DISPOSITVO DE CIRCUITO DE PROTECCIÓN PARA UN MÓDULO SOLAR.

Dispositivo de circuito de protección para un módulo solar, en el que una pluralidad de células solares que trabajan en parte en servicio normal y al mismo tiempo en parte en caso de sombreado están conectadas en serie,

con al menos un elemento de conmutación (1) eléctrico controlable que sirve de elemento de derivación, cuya sección de conmutación puede conectarse en paralelo a la pluralidad de células solares, con un circuito de alimentación (50) para suministrar una tensión de control para el mando del electrodo de control del elemento de derivación (1), caracterizado por un seccionador (40) para bloquear la tensión aplicada en el servicio normal a la sección de conmutación del elemento de derivación al circuito de alimentación (50) y para conmutar la tensión aplicada a la sección de conmutación en caso de sombreado de al menos una célula solar al circuito de alimentación (50).

La invención se refiere a un dispositivo de circuito de protección para un módulo solar, en el que una pluralidad de células solares están conectadas en serie. Un dispositivo de circuito de protección de este tipo se conoce por el documento JP 2000 174 308.

Los módulos solares son generalmente conocidos y están formados según la Figura 1a habitualmente por una conexión en serie de células, que suministran una tensión individual Uz de aprox. 0,5 V a 1 V. En caso de un sombreado parcial de una o varias células o también en caso de propiedades distintas de las células, en particular de la corriente de cortocircuito, en caso de una carga, se invierte la tensión en las células sombreadas. En el peor caso, es decir, en caso de un cortocircuito del generador solar, p.ej. en caso de un servicio en un regulador de carga de batería en derivación, decae la suma de las tensiones de todas las células no sombreadas en la dirección de bloqueo en la célula sombreada.

A continuación, se usará independientemente de la causa real de la inversión de la tensión siempre el concepto “caso de sombreado” y para el servicio no sombreado el concepto “servicio normal”.

La tensión de bloqueo admisible de una célula solar está situada en pocos V hasta pocos 10 V. En función del número de células no sombreadas conectadas en serie con las células sombreadas puede sobrepasarse la tensión de bloqueo admisible, lo que puede conducir a penetraciones locales de la capa de barrera y a daños irreversibles de la célula. Para evitar esta tensión de bloqueo inadmisiblemente alta es conocido conectar de forma ideal un llamado diodo de derivación en paralelo a cada una de las células. Los costes son considerables y sólo son aceptables en aplicaciones especiales, véase p.ej. la navegación espacial. En módulos solares corrientes en el mercado se forman, por lo tanto, según la Figura 1a subgrupos UGA, UGB, … UGX de células conectadas en serie, p.ej. 18 a 24, que son protegidos respectivamente por un diodo de derivación. Estos se conectan mediante los puntos de conexión 11, 12 con el subgrupo correspondiente. Para mayor claridad, en la Figura 1a, el diodo de derivación sólo está representado para el subgrupo UGB.

En el servicio normal, según la Figura 1b, al diodo de derivación se aplica la suma de las tensiones de las células Z1, a Zn, que pertenecen al subgrupo, es decir, aprox. 15 V hasta más de + 20 V. La corriente de bloqueo IS debería ser mínima para evitar pérdidas. En caso de un sombreado total de una o varias células en un subgrupo según la Figura 1c, por el diodo de derivación 2 fluye la corriente de cortocircuito o la corriente de punto de trabajo ISG generada por las células dispuestas en el exterior del subgrupo, las células no sombreadas. Esta genera en el diodo de derivación 2, en función de la tecnología de diodos usada, de la corriente que fluye y de la temperatura del diodo, una caída de tensión UD de aprox. -0,4 V hasta más de -1 V. En la célula sombreada decae, por lo tanto, en el peor caso la suma de las tensiones de todas las células no sombreadas que se encuentran en el interior del subgrupo correspondiente, más la caída de tensión en el diodo de derivación.

El número de células reunidas en un subgrupo se elige de tal modo que en el peor caso no se sobrepasa la tensión de bloqueo admisible de la célula individual desconectada. Esto conduce a un número típico de aprox. 18 a 24 células por subgrupo.

Para el diodo de derivación conocido resultan por lo tanto las siguientes condiciones de servicio:

En el servicio normal representado en la Figura 1b, a este diodo está aplicada la tensión de las células reunidas en un subgrupo en la dirección de bloqueo, es decir, típicamente aprox. +15 V hasta + 20 V. En el caso representado en la Figura 1c, con un sombreado total de una célula en el interior del grupo correspondiente, la corriente del generador solar ISG fluye por el diodo de derivación y provoca una caída de tensión UD de aprox. -0,4 V hasta más de -1 V. En la descripción expuesta a continuación, para mayor facilidad se supone que se produce una tensión de bloqueo de + 20 V y una tensión en estado de conducción UD de – 0,6 V, pudiendo producirse también otros valores.

Los diodos de derivación están alojados habitualmente en una caja de conexión que está conectada con el módulo solar, por lo que están expuestos a temperaturas ambiente de aprox. -20 ºC hasta a más de 85 ºC. En una caja están alojados típicamente dos o tres diodos para dos o tres subgrupos UGA, UGB y UGC. Para aumentar las corrientes del generador solar ISG admisibles, también es posible conectar en paralelo varios diodos de derivación.

En los diodos de derivación empleados en el estado de la técnica, en caso de sombreado se produce una potencia perdida relativamente grande. Durante poco tiempo, una potencia perdida de este tipo puede ser absorbida sin problemas por el diodo, aunque en el caso de sombreados de larga duración es difícil disipar la cantidad de calor que se genera del diodo y de la caja de conexión. Hay que tener además en cuanta la circunstancia de que las cargas máximas, es decir, las corrientes solares máximas se producen en la mayoría de los casos cuando al mismo tiempo son elevadas las temperaturas ambiente o del módulo. El problema se complica a medida que aumenta el tamaño de las células solares, puesto que éstas suministran una corriente de cortocircuito o nominal que aumenta de forma proporcional a la superficie de la célula.

Por lo tanto, la invención tiene el objetivo de crear un dispositivo de circuito de protección para un módulo solar que asuma las funciones de un diodo de derivación suministrando poca potencia perdida y presentando una estructura sencilla y garantizando una fiabilidad elevada y de larga duración.

Este objetivo se consigue según la invención mediante las características de la reivindicación principal.

Puesto que está previsto un elemento de conmutación eléctrico controlable que sirve de elemento de derivación, cuya sección de conmutación puede conectarse en paralelo a la pluralidad de células solares y puesto que un circuito de alimentación suministra una tensión de control para el mando del electrodo de control, se proporciona un circuito de derivación que puede absorber sin problemas la corriente de cortocircuito o la corriente de punto de trabajo de las células sombreadas. Mediante la tensión de alimentación se controla el elemento de derivación controlable en su función de tal modo que se produzca poca potencia perdida. Gracias al seccionador también previsto, puede bloquearse la tensión aplicada en el servicio normal de las células solares a la sección de conmutación del elemento de conmutación al circuito de alimentación, mientras que en el caso de sombreado, el seccionador conmuta la tensión aplicada a la sección de conmutación al circuito de alimentación.

Gracias a las medidas indicadas en las reivindicaciones subordinadas son posibles variantes ventajosas y mejoras.

Es especialmente ventajoso que el circuito de alimentación esté realizado como circuito de carga para un acumulador de energía o presente uno, que realiza un aumento de una tensión disponible en el caso de sombreado a una tensión más elevada para el mando del elemento de derivación controlable. De este modo, puede usarse la tensión de alimentación disponible gracias a la sección de conmutación en el caso de sombreado de -0,6 V para controlar el elemento de derivación controlable y, dado el caso, alimentar otros circuitos.

Es ventajoso que el elemento de derivación controlable esté realizado como transistor de efecto de campo MOS (MOSFET), pudiendo asumir el diodo de cuerpo existente de forma inherente en el MOSFET durante poco tiempo por completo la corriente del generador solar, pudiendo usarse en el caso de corrientes pequeñas de generador solar de forma duradera como diodo de derivación.

De forma ventajosa, la capacidad inherente del elemento de derivación controlable, en el MOSFET usado, la capacidad de compuerta, se usa como acumulador de energía del circuito de alimentación o del circuito de carga, de modo que no se necesitan componentes acumuladores suplementarios.

El seccionador está realizado de forma especialmente ventajosa como transistor bipolar que se hace funcionar de forma inversa, puesto que éste se hace funcionar en el servicio normal de forma convencional en circuito de colector común pudiendo bloquear,... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de circuito de protección para un módulo solar, en el que una pluralidad de células solares que trabajan en parte en servicio normal y al mismo tiempo en parte en caso de sombreado están conectadas en serie, con al menos un elemento de conmutación (1) eléctrico controlable que sirve de elemento de derivación, cuya sección de conmutación puede conectarse en paralelo a la pluralidad de células solares, con un circuito de alimentación (50) para suministrar una tensión de control para el mando del electrodo de control del elemento de derivación (1), caracterizado por un seccionador (40) para bloquear la tensión aplicada en el servicio normal a la sección de conmutación del elemento de derivación al circuito de alimentación (50) y para conmutar la tensión aplicada a la sección de conmutación en caso de sombreado de al menos una célula solar al circuito de alimentación (50).

2. Dispositivo de circuito de protección según la reivindicación 1, caracterizado porque el circuito de alimentación está realizado como circuito de carga (50) para un acumulador de energía (3, 8, 60), que realiza la conversión de una tensión disponible en el caso de sombreado a una tensión más elevada para el mando del elemento de derivación controlable.

3. Dispositivo de circuito de protección según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el elemento de derivación

(1) controlable está realizado como transistor de efecto de campo MOS.

4. Dispositivo de circuito de protección según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque el acumulador de energía está realizado como condensador (8) y/o como capacidad (3) inherente del elemento de derivación (1) controlable.

5. Dispositivo de circuito de protección según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el seccionador

(40) está realizado como transistor de efecto de campo, preferiblemente como J-FET o MOSFET.

6. Dispositivo de circuito de protección según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el seccionador está realizado como transistor bipolar que se hace funcionar de forma inversa.

7. Dispositivo de circuito de protección según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque está previsto un circuito temporizador (80), que define un tiempo de ciclo, durante el cual el elemento de derivación (1) controlable está completamente conectado durante un primer intervalo de tiempo y completamente bloqueado durante un segundo intervalo de tiempo, cargándose el acumulador de energía (3, 8, 60) durante el segundo intervalo de tiempo.

8. Dispositivo de circuito de protección según la reivindicación 7, caracterizado porque el ciclo de tiempo presenta un tercer intervalo de tiempo situado entre el primero y el segundo intervalo de tiempo, en el que el elemento de derivación

(1) controlable se hace funcionar en estado lineal.

9. Dispositivo de circuito de protección según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el circuito de alimentación o de carga (50) presenta un circuito de regulación (24) con el que el elemento de derivación controlable puede hacerse funcionar continuamente en el estado lineal.

10. Dispositivo de circuito de protección según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque, para generar la tensión necesaria para el mando del elemento de derivación (1) controlable, el circuito de alimentación o de carga

(50) presenta un transformador o al menos una bobina o al menos un condensador para la acumulación intermedia de energía para aumentar la tensión disponible en caso de desconexión.

11. Dispositivo de circuito de protección según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque, para generar la tensión necesaria para el mando del elemento de derivación (1) controlable, el circuito de alimentación o de carga (50) presenta una bomba de carga para aumentar la tensión disponible en caso de desconexión.

12. Dispositivo de circuito de protección según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque el circuito de alimentación (50) presenta un transformador (20) con un arrollamiento de reacción positiva (22) y un primer elemento de conmutación (24) electrónico, ejerciendo el elemento de conmutación y el transformador (20) un proceso de basculación similar a un oscilador de bloqueo, durante el cual la energía acumulada en el transformador (20) se transfiere al acumulador de energía (3, 8, 60).

13. Dispositivo de circuito de protección según la reivindicación 12, caracterizado porque el primer elemento de conmutación (24) electrónico se hace funcionar de forma inversa formando al mismo tiempo el seccionador (40).

14. Dispositivo de circuito de protección según la reivindicación 12 ó 13, caracterizado porque un arrollamiento de salida suplementario (21') está conectado en serie con el arrollamiento primario (21) a modo de un autotransformador.

15. Dispositivo de circuito de protección según una de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizado porque la sección de conmutación del primer elemento de conmutación (24) está conectada en serie con el arrollamiento primario (21) y el arrollamiento de reacción positiva (22) está conectado con el electrodo de control del primer elemento de conmutación (24).

16. Dispositivo de circuito de protección según una de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque el electrodo de control del elemento de derivación (1) controlable está conectado con un primer circuito de descarga (80', 80”, 80”'), habiéndose elegido la constante de tiempo del primer circuito de descarga de tal modo que la relación del tiempo de la conducción del elemento de derivación (1) al tiempo de no conducción es grande, preferiblemente > 5.

17. Dispositivo de circuito de protección según la reivindicación 16, caracterizado porque el primer circuito de descarga presenta una resistencia (81) conectada en paralelo a la capacidad inherente (3) del elemento de derivación

(1) y, dado el caso, a un condensador (8) conectado en paralelo a esta capacidad inherente.

18. Dispositivo de circuito de protección según una de las reivindicaciones 12 a 17, caracterizado porque el circuito de alimentación (50) presenta un circuito de descarga rápida (26), que descarga rápidamente la capacidad inherente

(3) y, dado el caso, el condensador suplementario (8) conectado en paralelo al comenzar el proceso de basculación.

19. Dispositivo de circuito de protección según la reivindicación 18, caracterizado porque el circuito de descarga rápida presenta un segundo elemento de conmutación (26) electrónico, cuyo electrodo de control está conectado con el arrollamiento de reacción positiva y cuya sección de conmutación está conectada, partiendo de la conexión del electrodo de control del elemento de conmutación de derivación (1), en paralelo a la sección de conmutación del primer elemento de conmutación electrónico (24) o en serie con éste.

20. Dispositivo de circuito de protección según la reivindicación 16, caracterizado porque el primer circuito de descarga (80”) está realizado como circuito de descarga activo que no actúa de forma lineal, que por encima de una tensión umbral tiene una impedancia elevada y por debajo de la tensión umbral tiene una impedancia baja, dependiendo la tensión umbral de la tensión necesaria para el control completo del elemento de conmutación de derivación (1) en su electrodo de control.

21. Dispositivo de circuito de protección según la reivindicación 20, caracterizado porque el primer circuito de descarga (80”) está realizado como circuito disparador de Schmitt.

22. Dispositivo de circuito de protección según la reivindicación 16, caracterizado porque el primer circuito de descarga (80”') presenta un J-FET que conduce por sí mismo y una red de diodo (83'), condensador (82') y resistor de descarga (83'), que forman un elemento temporizador para la desconexión periódica del elemento de conmutación de derivación después de un tiempo definido.

23. Dispositivo de circuito de protección según una de las reivindicaciones 1 a 22, caracterizado porque el elemento de conmutación de derivación controlable tiene asignado un circuito de protección (30) contra sobretensión, así como contra una conexión indeseada.

24. Dispositivo de circuito de protección según una de las reivindicaciones 1 a 23, caracterizado porque para la puesta en cortocircuito del módulo solar para fines de inspección o en caso de incendio, a los electrodos de control de los elementos de derivación se aplica una tensión tal que los elementos de derivación se conmutan a modo de conducción.