Comprensión de las células solares de la corriente frente al voltaje aplicado

He estado leyendo sobre la teoría de las células solares y haciendo algunas simulaciones de circuitos usando el modelo idealizado de células solares. Pero todavía siento que tengo algunos problemas para comprender cómo se comporta la celda solar y me gustaría verificar algunas cosas.

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Tengo entendido que la fuente de corriente en el modelo de celda solar produce una corriente variable que depende principalmente de la irradiancia, que va desde cero amperios hasta la corriente de cortocircuito. Dependiendo del voltaje aplicado a la celda solar, una parte de esta corriente fluirá de regreso inútilmente a través del diodo mientras que el resto fluirá fuera de la celda solar hacia la carga. El voltaje al que se extrae la máxima potencia de la célula solar es el punto de máxima potencia.

Entonces, mi pregunta es, si tengo una batería, con un circuito de bajo voltaje/sobrevoltaje adecuado, y la conecto directamente a un panel solar (ignorando cualquier diodo de bloqueo por ahora), entonces el voltaje a través de la batería dictará el voltaje a través del panel solar, y parte de la corriente fluirá de la celda solar a la batería siempre que el voltaje de la batería esté por debajo del VOC del panel. La cantidad de corriente que fluye en la batería estará dada por la curva IV del panel solar a cualquier voltaje de batería dado.

Si selecciono el panel solar de modo que su punto de máxima potencia se alcance a un voltaje cercano al voltaje nominal de la batería, entonces la batería extraerá una potencia razonable (cerca del punto de máxima potencia) del panel, sin necesidad de un controlador MPPT.

Tal como lo entiendo, la principal desventaja de este enfoque es que el COV caerá con bajas irradiaciones, moviendo el punto de máxima potencia del panel, de modo que la batería puede cargarse de manera ineficiente (o no cargarse si el COV cae demasiado) en condiciones de poca luz. El VOC también depende de la temperatura de la celda.

Y lo que hace un controlador MPPT es aplicar un voltaje específico a través del panel solar para alcanzar el punto de máxima potencia, presentando una carga variable al panel, y luego regula ese voltaje a cualquier voltaje que necesite la batería, para que el panel solar pueda trabajar de manera eficiente en más condiciones de iluminación y químicas de batería más diversas.

¿Es correcto mi entendimiento?

Dependiendo del voltaje aplicado a la celda solar , ¿qué está diciendo aquí? ¿Está sugiriendo que se use un voltaje externo a la fotocélula? ¿También haces la misma afirmación más abajo al menos dos veces más?
Tienes mucha razón en todo, pero creo que no puedes apreciar un par de puntos por completo. Primero Voc y Vmpp cambian muy poco con la irradiancia. Es principalmente la corriente la que cambia. Además, si conecta un panel solar a una batería y el voltaje de la batería coincide bastante bien, aún necesita un controlador de carga para evitar la sobrecarga de la batería. Los primeros sistemas solares fuera de la red generalmente combinaban paneles de 36 celdas con baterías de plomo ácido de 12 V (o mantenían esa proporción de celdas por voltio para baterías de 6, 24 o 48 voltios). MPPT solo proporciona beneficios leves a dichos sistemas.
MPPT le permite hacer coincidir los paneles con las baterías incluso cuando el voltaje de la batería no está cerca de Vmpp. Ese es su principal beneficio.
Otros lo están criticando por la terminología de "aplicar voltaje" a una celda solar. Lo noté, pero no creo que sea tan importante. Aplicas un voltaje a la celda y suministra corriente a ese voltaje. Si conecto una batería a una resistencia, estoy aplicando un voltaje. Pero si conecto dos fuentes de alimentación juntas, ¿cuál aplica el voltaje y cuál es la carga? Pero eso es solo terminología. Tu comprensión es bastante correcta.
@mkeith gracias por corregirme en la terminología. Tengo una pregunta; usted menciona que el VOC cambia muy poco con la irradiación, pero ¿qué pasa con un cielo nublado, donde el VOC puede disminuir hasta 0.1V por celda en serie (por ejemplo, de acuerdo con esta hoja de datos ixapps.ixys.com/DataSheet/SM111K06L.pdf ), eso parece bastante significativo si estoy tratando de cargar, digamos, una batería de iones de litio (3V a 4V); con seis celdas solares en serie, el COV podría cambiar de, digamos, 4,15 V (1000 W/m^2) a 3,6 V (100 W/m^2). ¿O quiso decir con baterías grandes de 12 V donde la diferencia de voltios no es tan importante?
@Thomas: sí, el voltaje cae a baja irradiancia, pero la potencia disponible en ese punto es muy baja en comparación con los niveles más altos. Incluso con un MPPT perfecto, la potencia es inferior al 10 % del nivel de alta intensidad, al igual que la energía integrada. Si el entorno es tal que gran parte del tiempo se pasa en ese régimen, entonces puede valer la pena usar circuitos más complejos o agregar más celdas en serie.
Muy cerca. Pero un controlador PWM simple (no MPPT) entre ellos puede lograr 2 cosas: permitir un panel Voc más alto, usar PWM para reducir el voltaje de salida a la batería y permitir el control de carga para evitar daños a la batería por sobrecarga.
Muy poco cuando la irradiancia varía en un 50 % más o menos. Pero a muy baja irradiancia, sí, cae.
Re, "... corriente que depende principalmente de la irradiación", ¡DETÉNGANSE ahí mismo! El I L en su diagrama depende de la irradiancia. No depende de la carga. El I D y I S H Las corrientes representan la parte de esa corriente que no fluye a través del circuito externo. I D + I S H + I = I L .

Respuestas (1)

Parece que tu comprensión es bastante correcta. Solo hay una aclaración. Voc y Vmpp son solo ligeramente sensibles a la irradiancia. Vea los gráficos adjuntos que son datos reales de CC de una cadena en mi panel solar conectado a la red. El inversor conectado a la red registra datos a intervalos de 5 minutos.

Gráficos de producción solar

Como puede ver, Vmpp no ​​varía mucho durante el día. Y sus valores de día nublado y día soleado son bastante similares, considerando todo. La depresión en Vmpp en el día soleado es probablemente un reflejo de la temperatura del panel.

Por lo tanto, es posible tener una instalación correcta sin usar MPPT en algunos casos. Pero, para maximizar la potencia en todo el rango de voltajes de la batería, o cuando el voltaje de la batería no está cerca del Vmpp del panel solar, se requieren controladores de carga MMPT.

En general, siempre se requiere algún tipo de controlador de carga, aunque solo sea para evitar la sobrecarga de la batería. Pero no siempre tiene que ser un controlador de carga MPPT.

Puede imaginar que si tuviera un banco de baterías que constara de 75 celdas de iones de litio en serie, sería posible cargarlo con esta cadena solar sin MPPT (siempre que se respete la corriente y el voltaje máximos de carga).
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