Expansión y tensiones térmicas en paneles solares

Los paneles solares funcionan bajo la influencia de una amplia gama de temperaturas, experimentando constantes ciclos de calentamiento y enfriamiento a lo largo de su vida útil. Estas variaciones de temperatura provocan dilataciones y contracciones térmicas de los materiales de los módulos fotovoltaicos, en particular de las células de silicio, las interconexiones (ribbons o busbars) las soldaduras y otros componentes estructurales. Con el tiempo, estas dilataciones y contracciones pueden provocar tensiones mecánicas que comprometan la integridad del panel, creando posibles puntos calientes o incluso provocando fallos y roturas en los busbars y las soldaduras.

Comprender cómo afectan los esfuerzos mecánicos relacionados con la temperatura en un panel solar es fundamental para saber elegir aquellos módulos más robustos y evitar la degradación del rendimiento a largo plazo.

¿En qué consiste el concepto de expansión térmica en células solares?

Cada material de un panel solar, desde la oblea de silicio hasta la soldadura metálica y el encapsulante (EVA o POE), tiene su propio coeficiente de dilatación térmica (CTE o también coeficiente de expansión térmica).

Cuando aumenta la temperatura, los materiales se dilatan; cuando disminuye, se contraen. Dado que los componentes de un panel solar tienen diferentes CTE, se expanden y contraen a ritmos y valores diferentes.

En ciclos térmicos repetidos, como el día y la noche o los cambios estacionales, estas dilataciones desiguales crean tensiones mecánicas internas.

¿Cómo afecta esta contracción y expansión a las células y sus interconexiones?

Las células de silicio están conectadas en cadenas en serie y estas conexiones se realizan mediante unas finas cintas metálicas o barras colectoras soldadas llamadas ribbons o busbars.

Cuando aumenta la temperatura, cada célula y cada cinta se dilatan ligeramente. Aunque el cambio del tamaño en una sola célula es pequeño, la expansión general a través de múltiples células en una fila puede acumularse, desplazando ligeramente las posiciones de las células.

Al enfriarse, las células se contraen y vuelven a una disposición más compacta. Los ciclos repetidos de expansión y contracción provocan cargas cíclicas en las uniones soldadas, que pueden agrietarse y romperse.

¿Que otras consecuencias tiene el incremento de temperatura en un panel FV?

Además de los esfuerzos físicos de contracción y expansión, la variación de temperatura modifica el rendimiento de un panel solar.

¿Qué provoca el incremento de tensión térmica en un módulo fotovoltaico?

Hay tres factores fundamentales que provocan un incremento de la tensión térmica que afecta a un panel fotovoltaico que se resumen a continuación.

1. Diferentes CTE de los materiales: El silicio, el vidrio, los metales y los polímeros se expanden y contraen a diferentes velocidades y valores.
2. Gradientes de temperatura: El módulo puede experimentar un calentamiento desigual (por ejemplo, sombreado parcial o puntos calientes localizados), lo que provoca una expansión localizada y una tensión añadida.
3. Restricciones de montaje: El marco del módulo o la lámina posterior pueden restringir la libre expansión, induciendo concentraciones de tensión donde se fija el panel.

Fallos en las uniones soldadas y puntos calientes

Cuando la tensión térmica se concentra cerca de las interconexiones soldadas, pueden formarse grietas microscópicas en la soldadura. Con el tiempo, estas grietas se propagan, creando una mayor resistencia eléctrica en esa región.

Una pequeña grieta puede convertirse en un defecto importante, conocido como punto caliente (hot-spot), donde el calentamiento localizado daña aún más la célula y reduce la producción de energía.

En casos graves, un solo punto caliente puede provocar una fuga térmica, una delaminación y el final de la vida útil del panel.

Ejemplo de expansión, contracción y distancia entre células

La dilatación térmica de una célula de silicio puede estimarse con la fórmula siguiente de expansión lineal con la temperatura.

ΔL = α x L₀ x (T - T₀)

Donde α es el coeficiente de expasión térmica, L₀ es la longitud original a la temperatura de referencia T₀ y T es la nueva temperatura. Para el caso del silicio cristalino α tiene un valor aproximado de 2.6 x 10^-6 k^-1.

Entonces, si suponemos que una célula de 156 mm de largo está a una temperatura de referencia de 20ºC pasa a una nueva temperatura de 60ºC tendremos lo siguiente.

ΔL_celula = 2.6 x 10^-6 k^-1 x 156 mm x (60 - 20) = 0,0162 mm = 16,2 micras

Aunque 16 micras puede parecer una dilatación pequeña, a lo largo de una cadena de varias células, esta expansión puede acumularse hasta una décima de milímetro que ya es una variación más considerable.

En lo que refiere a las dilataciones en las interconexiones (ribbons y busbars), estas suelen tener un coeficiente de alrededor de algo más de 16,5 x 10^-6 k^-1 (Cobre, plata..) . Es decir, para una interconexión que tuviera una longitud de 156mm, tendría esta dilatación:

ΔL_busbar = 16,5 x 10^-6 k^-1 x 156 mm x (60 - 20) = 0,102 mm = 102 micras

Como puedes apreciar la expansión lineal es mucho mayor que la de la célula (16 micras). Esto incrementa notablemente la probabilidad de tensiones en dichas interconexiones y de las soldaduras, que termina por provocar las roturas que generan los puntos calientes (hotspots) que destruyen un panel.

Ejemplo de esquema de expansión de células solares con la temperatura

A continuación se muestra un diagrama simplificado que muestra cómo las células y las interconexiones pueden desplazarse con la expansión térmica.

Las dilataciones mostradas se han exagerado para mayor claridad, pero ponen de manifiesto la diferencia de dilataciones entre las células de silicio (CTE más bajo) y las cintas metálicas (CET más alto). Estas dilataciones además concentran la tensión a lo largo de las uniones soldadas.

• Temperatura Inicial: Cada célula está a una temperatura más baja (por ejemplo, 20 °C) y el esquema incluye un pequeño espacio (0,3 mm) entre las células para permitir una pequeña expansión. Las finas cintas metálicas o busbars soldadas a los bordes de las células permiten la conectividad eléctrica para la circulación de corriente.
• Después del calentamiento: Las células pueden calentarse hasta 60°C o más en un día soleado. Incluso una pequeña expansión (por ejemplo, 16 µm) se va sumando a través de cada célula. Las interconexiones soldadas sufren tensiones cíclicas de tracción o compresión. Con el tiempo, esto puede dar lugar a microfisuras y roturas que aumenten la resistencia local o acaben provocando un punto caliente.

¿Qué soluciones existen para este problema?

Para evitar este problema tan importante, existen paneles solares que no utilizan soldaduras ni interconexiones entre células. De este modo, se mitigan los problemas de expasión y contracción y se evitan las roturas de las cintas y las soldaduras. En la industria fotovoltaica actual, el mejor ejemplo sería la tecnología HJT Gapless de las placas solares REC, que no utiliza ni soldaduras ni cintas de interconexión entre células.