ES2954070T3 - Aparatos y métodos para reducir los riesgos de seguridad asociados con los sistemas fotovoltaicos - Google Patents

Aparatos y métodos para reducir los riesgos de seguridad asociados con los sistemas fotovoltaicos Download PDF

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Abstract

Aparatos y métodos para reducir los riesgos de seguridad asociados con los sistemas fotovoltaicos proporcionando un interruptor de seguridad en un panel fotovoltaico. En una realización, un panel fotovoltaico incluye: al menos una celda fotovoltaica; un conector para salida de energía del panel fotovoltaico; y un interruptor acoplado entre al menos una celda fotovoltaica y el conector. El interruptor está configurado para desconectar al menos una celda fotovoltaica del conector durante la instalación del panel fotovoltaico, y para conectar al menos una celda fotovoltaica con el conector después de la instalación del panel fotovoltaico. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Aparatos y métodos para reducir los riesgos de seguridad asociados con los sistemas fotovoltaicos
Campo técnico
Módulos de paneles fotovoltaicos y paneles fotovoltaicos.
Antecedentes
Cuando un panel o laminado fotovoltaico se expone a la luz directa o difusa, se puede presentar un potencial de voltaje letal. En los Estados Unidos, el voltaje posible podría llegar a los 600 voltios, mientras que en Europa y el resto del mundo, este voltaje se podría acercar al kilovoltio.
Debido a este peligro potencial de descarga eléctrica, los fabricantes de paneles solares y las organizaciones de desarrollo de códigos y normas han hecho algunas recomendaciones para minimizar o eliminar este peligro.
Una sugerencia ha sido cubrir el panel fotovoltaico con un material opaco como por ejemplo una lona. Sin embargo, esta estrategia ocasiona su propio riesgo de seguridad de hacer que el viento atrape la lona y arrastre al personal de instalación fuera del tejado mientras intentan controlar el material laminado inestable contra el viento.
Otra recomendación es instalar y/o dar servicio a los paneles fotovoltaicos por la noche cuando existe un riesgo mínimo de que los paneles se energicen. Esta estrategia presenta los posibles riesgos de seguridad asociados con el trabajo en un entorno poco iluminado.
Además de los posibles problemas de seguridad personal, también existen riesgos significativos para el equipo y el hardware. Conectar o desconectar enchufes energizados puede provocar arcos y daños a estos conectores, cajas de conexiones y otros componentes eléctricos.
El documento US2001/023703 hace referencia a un aparato de generación de energía solar y un método de control para el mismo y a un aparato de generación solar con un conjunto de baterías solares que tiene una cadena de baterías solares formada por varios paneles solares conectados en serie. El documento describe la utilización de un interruptor de mitad de cadena para conectar o desconectar cadenas de paneles solares de conectores remotos. El documento WO 2007/048421 hace referencia en general a módulos solares y al control de estos módulos solares. El documento describe la gestión de energía y datos de los módulos solares; y la protección de los módulos solares y cualquier carga conectada a los módulos solares contra anomalías en el funcionamiento. El documento describe la utilización de un interruptor por cadena para conectar o desconectar cadenas de paneles solares de conectores distantes.
Resumen de la descripción
De acuerdo con aspectos de la presente invención, se proporciona un módulo de panel fotovoltaico y un panel fotovoltaico según se define en las reivindicaciones adjuntas. Algunas formas de realización se resumen en esta sección.
En una forma de realización, un panel fotovoltaico incluye: al menos una celda fotovoltaica; un conector para la salida de energía del panel fotovoltaico; y un interruptor acoplado entre la al menos una celda fotovoltaica y el conector. El interruptor se configura para desconectar la al menos una celda fotovoltaica del conector durante la instalación del panel fotovoltaico, y para conectar la al menos una celda fotovoltaica con el conector después de la instalación del panel fotovoltaico.
El panel fotovoltaico incluye además una caja de conexiones para alojar el conector, en donde el interruptor se configura en la caja de conexiones.
El interruptor puede incluir un primer contactor conductor, un segundo contactor conductor y una parte desmontable que, cuando se retira, conecta la al menos una celda fotovoltaica con el conector. Por ejemplo, la parte desmontable puede incluir un separador dieléctrico; cuando el separador dieléctrico se inserta entre el primer y el segundo contactor, el interruptor no está conectado; y cuando se retira el separador dieléctrico, se conecta el interruptor. En una forma de realización, los contactores conductores primero y segundo están cargados por resorte uno hacia el otro.
La parte desmontable puede incluir además un banderín unido al separador dieléctrico. El banderín puede tener una indicación visual de advertencia de descarga eléctrica.
El interruptor puede incluir un interruptor de lengüeta; y la parte desmontable puede incluir un imán. El interruptor de lengüeta puede ser un interruptor de lengüeta normalmente cerrado o un interruptor de lengüeta normalmente abierto.
El interruptor puede incluir un sensor óptico para encender o apagar el interruptor en función de la luz detectada por el sensor óptico; y la parte desmontable puede incluir una lengüeta-tirador configurada para proteger el sensor óptico. La al menos una celda fotovoltaica se puede utilizar para alimentar el sensor óptico.
El interruptor puede incluir además un dispositivo de interruptor semiconductor (por ejemplo, un transistor de efecto de campo (FET)) o un relé.
El interruptor puede incluir un relé y un conector cableado para controlar el relé desde una ubicación remota.
El panel fotovoltaico incluye además un circuito para detectar una carga de un inversor. El interruptor puede conectar una salida del panel fotovoltaico al conector para cuando el circuito detecte una carga de un inversor y para desconectar la salida en ausencia de una carga de un inversor.
Un módulo de panel fotovoltaico puede incluir: un módulo de voltaje para ajustar la salida de varias celdas fotovoltaicas; y un interruptor acoplado al módulo de voltaje para proporcionar de forma selectiva la salida. El módulo de voltaje puede generar una salida de corriente alterna (CA).
El interruptor puede incluir un interruptor semiconductor, un relé, un interruptor de lengüeta, un interruptor accionado por resorte y/o un sensor óptico para controlar un estado del interruptor.
El módulo de panel fotovoltaico puede incluir además conectores para cableado para controlar un estado del interruptor.
La descripción en la Descripción Detallada incluye métodos y aparatos que llevan a cabo estos métodos, que incluyen los sistemas de procesamiento de datos que llevan a cabo estos métodos, y los medios legibles por computadora que contienen instrucciones que, cuando se ejecutan en los sistemas de procesamiento de datos, hacen que los sistemas lleven a cabo estos métodos.
Otras características serán evidentes a partir de los dibujos adjuntos y de la siguiente descripción detallada.
Breve descripción de los dibujos
Los ejemplos de la descripción se ilustran en las figuras de los dibujos adjuntos en los que las mismas referencias indican elementos similares.
La figura 1 ilustra un panel solar que tiene un interruptor de seguridad.
Las figuras 2 a 5 ilustran un interruptor de seguridad accionado por resorte para un panel fotovoltaico.
Las figuras 6 y 7 ilustran una caja de conexiones con un interruptor de lengüeta para un panel fotovoltaico.
La figura 8 ilustra un sensor óptico para controlar un interruptor de seguridad para un panel fotovoltaico.
La figura 9 ilustra un panel solar que tiene un interruptor de seguridad controlado por medio de cableado auxiliar. Descripción detallada
La descripción y los dibujos siguientes son ilustrativos y no se deben interpretar como restrictivos. Numerosos detalles específicos se describen para proporcionar una comprensión completa. Sin embargo, en determinados casos, los detalles bien conocidos o convencionales no se describen con el fin de evitar oscurecer la descripción. Las referencias en la presente descripción no son necesariamente referencias al mismo ejemplo; y dichas referencias significan al menos uno.
La descripción proporciona un método y un sistema para reducir los riesgos de seguridad durante el envío, instalación y/o mantenimiento de los sistemas fotovoltaicos, sin introducir los riesgos asociados con otras estrategias, como por ejemplo cubrirlos con un material opaco o trabajar en ellos durante la noche.
La protección de seguridad se puede proporcionar por medio de la inclusión de un interruptor normalmente cerrado integrado en la caja de conexiones del panel o integrado en el módulo del panel cuando se utilizan módulos de corriente alterna (CA) o corriente continua (CC).
La figura 1 ilustra un panel solar que tiene un interruptor de seguridad. En la figura 1, un panel solar 10 (por ejemplo, un panel fotovoltaico) incluye al menos una celda solar 12 (por ejemplo, una celda fotovoltaica) para generar energía cuando se expone a luz directa o difusa. Un módulo de voltaje 14 puede ajustar o regular el voltaje de salida (o en algunos otros casos un módulo de corriente para regular la corriente) y un interruptor 16 para aislar de forma selectiva la celda solar 12 de los conectores de salida del panel solar. En todavía otros casos, el interruptor se puede incorporar en módulos reguladores, como por ejemplo el módulo de voltaje 14.
El interruptor 16 puede ser un interruptor normalmente cerrado. Durante el envío, instalación y/o mantenimiento, el interruptor 16 se coloca en un estado abierto para aislar la celda solar 12 de la salida. Después de la instalación o mantenimiento, el interruptor 16 se coloca en un estado cerrado para permitir que la celda solar 12 energice los conectores de salida del panel solar y suministre energía a través de los conectores de salida del panel solar.
El interruptor 16 y el módulo de voltaje se pueden integrar en la caja de conexiones del panel solar. El interruptor 16 se puede integrar con el módulo de voltaje 14 como un módulo de panel.
Las figuras 2 a 5 ilustran un interruptor de seguridad accionado por resorte para un panel fotovoltaico. En las figuras 2-5, el interruptor incluye dos contactores 102 y 103 fabricados de un metal conductor o híbrido cromado. Los contactores 102 y 103 normalmente se fabrican de un metal de aleación de resorte o tienen un diseño de émbolo de resorte integral (no mostrado). Los contactores 102 y 103 se colocan o fijan de tal forma que los dos contactos 102 y 103 son accionados por resorte el uno hacia el otro para mantener la continuidad eléctrica entre los dos contactores 102 y 103. Por lo tanto, el interruptor normalmente está cerrado (NC) y no en un modo seguro de instalación o mantenimiento.
En la figura 2, se logra un modo seguro de instalación o mantenimiento cuando la cuchilla 104 se inserta entre los dos contactores 102 y 103. La cuchilla 104 se fabrica con un material dieléctrico y cuando se inserta entre los dos contactores 102 y 103 no hay continuidad eléctrica entre los contactores 102 y 103.
Según se ilustra en la figura 2, la cuchilla 104 también puede tener un banderín 105 unido. El banderín 105 podría ser rojo o de algún otro color muy visible, para proporcionar un indicador visual del estado del panel.
Los paneles y/o panel con módulos integrales pueden venir de fábrica con la cuchilla 104 y el banderín 105, donde la cuchilla 104 se inserta entre los dos contactores 102 y 103. Los paneles se pueden instalar e integrar con la cuchilla 104 presente y el banderín 105 visible. El instalador montaría, fijaría y enchufaría todas las conexiones del sistema, incluida la conexión a tierra.
Según se ilustra en la figura 3, una vez que se completa la instalación, el instalador retiraría las cuchillas 104 en todos los lugares indicados por los banderines 105. Una vez que se retira la cuchilla 104, los contactores 102 y 103 accionados por resorte hacen contacto entre sí para proporcionar una trayectoria eléctrica desde las celdas fotovoltaicas hasta los conectores de salida del panel fotovoltaico.
Si se necesitara trabajo o solución de problemas adicional, la(s) cuchilla(s) 104 y lo(s) banderín(es) 105 se podrían reinsertar, con la ayuda de la sección ahusada 207 de la cuchilla 104, rompiendo de este modo la continuidad eléctrica entre los contactores 102 y 103 en el punto 206.
Puede haber simetría en los contactores 102 y 103. Alternativamente, los contactores 102 y 103 pueden no ser idénticos o ni incluso similares. Los contactores 102 y 103 se pueden fabricar de material eléctricamente conductor y se pueden configurar para estar en contacto físico entre sí de modo que se mantenga una trayectoria eléctricamente conductora 206, después de que se retire la cuchilla 104. La trayectoria eléctricamente conductora 206 se puede mantener sin que la cuchilla 104 se inserte entre los contactores 102 y 103 y, a continuación, se interrumpa por la cuchilla 104 insertada entre los contactores 102 y 103 y, a continuación, se restablezca mediante las reinserciones de un dispositivo dieléctrico como por ejemplo la cuchilla 104. Además de la indicación visual de los modos de los paneles proporcionada por lo(s) banderín(es) 105, los banderines también podrían proporcionar información en forma de texto, como, por ejemplo, «Retirar antes del funcionamiento» o una advertencia. de voltaje potencialmente letal.
La figura 4 ilustra una configuración de un interruptor accionado por resorte integrado con una caja de conexiones 308 de un panel fotovoltaico. La caja de conexiones 308 incluye un conector para conectar la energía solar generada por el panel fotovoltaico a una carga (por ejemplo, un inversor, un bus de voltaje, etc.) por medio de un cable 307. Por lo tanto, cuando la hoja 104 se inserta en el interruptor, con el banderín 105 visible, el voltaje generado por las celdas solares se aísla del conector para el cable 307; y por lo tanto es seguro instalar el panel fotovoltaico o llevar a cabo operaciones de mantenimiento en el panel fotovoltaico.
La figura 5 muestra los componentes del interruptor accionado por resorte y la caja de conexiones de un panel fotovoltaico. Según se ilustra en la figura 5, la caja de conexiones 308 tiene una abertura 409 que proporciona acceso para retirar la cuchilla 104 y/o para volver a insertar la cuchilla 104. Los contactores 103 del interruptor se pueden unir a la caja de conexiones 308 por medio de la fijación la parte 401 a un elemento de soporte de la caja de conexiones 308, como por ejemplo una placa de circuito impreso (PCB).
Las figuras 6 y 7 ilustran una caja de conexiones con un interruptor de lengüeta para un panel fotovoltaico. La figura 6 muestra un conjunto de un interruptor de lengüeta 510 e imanes integrados en la caja de conexiones fotovoltaica 308. La figura 7 muestra una sección de corte que ilustra el interruptor de lengüeta 510 y los imanes 511 y 512 instalados dentro de la parte 509 de la caja de conexiones 308.
En la figura 7, un interruptor de lengüeta 510 se fabrica normalmente cerrado integrando un imán de polarización estacionario 511 en la caja de conexiones 308 muy cerca del interruptor de lengüeta normalmente abierto, de modo que el interruptor 510 se cierra en ausencia del imán 512.
El imán 512 se puede insertar en el pozo de la caja de conexiones 509 de modo que la polaridad invertida cancele las líneas magnéticas de fuerza y se abra el interruptor de lengüeta 510.
El imán 512 se puede instalar en el pozo de la caja de conexiones 509 en la fábrica; y un banderín 105 (no mostrado en las figuras 6 y 7) se une al imán 512. El imán 512 se puede retirar y/o reinsertar por medio del pozo de la caja de conexiones 509.
Los contactos de láminas normalmente cerrados (NC) se pueden utilizar para reemplazar los contactos de láminas normalmente abiertos (NA) 510 y el imán 511, evitando la necesidad de un imán estacionario adicional.
Una vez que se completan la instalación y las integraciones, se retira el imán 512 y se puede desechar. Los conductores de alimentación de la caja de conexiones 308 se pueden activar entonces por medio del interruptor semiconductor o relé (no mostrado), cuando el interruptor de lengüeta 512 se encuentra en el estado cerrado.
En algunos casos, se puede usar un interruptor semiconductor (no mostrado en la figura 7) para energizar los conductores de alimentación de la caja de conexiones 308. La caja de conexiones del panel 308 o el inversor (no mostrado en la figura 7) puede incluir una unidad controlador con un circuito de vigilancia configurado para enviar una señal periódicamente (por ejemplo, cada intervalo de tiempo t) para mantener la conexión de las salidas del panel a la cadena. Cuando se agota el tiempo de espera de esta señal o está ausente, las salidas del panel del panel se desconectan a través de un dispositivo interruptor semiconductor (no mostrado).
La figura 8 ilustra un sensor óptico para controlar un interruptor de seguridad para un panel fotovoltaico de acuerdo con la forma de realización. En la figura 8, una unidad de sensor óptico 700 con un sensor óptico 701 se monta en una placa de circuito impreso (PCB) 711. Además, los resortes 702 y 712 mantienen un separador 703 en su lugar que se puede retirar en la dirección de la flecha 704 usando una lengüeta-tirador similar al banderín 105 descrito anteriormente. En la figura 8 no se muestra el recinto exterior que contendría los elementos mecánicos como por ejemplo las conexiones de cables y los elementos de guiado para guiar el separador 703 hacia adentro y hacia afuera de la unidad.
Circuitos adicionales (no mostrados en la figura 8) pueden estar en el costado de la PCB 711, como por ejemplo un circuito de control para afectar un encendido/apagado ya sea en algunos casos mediante transistores FET (Field-Effect Transistor) o utilizando, en otros casos, un relé, como un relé biestable u otro circuito adecuado. La energía de funcionamiento se puede extraer del propio sistema solar o se puede alimentar por cableado auxiliar.
Como alternativa, se puede simplemente controlar un relé de forma remota mediante un cable auxiliar para cerrar o abrir el circuito. La ventaja de esta estrategia es que no se pueden olvidar lengüetas-tirador (banderines o cuchillas) en el tejado.
Se puede integrar un mecanismo y/o circuito en el panel para identificar la carga del inversor y conectar el panel a las salidas del panel cuando se detecta la carga. Cuando no hay carga presente, las salidas del panel se desconectan. Esta funcionalidad también se implementaría utilizando un dispositivo interruptor semiconductor u otro dispositivo adecuado (como por ejemplo un relé) y algún circuito detector, lo que permite una reconexión automática cuando el bucle parece estar cerrado y una carga conectada.
La figura 9 ilustra un panel solar que tiene un interruptor de seguridad controlado por medio de cableado auxiliar. En la figura 9, se conecta un cable diferente para controlar el interruptor 16 desde una ubicación remota. Por ejemplo, el interruptor se puede controlar por medio de una señal desde un circuito de vigilancia, de un interruptor o controlador remoto, etc.
Se pueden realizar diversas modificaciones sin apartarse del alcance establecido en las siguientes reivindicaciones. Por consiguiente, la memoria descriptiva y los dibujos se deben considerar en un sentido ilustrativo más que en un sentido restrictivo.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un módulo de panel fotovoltaico (10) que tiene al menos una celda fotovoltaica (12), comprendiendo el módulo de panel fotovoltaico:
una caja de conexiones (308) configurada para montarse en el panel fotovoltaico (10); un conector alojado en el interior de la caja de conexiones (308) del panel fotovoltaico para dar salida a la energía generada por la al menos una celda fotovoltaica (12) del panel fotovoltaico (10);
un circuito configurado para detectar una carga de un inversor; y un interruptor (16) acoplado entre la al menos una celda fotovoltaica (12) y el conector, en donde el interruptor se configura para conectar la salida cuando el circuito detecta la carga del inversor, y desconectar la salida en ausencia de la carga detectada por el circuito, y el interruptor se configura en la caja de conexiones;
en donde el interruptor se configura para desconectar la al menos una celda fotovoltaica del conector durante la instalación del panel fotovoltaico, y para conectar la al menos una celda fotovoltaica con el conector después de la instalación del panel fotovoltaico.
2. El módulo de panel fotovoltaico de la reivindicación 1 que comprende, además: un circuito de vigilancia para controlar el interruptor.
3. El módulo de panel fotovoltaico de la reivindicación 1, en donde el interruptor comprende un dispositivo interruptor semiconductor o un relé.
4. El módulo de panel fotovoltaico de la reivindicación 3, en donde el dispositivo interruptor semiconductor incluye un FET, Field-Effect Transistor.
5. El módulo de panel fotovoltaico de la reivindicación 1 que comprende, además: una unidad controlador para controlar el interruptor; y un módulo de voltaje (14) para ajustar una salida de al menos una celda fotovoltaica.
6. El módulo de panel fotovoltaico de la reivindicación 1 que comprende, además:
un módulo de voltaje (14) para ajustar una salida de al menos una celda fotovoltaica.
7. El módulo de panel fotovoltaico de la reivindicación 6, en donde el módulo de voltaje (14) genera una salida de corriente alterna, CA.
8. El módulo de panel fotovoltaico de la reivindicación 6, en donde el interruptor comprende uno de un interruptor semiconductor, un relé, un interruptor de lengüeta (510, 512), un interruptor accionado por resorte (102, 103, 104) y un sensor óptico (701) para controlar un estado del interruptor.
9. El módulo de panel fotovoltaico de la reivindicación 1, en donde el interruptor se debe controlar por medio de una señal periódica de una unidad remota, y en donde cuando la señal periódica está presente, el interruptor conecta al menos una celda fotovoltaica al conector y, cuando la señal agota el tiempo de espera, el interruptor desconecta la al menos una celda fotovoltaica del conector.
10. El módulo de panel fotovoltaico de la reivindicación 9, en donde la señal periódica se conecta al módulo por medio de cables.
11. Un panel fotovoltaico (10), que comprende:
varias celdas fotovoltaicas (12);
una caja de conexiones (308) montada en el panel fotovoltaico (10); un conector alojado en el interior de la caja de conexiones (308) del panel fotovoltaico (10) para dar salida a la energía generada por las varias celdas fotovoltaicas (12) del panel fotovoltaico (10); un circuito para detectar una carga de un inversor; y
un interruptor (16) acoplado con el circuito para conectar las varias celdas fotovoltaicas al conector cuando el circuito detecta una carga de un inversor y para desconectar las varias celdas fotovoltaicas del conector cuando el circuito no detecta carga de un inversor, en donde el interruptor se configura en la caja de conexiones del panel fotovoltaico (10); en donde el interruptor se configura para desconectar las varias celdas fotovoltaicas del conector durante la instalación del panel fotovoltaico y para conectar las varias celdas fotovoltaicas con el conector después de la instalación del panel fotovoltaico.
12. El panel fotovoltaico de la reivindicación 11, en donde el interruptor comprende un dispositivo interruptor semiconductor o un relé.
13. El panel fotovoltaico de la reivindicación 12, en donde el dispositivo interruptor semiconductor comprende un FET, Field-Effect Transistor.
14. El panel fotovoltaico de la reivindicación 11 que comprende, además: un módulo de voltaje (14) para ajustar una salida de las varias celdas fotovoltaicas.
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