Guía sobre placas fotovoltaicas: Funcionamiento y composición

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?

Diferencias entre paneles fotovoltaicos y paneles térmicos:

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.

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.

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.

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.

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:

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:

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.

Los conectores MC4 y cómo conectarlos:

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.

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.

¿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:

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

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 I_G1 y un voltaje total del generador V_G = V_A1 + V_A2 .

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 I_G = I_sc y V_G2 = V_A2 + V_A1 = 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 V_B2 = -V_A2 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.

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

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

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:

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

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:

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, V = 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 (PM) es un punto de trabajo en el que la potencia entregada por el panel solar a la carga externa, es máxima. La potencia P entregada por el panel es: P = 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 y 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 o STC, del inglés, Standard Test Conditions):

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:

¿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:

• la radiación incidente en cada momento y la temperatura del panel/célula.
• Aunque tampoco es conveniente olvidarse de lo importante que es el estudio de sombras para paneles solares.

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.

¿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.

Reciclado de los materiales de un panel solar:

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….

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.

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