generador fotovoltaico conectado en serie con los elementos anteriores.
Las células anteriormente descritas pueden
operar según dos modos de funcionamiento:
- -
- Modo de funcionamiento normal: cuando el generador fotovoltaico es conectado correctamente. En ese caso el dispositivo de reducción de la tensión, no actúa y la tensión del sistema se mantiene.
- -
- Modo de funcionamiento inverso: cuando al menos uno de los generadores fotovoltaicos es conectado inversamente. En esta situación, el dispositivo de reducción de la tensión actúa sobre dicho generador atenuando su tensión y disminuyendo la tensión a la que se ve sometido el dispositivo de apertura y/o protección.
Las ventajas de la presente invención son:
- -
- Reducción de la necesidad de sobredimensionar los dispositivos de apertura y/o protección. Estos dispositivos deberán dimensionarse para suma de la tensión del generador y la tensión limitada por el dispositivo de reducción de la tensión.
- -
- Actuación de la estructura exclusivamente en su modo de funcionamiento inverso, lo que supone un avance frente a la alternativa del diodo en serie que produce pérdidas eléctricas permanentemente.
La invención prevé que:
- -
- El circuito eléctrico de protección de sistemas fotovoltaicos esté constituido por al menos dos células de protección asociadas en paralelo, en las que se conectan sus respectivos generadores fotovoltaicos.
- -
- El dispositivo encargado de reducir la tensión del generador esté constituido por un diodo o elemento similar.
- -
- El elemento de apertura y/o protección sea un fusible o similar.
A continuación, para facilitar una mejor
comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante
de la misma, se acompañan unas figuras en las que con carácter
ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la
invención, así como algunas estructuras pertenecientes al estado de
la técnica, que han sido descritos anteriormente.
Figura 1.- Representa la curva tensión -
intensidad (V-I) convencional de un módulo
fotovoltaico así como su conexión serie y paralelo.
Figura 2.- Representa un esquema de conexión
típico de un campo fotovoltaico con elementos de mando,
monitorización y protección.
Figura 3. - Muestra un esquema de conexión
erróneo de un generador eléctrico, y la visualización de las
magnitudes principales del sistema.
Figura 4.- Representa un esquema de protección
contra conexión incorrecta con diodos en serie según una alternativa
del estado del arte actual.
Figura 5.- Representa una célula de protección
según dos realizaciones preferentes de la presente invención (Figura
5a - Figura 5b).
Figura 6. - Muestra un esquema de conexión
erróneo de un generador eléctrico mediante la estructura propuesta
por la presente invención, y se representan las magnitudes
principales del sistema que se producen en esta situación.
Seguidamente se realiza una descripción de
ejemplos de la invención, citando referencias de las figuras.
La estructura propuesta está compuesta por al
menos dos células de protección asociadas en paralelo, en las que se
conectan sus respectivos generadores fotovoltaicos. La célula de
protección (Figura 5a) está formada por:
- -
- Dos puntos de conexión (1 y 2) en los que se conecta cada uno de los generadores fotovoltaicos (G_{1}-G_{p}). En el punto de conexión 1 se conectará el polo positivo del generador (G_{1}-G_{p}) y en el punto de conexión 2, el polo negativo del generador para un funcionamiento en modo normal.
- -
- Al menos un dispositivo (D) conectado en paralelo entre los dos puntos (1 y 2) de conexión anteriormente citados y encargado de reducir la tensión del generador (G_{1}-G_{p}) en caso de conexión inversa.
- -
- Al menos un elemento de apertura y/o protección (M) del generador fotovoltaico conectado en serie con los elementos anteriores.
El dispositivo encargado de reducir la tensión
(D) del generador en caso de conexión inversa podrá ser del tipo
diodo y se conectará su ánodo al punto de conexión 2 y su cátodo al
punto de conexión 1.
El elemento de apertura y/o protección (M) podrá
ser del tipo fusible, magnetotérmico, o similar, y deberá abrir el
circuito correspondiente a la célula en el caso de sufrir una
sobrecorriente a través del mismo.
Estas células asociadas en paralelo permiten la
conexión de sus respectivos generadores fotovoltaicos
(G_{1}-G_{p}) asegurando la protección de los
mismos mediante dispositivos dimensionados para su tensión y
corriente nominales.
En el caso de una conexión correcta del
generador fotovoltaico a una de las células, el modo de
funcionamiento de dicha célula será normal. El diodo (D) soporta la
tensión del generador y queda bloqueado (corriente nula).
En el caso de una conexión inversa del generador
fotovoltaico a una de las células, el diodo llevará al panel
conectado inversamente a un punto de la curva V-I
cercano al de cortocircuito (tensión directa de saturación del diodo
y corriente de cortocircuito -I_{sc}-). Figura 6.
El empleo del diodo como elemento reductor de
tensión consigue anular la tensión en bornes del generador conectado
inversamente. Esto hace que el dispositivo de apertura y/o
protección (M_{1}-M_{p}) pueda dimensionarse
para la tensión del generador.
Otra realización preferente (Figura 5b) consta
de los mismos elementos de la instalación descrita anteriormente
pero integra el sistema de protección (M) en el polo positivo de la
célula de protección, lo que es equivalente a la realización
descrita.
Claims (4)
1. Circuito eléctrico de protección de sistemas
fotovoltaicos, que está previsto para evitar daños en dicho sistema
fotovoltaico en el caso en el que se conecte un generador con la
polaridad invertida; se caracteriza porque está constituido
por una célula de protección que comprende:
- -
- dos puntos de conexión (1, 2) en los que se conecta el generador fotovoltaico (G_{1}-G_{p}),
- -
- al menos un dispositivo (D) encargado de reducir la tensión del generador fotovoltaico (G_{1}-G_{p}) en caso de inversión de polaridad, que está conectado en paralelo entre los dos puntos de conexión anteriormente citados,
- -
- al menos un elemento de apertura y/o protección (M) del generador fotovoltaico (G_{1}-G_{p}) conectado en serie con los elementos anteriores.
2. Circuito eléctrico según reivindicación 1
caracterizado porque está constituido por al menos dos
células de protección asociadas en paralelo, en las que se conectan
sus respectivos generadores fotovoltaicos.
3. Circuito eléctrico según reivindicaciones 1 y
2 caracterizado porque el dispositivo (D) encargado de
reducir la tensión del generador fotovoltaico
(G_{1}-G_{p}) es del tipo diodo.
4. Circuito eléctrico según reivindicaciones 1 y
2 caracterizado porque el elemento de apertura y/o protección
(M) es del tipo fusible.
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Legal Events
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Date of ref document: 20100930 |
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| FC2A | Grant refused |
Effective date: 20111007 |