ES2396850A2

ES2396850A2 - Circuito eléctrico de protección de sistemas fotovoltaicos

Info

Publication number: ES2396850A2
Application number: ES201131189A
Authority: ES
Inventors: Javier Coloma Calahorra; Julián Balda Belzunegui; Luis Muguerza Olcoz
Original assignee: Ingeteam Power Technology SA; Ingeteam Energy SA
Current assignee: Ingeteam Power Technology SA
Priority date: 2008-05-12
Filing date: 2008-05-12
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2028-05-12
Also published as: ES2396850R1; ES2396850B1

Abstract

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 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

OBJETO DE LA INVENCIÓN

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.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

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.

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:

Voc-módulo: tensión de circuito abierto que genera el módulo fotovoltaico cuando la corriente que lo atraviesa es nula.

Isc-módulo: corriente de cortocircuito que genera el módulo fotovoltaico cuando la tensión entre sus bornes es nula.

Vmpp-módulo e Impp-módulo: puntos de tensión y corriente en los que el módulo fotovoltaico genera la máxima potencia.

-Pmpp-módulo: potencia máxima que genera el módulo fotovoltaico que resulta de la siguiente fórmula:

P= V . I

mpp módulo mpp módulo mpp módulo

Para aumentar la potencia generada por la instalación fotovoltaica se puede asociar los módulos fotovoltaicos conectándolos entre sí en serie o en paralelo.

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:

V= n .V

oc string oc módulo

I= I

sc string sc módulo

P=n .V . I

mpp string mpp módulo mpp módulo

Siendo: Voc-string: la tensión de circuito abierto que genera el string cuando la corriente que lo atraviesa es nula.

Isc-string: corriente de cortocircuito que genera el string cuando la tensión entre sus bornes es nula.

Pmpp-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:

V = n .V

oc generador oc módulo

I = m . I

sc generador sc módulo

P = n . m .V . I

mpp generador mpp módulo mpp módulo

Siendo:

Voc-generador: la tensión de circuito abierto que genera el generador cuando la corriente que lo atraviesa es nula.

Isc-generador: corriente de cortocircuito que genera el generador cuando la tensión entre sus bornes es nula.

Pmpp-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 (M11,…, Mpm) 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 (M1-Mp). 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 (G1-Gp) 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 (M1-Mp) 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.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

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.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

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.

DESCRIPCIÓN DE UNO O VARIOS EJEMPLOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

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 (G1-Gp). En el punto de conexión 1 se conectará el polo positivo del generador (G1-Gp) 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 (G1-Gp) 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.

5 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 (G1-Gp) 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 10 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 –Isc-). Figura 6.

El empleo del diodo como elemento reductor de tensión consigue anular la tensión en bornes del generador 15 conectado inversamente. Esto hace que el dispositivo de apertura y/o protección (M1-MP) 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

REIVINDICACIONES

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:

5 dos puntos de conexión (1, 2) en los que se conecta el generador fotovoltaico (G1-Gp),

al menos un dispositivo (D) encargado de reducir 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,

al menos un elemento de apertura y/o protección (M) del generador fotovoltaico (G1-Gp) conectado en 10 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 (G1-Gp) es del tipo diodo.

15 4.- CIRCUITO ELÉCTRICO según reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque el elemento de apertura y/o protección (M) es del tipo fusible.