Guía sobre placas fotovoltaicas: Funcionamiento y composición

 

Ejemplo de paneles solares con defectos graves

La información que encontrarás a continuación es fruto de más de 10 años de experiencia de nuestra empresa en el sector de las energías renovables (fotovoltaica), y que es importante conocer antes de poner placas solares fotovoltaicas en tu vivienda o empresa para que no te sucedan cosas como las de la imagen.

Esperamos que te resulte útil y de ayuda para saber elegir tu instalación de paneles fotovoltaicos.

¿Qué es un panel fotovoltaico?

Ejemplo de un panel fotovoltaico para generar electricidad a partir de la luz solar

A grandes rasgos, un panel fotovoltaico, módulo fotovoltaico o simplemente panel solar, es un conjunto de células fotovoltaicas conectadas entre sí para producir electricidad, gracias a la radiación solar (energía del sol que llega a la tierra en forma de fotones) y el efecto fotoeléctrico.

Diferencias entre paneles fotovoltaicos y paneles térmicos:

Panel solar fotovoltaico (izquierda) y Panel solar térmico (derecha)
Panel solar fotovoltaico (izquierda) y Panel solar térmico (derecha)

 Paneles fotovoltaicosCaptadores Térmicos
FunciónGeneración de electricidadGeneración de calor
AplicaciónElectricidadACS y calefacción
Vida útilEntre 15 -30 añosEntre 10 - 15 años
Conversión de energíaEficiencia de hasta un 22%Eficiencia de hasta un 90%

Aunque se parecen, un panel fotovoltaico no debes confundirlo con un colector o captador térmico, que se utiliza para la generación de agua caliente.

Placas solares: ¿Qué son y cómo funcionan?

Los paneles solares, como los que se usan en una instalación de autoconsumo fotovoltaico, convierten la energía solar en energía eléctrica y para comprender cómo se produce esa conversión, es fundamental conocer en qué consiste ese efecto fotoeléctrico.

El efecto fotoeléctrico, a groso modo, se produce cuando una superficie se expone a la radiación electromagnética sobre cierta frecuencia del umbral (luz visible para los metales alcalinos, cerca del ultravioleta para otros metales, y al ultravioleta en el vacío para los no metales), y en esas condiciones la superficie en cuestión absorbe la luz incidente y emite electrones (e).

En el caso de la fotovoltaica, la superficie expuesta es la célula solar, que está compuesta fundamentalmente por silicio.

Como ya deberías saber, la corriente eléctrica se establece siempre en un circuito cerrado, y por tanto la energía eléctrica generada será entregada a dispositivos de carga o de consumo (teléfonos, electrodomésticos, baterías….).

Tal como podemos ver en la figura siguiente, el elemento de consumo sería una resistencia eléctrica con un valor R (en Ohmios), por lo que la potencia disipada en esa resistencia sería el producto de la corriente que circula por ella (I) por la diferencia de potencial, o tensión, entre sus polos.

Ambos, tensión y corriente, originados por la célula. Sería pues: P = I x V.

Esquema funcionamiento de célula solar fotovoltaica

Por supuesto un panel solar tiene una serie de parámetros fundamentales que debes conocer y consta también de más partes, el marco, el backsheet, el tedlar de panel solar etc... que será objeto en otro artículo.

Pero ahondemos un poco más:

Como hemos dicho, básicamente, lo que hacen los paneles solares es transformar la energía solar en energía eléctrica.

Es decir, se trata de la conversión de la luz proveniente del sol en forma de radiación (unas partículas llamadas fotones) en electricidad. Esto es conocido como el "efecto de conversión fotovoltaica" o Efecto Fotovoltaico.

Esto ocurre por qué el silicio ,que compone las células fotovoltaicas , tiene esa propiedad que fue explicada por Albert Einstein en el efecto fotoeléctrico.

En resumen, así sería cómo funcionan los paneles fotovoltaicos para un sistema de autoconsumo con conexión a red:

  1. La radiación solar (los fotones) inciden sobre la placa fotovoltaica.
  2. Las células del panel fotovoltaico convierten esa radiación en electricidad (en corriente continua).
  3. Es corriente continua va a un inversor solar, que la convierte en corriente alterna (CA), que es la que usamos para alimentar cualquier dispositivo eléctrico, a 120 o 240 voltios.
  4. Esa corriente alterna, entra a la caja de conexiones de nuestra vivienda.
  5. La electricidad entonces se distribuye en función de los consumos demandados en la vivienda en cada momento.
  6. En caso de que la electricidad generada por los paneles solares no sea suficiente, la vivienda tomará de la red eléctrica la parte que necesite.

¿De qué material está hecho un panel fotovoltaico?

El proceso de fabricación de un panel fotovoltaico consiste en la incorporación progresiva de una serie de elementos que conformará el producto final que llegará a nuestras manos.

Partes de un panel fotovoltaico

Como se puede apreciar, si le hacemos un corte transversal a un panel fotovoltaico se podría ver que está compuesto por los siguientes materiales:

  • El Tedlar: que es un tipo de PVC que va por la parte posterior del panel, generalmente de color blanco.
  • Las células solares: que son las encargadas de transformar la energía de los fotones de la luz solar en electricidad.
  • El EVA: que es un encapsulante que se encarga de proteger a las células solares.
  • El vidrio: de cristal templado, generalmente de 3-4mm, y que también tiene la función de proteger las células.
  • La silicona que rodea el perímetro del panel.
  • El marco: generalmente de aluminio anodizado, posee orificios para por la parte posterior para poder sujetar el panel a la estructura de soporte, además de dar robustez al panel.
  • La caja de conexiones: De ella partirán los cables eléctricos (positivo y negativo) para conectar los paneles. Generalmente la caja de conexiones tiene protección IP67/IP68.

Laminado:

Los materiales se colocan en el siguiente orden: Vidrio-EVA-Células-EVA-Tedlar y se introducen en la máquina laminadora que podemos ver en la siguiente imagen.

Laminadora panel solar
Laminadora panel solar

El proceso de laminación consiste en hacer un compacto de todos los materiales, sin aire en su interior, y con las capas de los distintos materiales adheridas entre sí. Se emplean equipos llamados ‘laminadoras’ que realizan un ciclo de calentamiento, vacío y presión para conseguir tal fin.

El conjunto de materiales de laminación se coloca en una plataforma caliente (100ºC) y se cierra la tapa del laminador quedando un “sándwich”, y al mismo tiempo que se calienta se va haciendo el vacío.

Cuando se alcanza el nivel de vacío deseado, baja un diafragma que hace presión sobre los materiales de laminación prensándolos para lograr un conjunto sólido y estanco (sería básicamente el módulo fotovoltaico a falta de la caja de conexiones y el marco).

Enmarcado:

El proceso de enmarcado de las placas solares consiste en colocar al laminado, obtenido del proceso anterior, un marco de aluminio que tiene una doble función. Proteger el perímetro del laminado de posibles golpes durante su instalación y/o manipulación, así como de la humedad. Dar al módulo una estructura manejable para facilitar su instalación sobre algún tipo de soporte o estructura para paneles solares.

Para fijar el marco se rellena la canaleta que tiene dicho marco con silicona donde se alojará el borde del laminado. Se puede observar el espacio reservado para la silicona en la imagen, la zona de color negro en la imagen al principio del articulo.

Se coloca un marco por cada lado del laminado y se atornillan los marcos entre sí, dándole al módulo una rigidez mecánica y terminando así el proceso de fabricación de una placa solar fotovoltaica.

El grosor y la función del vidrio:

La lámina de vidrio frontal protege las células fotovoltaicas contra el clima y contra los efectos del granizo o de la suciedad en el aire. Suele ser un vidrio templado de alta resistencia, de 3,0 a 4,0 mm de espesor, que está diseñado para soportar cargas mecánicas y cambios drásticos de temperatura.

vidrio paneles solares

Muchos fabricantes que tienen un contenido de hierro muy bajo y una capa antirreflectante. También algunas marcas utilizan vidrios de alta transmisividad para aumentar la calidad y la durabilidad con el fin de minimizar las pérdidas y mejorar la transmisión de la luz y, por tanto, el rendimiento del panel.

La importancia del marco de aluminio:

El marco de aluminio de un panel solar se encarga de proteger el borde de la parte laminada que alberga las células y proporcionar robustez para montar el panel solar en los soportes correspondientes.

Generalmente, el marco suele tener un grosor de entre 30mm o 45mm, menos de esto sería poco recomendable pues debilitaría la robustez del panel.

El marco de aluminio puede ser plateado o negro anodizado. El marco negro se suele utilizar en módulos diseñados para viviendas, para una mejor integración y estética.

marco de aluminio de un panel solar

Los conectores MC4 y cómo conectarlos:

Los paneles fotovoltaicos se conectan entre si mediante el uso de conectores MC4. El término MC4 significa: conector multi-contacto de 4mm de diámetro.

Los conectores deben ser muy duraderos, seguros, resistentes a los rayos UV y mantener un buen enlace con una resistencia mínima a bajos y altos voltajes de hasta 1000-1500V debido a las severas condiciones climáticas a las que están expuestos los paneles.

conectores MC4 utilizados en paneles solares

Antes de conectar los paneles, debemos asegurarnos que los conectores son los mismos. De no serlos, puede provocar la entrada de agua y la formación de arcos eléctricos que pueden quemar los conectores.

¿Qué es la caja de conexiones de un panel solar?

Se encuentra en la parte posterior de la placa solar, de donde salen los terminales de interconexión. En dicha caja vienen marcados el positivo y negativo del panel y en su interior, protegidos con silicona, van colocados los diodos de protección (bypass) de los que hablaremos a continuación.

Como ejemplo, se muestra, a continuación, una imagen de la caja de conexiones que incorporan los módulos fotovoltaicos en su parte posterior.

caja conexiones panel solarworld

¿Qué son los diodos de protección o “bypass”?

Los diodos de protección que van instalados en la caja de protecciones tienen como objeto el evitar los efectos que se producen por los puntos calientes y sombreados, que pueden afectar negativamente al rendimiento del panel.

El punto caliente (o hot spot) tiene lugar, cuando en una serie de células una tiene un defecto de fabricación ó se encuentra parcialmente sombreada, que es el caso más corriente y con mayor peligro en una instalación de conexión a red o bombeo directo, cuando el número de módulos en serie es elevado.

Por ejemplo pensemos en una instalación de conexión a red con 8 paneles solares conectados en serie, tenemos 36 x 8 = 288 células en serie, o si por ejemplo, pensemos en una instalación de bombeo que fueran 17 paneles en serie, 36 x 17 = 612 en serie.

Veamos un ejemplo para el caso de dos células, no iguales A y B en serie. El comportamiento de la curva resultante es el siguiente:

curva diodo paneles

En el punto correspondiente al voltaje de circuito abierto, la corriente total del generador es igual a cero, y el voltaje resultante VG es igual a la suma de los dos voltajes de circuito abierto VocA + VocB .

En el punto 1, o en cualquier punto situado entre P y el voltaje de circuito abierto, las dos células operan como generadores, con una corriente IG1 y un voltaje total del generador VG = VA1 + VA2 .

El punto P corresponde al límite de la corriente de cortocircuito de la célula de menor eficiencia ó sombreada, y el voltaje resultante en este punto será el voltaje de la curva A, ya que la curva B en este punto tiene V=0.

El punto 2 correspondería a la operación en el voltaje de circuito abierto del generador, donde IG = Isc y VG2 = VA2 + VA1 = 0. Para que esto se cumpla, es decir, que el voltaje del generador sea igual a cero, la célula B se polarizará inversamente hasta adquirir un voltaje VB2 = -VA2 actuando consiguientemente como un receptor.

Este mismo razonamiento es aplicable para una asociación de células más numerosa, o placas fotovoltaicas conectadas en serie como es nuestro caso. En una situación próxima a la de cortocircuito, haría que la célula sombreada tuviera que disipar una potencia elevada igual a la generada por el resto de células, calentándose y produciéndose sobre ella el fenómeno del punto caliente.

Para evitar una disipación de potencia que pudiera elevar la temperatura hasta el punto de deteriorar la célula se recurre a la inserción de los diodos de paso en paralelo con una rama de células conectadas en serie.

esquema eléctrico de funcionamiento panel
Esquema eléctrico de funcionamiento panel

Cuando un módulo esta generando la circulación de corriente es la indicada con el camino rojo.

Esquema eléctrico panel generando
Esquema eléctrico panel generando

Si una célula esta sombreada se comporta como un diodo y el camino será:

Esquema células con sombra en una de ellas
Esquema células con sombra en una de ellas

Como se puede ver, este es el motivo de instalar los diodos para la protección contra sombras, la menor resistencia al paso de la corriente la ofrece el diodo y no la célula que es un diodo polarizado de forma inversa.

Como caso real, mostramos una foto de 2 diodos de protección (bypass) de una caja de conexiones típica en placas solares. En este caso son 2 diodos, 1 por cada 18 células:

Caja de conexiones con diodos en placas solares

Variables que afectan a los parámetros reales de salida de un módulo fotovoltaico:

Cuando se iluminan las células fotovoltaicas de los módulos fotovoltaicos mientras están conectados a una carga externa, éstas funcionan como generador de energía y genera unos valores de corriente y tensión.

Estos valores son variables en función de:

  • la temperatura
  • la irradiancia (magnitud que describe la radiación o intensidad de iluminación solar que llega hasta nosotros medida como una potencia instantánea por unidad de superficie, W/m2 o unidades equivalentes) en ese momento
  • del punto de trabajo que impone la carga (esto quiere decir que, por ejemplo, si nuestro panel está conectado a una batería de 12V, limitará la tensión de salida del panel, a 12V).

Parámetros característicos:

Veamos pues, gráficamente, los parámetros característicos en la siguiente gráfica, para definirlos posteriormente:

Curva Tensión/Corriente/Potencia módulo fotovoltaico
Curva Tensión/Corriente/Potencia módulo fotovoltaico

Así pues, los parámetros fundamentales que debes conocer de las placas fotovoltaicas son:

  • La corriente de cortocircuito (ISC) es el valor de la corriente que circula por la placa solar cuando la tensión en sus terminales es nula, = 0, y es la máxima corriente que se podría llegar a obtener (en un caso ideal) del panel solar cuando trabaja como generador.
  • La tensión de circuito abierto (VOC) es la mayor tensión que puede polarizar al dispositivo cuando trabaja como generador.
  • El punto de máxima potencia (PMes un punto de trabajo en el que la potencia entregada por el panel solar a la carga externa, es máxima. La potencia entregada por el panel es: I x V, que se ha representado también en la figura anterior. El punto de trabajo correspondiente, (VM,IM), define los valores nominales de la tensión y la corriente en el punto de máxima potencia (no confundir con tensión y corriente máximas), siendo: PM IM x VM.
  • El factor de forma (FF, del inglés, Fill Factor) es la relación entre la potencia máxima (o el producto de la corriente y la tensión en el punto de máxima potencia) y el producto de ISC VOC. Su valor es más alto cuanto mejor es la célula.
    Por lo general, un valor bajo de FF está asociado con la existencias de pérdidas de eficiencia en el dispositivo, mientras que una célula de buena calidad suele tener valores de FF superiores a 0.70. Por ejemplo, los paneles solares SunPower tienen un FF>0,75, lo que confirma que cuanto más alto es el FF, más calidad tiene el panel.
  •  La eficiencia, se expresa habitualmente como un porcentaje y es la relación entre la potencia eléctrica entregada por el panel y la potencia de la radiación que incide sobre él. Una eficiencia estándar estaría en torno al 15-16%, y un panel de alta eficiencia sería a partir de 19-20%.
  • Salida en alterna: Este es otro parámetro que se debe mirar con aquellos paneles que vienen con salida en alterna de serie, casos como los SunPower MAXEON 5 AC o los Performance 3 AC.

Condiciones estándar de medida:

Estos son los parámetros fundamentales de los paneles fotovoltaicos convencionales,  que deben siempre medirse bajo una serie de condiciones de trabajo aceptadas internacionalmente, conocidas como Condiciones Estándar de Medida (CEM STC, del inglés, Standard Test Conditions):

Estas condiciones se definen por 1000 W/m2 de irradiancia (hora solar pico definición), con una distribución espectral AM1.5G y 25°C de temperatura. Estas son las condiciones que se tienen en cuenta a la hora de expresar los valores nominales de un panel solar en sus fichas técnicas.

Se puede comprobar, por ejemplo, si descargamos la ficha técnica del panel solar, como está indicado que los valores de la ficha son bajo las condiciones STP:

Ejemplo parámetros STC
Ejemplo parámetros STC

¿Qué es la potencia pico de un panel fotovoltaico?

Es la potencia máxima real que puede entregar un panel fotovoltaico en las condiciones estándar de medida (CMS o STC), que son: 25ºC de temperatura y 1000W/m2 de radiación.

La potencia de los paneles monocristalinos siempre es mayor que la de los paneles policristalinos, a igual superficie, por ser mucho más eficientes.

Efectos sobre la generación de energía

En el proceso de generación de energía eléctrica de un módulo fotovoltaico pueden afectar a su funcionamiento, dos factores:

Efecto de la radiación en un módulo solar:

La producción de un módulo fotovoltaico es prácticamente proporcional a la radiación incidente. Cuanto menor sea la radiación, menor será la potencia de salida del módulo.

Podemos apreciarlo en la siguiente gráfica, donde se ve claramente que a menor radiación (W/m2), menos corriente genera el panel solar.

 

Curva generación panel solar en función de radiación incidente
Curva generación panel solar en función de radiación incidente

 

¿Cuánto tiempo de vida tiene una placa fotovoltaica?

Aquí es donde se refleja la importancia de tener una placa fotovoltaica con buena garantía. Los paneles fotovoltaicos se sabe que pueden durar 30, 40 o 50 años. Pero aún no se sabe realmente con certeza, por qué las instalaciones más antiguas tienen en torno a 40 años y siguen funcionando.

Bien es cierto que las placas fotovoltaicas suelen perder en torno a un 0,7-1% de potencia al año.  Pero si te has preocupado con comprarlas con 25 años de garantía de producto y producción, lo más probable es te vaya a durar esos 40 años o más.

Por tanto, no veas la inversión en una placa solar como algo a corto plazo, piensa que vale mucho la pena pagar un poco más, con una buena garantía y saber que luego vas a tener muchos años de beneficio gracias a esa calidad. Si por el contrario compras placas fotovoltaicas que a los 10-15 años tienes que cambiarlas.... al final el retorno de la inversión es mucho peor por qué tendrás que cambiarlas por unas nuevas, más mano de obra, desmontar las antiguas, reciclarlas .... etc.

Reciclado de los materiales de un panel solar:

Más del 88% de los materiales que componen un panel fotovoltaico son recuperables gracias a la tecnología de reciclaje que existe en la actualidad.

Por cada tonelada de paneles fotovoltaicos que se llevan a reciclar la tecnología actual permite recuperar gran parte del vidrio y materiales afines al silicio, así como el aluminio de los marcos metálicos y parte del cobre empleado en el cableado.

Por otro lado, también hay que tener en cuenta que pueden contener materiales perjudiciales para el medioambiente, como el teluro de cadmio o el dióxido de silicio presente en el vidrio y que deben ser tratados convenientemente.

Conclusiones:

¿De qué vale comprar placas fotovoltaicas a precio bajo, si en pocos años te van a dar problemas?:

Piénsalo bien, una placa solar fotovoltaica es un producto que debe estar, todos los días, expuesta a la intemperie ( con sol, lluvia, frío, granizo…), cambios de temperatura que pueden ser de hasta 80C en la superficie del panel…  y debe funcionar, al menos, durante 30 años o más….

Por ese motivo hay que valorar la inversión en placas fotovoltaicas, como algo a largo plazo. No te dejes arrastrar por informaciones sesgadas como la lista Tier 1 de paneles solares, o aprende la importancia de la letra pequeña de la garantía de un panel solar.

En un momento en que estamos constantemente recibiendo precio de placas solares de bajo coste, y por supuesto de baja calidad, para nosotros siempre ha sido casi una obligación ética transmitir que el uso de placas fotovoltaicas de calidad es fundamental para el buen funcionamiento de cualquier sistema fotovoltaico.

Si vas a contratar una instalación de paneles solares en tu vivienda, exige siempre comprar panel solar que te de, como mínimo, 25 años de garantía de producto (incluyendo los costes de sustitución) y también 25 años de garantía de producción. Será tu mejor decisión.

Autor:

José Alfonso Alonso Lorenzo

José Alfonso Alonso Lorenzo

Profesional Fotovoltaico desde 2006.

  • Ingeniero técnico Industrial por la Escuela Politécnica de Ferrol.
  • Experto en Solar Fotovoltaica por el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas de Madrid en 2009-2010.
  • Experto Profesional en Energía Fotovoltaica, por la UNED 2010-2011.
  • Gerente y Responsable de Compras en SunFields Europe desde 2010.
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