Módulo FV
Los módulos solares fotovoltaicos (FV) utilizan el efecto fotovoltaico para generar corriente eléctrica al exponerse a la luz. Cuando la luz llega a una celda fotovoltaica, se genera una corriente que excita los electrones que luego pasan a través de una barrera o unión unidireccional, lo que los obliga a fluir a través de un circuito para regresar a su punto de origen. El movimiento de estos electrones se puede utilizar para realizar trabajos o alimentar cargas electricas como aparatos y luces. Hay muchas tecnologías diferentes disponibles y formas de diseñar un sistema que pueda satisfacer necesidades que van desde iluminación simple hasta electrodomésticos, bombeo de agua o suministro de energía a las ciudades.
Los módulos fotovoltaicos se componen de celdas individuales conectadas juntas en serie y cada una produce alrededor de ,5 V cuando se expone a suficiente luz. Los módulos FV vienen en varias configuraciones - las mas comúnes son:
- Un módulo de 36 celdas de ,5 V cada uno. Tiene una voltaje de potencia maxima (Vmp) de 18 V.
- Un módulo de 60 celdas de ,5 V cada uno. Tiene una voltaje de potencia maxima (Vmp) de 30 V.
- Un módulo de 72 celdas de ,5 V cada uno. Tiene una voltaje de potencia maxima (Vmp) de 36 V.
La fuente FV para un sistema autónomo (el módulo FV o los módulos FV en la matriz) deben dimensionarse y seleccionarse junto con el controlador de carga; consulte La fuente FV y la selección y dimensionamiento del controlador de carga para obtener más información.
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Tipos
Hay muchas químicas diferentes que se utilizan en las células FV, pero hay dos categorías principales de módulos que se encuentran en el mercado. Cada tipo de módulo FV sigue teniendo diferentes características que pueden resultar atractivas según las circunstancias, como un precio más bajo o una mayor eficiencia. Los módulos FV se clasifican en términos de eficiencia en la conversión total de luz en electricidad utilizable, una medida que ha ido aumentando lentamente para todos los tipos de módulos a lo largo de los años. En términos más simples, un módulo que tiene una eficiencia del 20% es capaz de convertir el 20% de toda la luz que lo recibe en electricidad. Aumentar la eficiencia en un 3% (del 17% al 20%) puede no parecer mucho, pero dará como resultado un aumento del 17,6% en la producción del módulo fotovoltaico (3% ÷ 17% × 100 = 17,6%).
Módulos de silicio cristalino
El tipo de módulo más común en el mercado. Estos módulos pueden venir en construcción poli o monocristalina. Los nombres se derivan de la forma en que se fabrican con células monocristalinas que se cortan de un solo cristal y las células policristalinas están compuestas de silicio de varios cristales. Ambos tipos están compuestos por unos pocos materiales simples (promedio en peso): 76% de vidrio (superficie del panel), 10% de polímero (encapsulante y lámina posterior), 8% de aluminio (principalmente el marco), 5% de silicio (celdas fotovoltaicas), 1% de cobre (interconectores) y menos de 0,1% de plata (líneas de contacto) y otros metales (principalmente estaño y plomo).[1]
- Los módulos monocristalinos son más caros, pero alcanzan eficiencias más altas alrededor del 17-20%.
- Los módulos policristalinos son menos costosos y menos eficientes con eficiencias alrededor del 16-17%.
Variantes de módulos de silicio cristalino
- Los módulos PERC (emisor pasivado y contacto trasero o celda trasera) tienen una capa adicional que aumenta la eficiencia en alrededor del 21%. El proceso de fabricación es más complicado por lo que son más caros que los módulos básicos.
- Los módulos bi-faciales tienen un diseño diferente y carecen de la lámina posterior de polímero blanco (plástico) que la mayoría de los módulos fotovoltaicos tienen para permitirles absorber más luz solar desde la parte trasera. Para instalaciones como montajes sobre el suelo and montajes en postes, donde la parte posterior del módulo fotovoltaico está expuesta a luz que puede reflejarse en el suelo u otras superficies, esto puede aumentar la producción entre un 5% y un 30%. El proceso de fabricación es más complicado por lo que son más caros que los módulos básicos.
Módulos de película delgada
Los módulos de película delgada se construyen colocando material FV en una o más capas sobre un material de soporte como vidrio, plástico o metal. Los módulos de película delgada vienen en varios tipos, siendo el telururo de cadmio (CdTe) el más común. Los módulos de CdTe contienen mucho menos aluminio y más vidrio que los módulos de silicio cristalino (promedio en peso): 97% de vidrio (superficie del panel), ~ 3% de polímero (cajas de conexiones y sellador) y cantidades insignificantes de semiconductores y metales.[1] Los módulos de película delgada son mucho menos eficientes que los módulos de silicio cristalino con una eficiencia de alrededor del 9%, pero significativamente más baratos.
Condiciones de prueba estándar
Los módulos FV se clasifican en términos de vatios (W) en condiciones de prueba de laboratorio determinadas por la industria denominadas condiciones de prueba estándar (STC). Las tres condiciones son: la fuerza de la luz solar llamada irradiancia, temperatura de las celdas del módulo y la masa de aire. La masa de aire se fija para una ubicación determinada, por lo que juega un papel menos importante que los otros dos. Los módulos fotovoltaicos solo producirán su potencia nominal en su punto de máxima potencia, que es Vmp multiplicado por Imp, en condiciones de prueba estándar de laboratorio. Estas condiciones no se alcanzan con frecuencia en la mayoría de los lugares, ya que las temperaturas de las células aumentan rápidamente cuando se exponen a la luz solar y la irradiación de 1000 W/m² solo se produce cuando el cielo está despejado cerca del mediodía. Por lo tanto, la curva que se muestra en los gráficos anteriores cambiará según las condiciones.
Un módulo FV se prueba y se clasifica según los siguientes valores que se pueden encontrar impresos en el módulo o en su hoja de especificaciones:
- Tensión de circuito abierto (Voc) - El voltaje que el módulo producirá bajo STC cuando esté en un circuito abierto (desconectado, sin flujo de corriente).
- Corriente de cortocircuito (Isc) - La corriente que un módulo producirá bajo STC cuando está cortocircuito (toda la corriente disponible fluyendo casi sin resistencia, por ejemplo cuando se conecta la salida positiva directamente la salida negativa de un módulo FV).
- Tensión de potencia máximo (Vmp): El voltaje que producirá el módulo cuando se conecte a un circuito bajo STC.
- Corriente de potencia máxima (Imp): La corriente que producirá el módulo cuando se conecte a un circuito bajo STC.
- Coeficiente de temperatura de potencia máxima (Tkpmp): Un coeficiente que se puede usar para ajustar la potencia del módulo a los aumentos y disminuciones de temperatura en %/°C o V/°C.
- Coeficiente de temperatura de tensión de circuito abierto (Tkvoc): Un coeficiente que se puede usar para ajustar el voltaje del módulo a los aumentos y disminuciones de temperatura en %/°C o V/°C.
Irradiancia
La irradiancia es una medida de la intensidad de la luz solar (potencia) que varía constantemente a lo largo del día de forma natural a medida que el sol se mueve por el cielo, pero también debido al clima. La irradiancia medida a lo largo del tiempo se conoce como insolación solar y es de vital importancia para diseñar sistemas FV y para evaluar el rendimiento de un sistema FV a lo largo del tiempo. En un día despejado, la irradiación alcanzará su punto máximo alrededor del mediodía. 1000 W/m² es un valor de irradiancia para un día despejado alrededor del mediodía, lo que significa que no es probable que sea una condición de funcionamiento normal en la mayoría de los lugares. La irradiancia solo se puede medir con equipos especializados y sensibles, pero se puede estimar ya que la irradiancia tiene una relación directa con la corriente y la potencia que emite el módulo. Los módulos FV reciben sus valores nominales de potencia probándolos a 1000 W/m² de irradiancia bajo condiciones de prueba estándares. La irradiancia por debajo de 1000 W/m² reduce la corriente de la celda y la irradiancia por encima de 1000 W / m² aumenta la corriente de la celda. La irradiancia puede aumentar más allá de 1000 W / m² bajo ciertas condiciones geográficas y meteorológicas. La fórmula para calcular la producción basada en la irradiancia es:
| Factor para ajustar rendimiento por irradiancia | = W/m² actual ÷ 1000 W/m² |
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Ejemplo 1: Un módulo FV tiene una potencia nominal de 200 W. La irradiancia se mide a 750 W/m² y la temperatura del módulo FV se mide a 25°C. ¿Qué debería ser el rendimiento del módulo?
- Factor de pérdida por irradiancia = 750 W / m² ÷ 1000 W / m² = ,75
- Potencia ajustada por irradiancia baja = 200 W × ,75
- Potencia ajustada por irradiancia baja = 150 W
Temperatura celular
La temperatura celular no es más complicada de lo que parece: es simplemente la temperatura de las celdas del módulo. La temperatura de la celda se puede medir fácilmente y tiene una relación directa con el voltaje. Las temperaturas de la celda por encima de 25°C disminuyen el voltaje de la celda y las temperaturas de la celda por encima de 25°C aumentan el voltaje de la celda. Si las temperaturas de la celda son inferiores a 25°C, es posible que a exceda el voltaje de circuito abierto (Voc) nominal del módulo. Las pérdidas debidas al aumento de la temperatura de la celda reducen en gran medida la producción de celdas FV en todas las instalaciones en algún momento. La fórmula para calcular las pérdidas debidas temperaturas altas de la celda es:
| Factor de perdida de temperatura celular | = temperatura celular actual - 25°C × coeficiente de temperatura de potencia máxima (Tkpmp) |
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- TkPmp es un valor de la hoja de especificaciones del módulo y normalmente tiene la forma de %/°C.
Ejemplo 1: Un módulo FV tiene una potencia nominal de 200W. La temperatura de la celda se mide a 35°C. Las especificaciones del módulo indican que tiene un coeficiente de temperatura de potencia máxima (Tkpmp) de -,48%/°C. ¿Qué debería ser el rendimiento del módulo?
- Factor de pérdida de temperatura celular = 35°C - 25°C × -,48%/°C
- Factor de pérdida de temperatura celular = -4,8%. La producción será del 95,2% de la energía STC.
- Potencia ajustada para altas temperaturas = 200 W × .952
- Potencia ajustada para altas temperaturas = 190,4 W
Masa de aire
La masa de aire es una medida de la cantidad de atmósfera que debe atravesar la luz del sol antes de llegar al módulo FV. Varía globalmente, pero no es relevante aquí, ya que no es un factor que varíe significativamente para una ubicación determinada de un año a otro.
Vida estimada
Un módulo FV de silicio bien hecho seguirá funcionando durante 25 años, aunque todos los módulos se degradan con el paso del tiempo. Los módulos de alta calidad se degradan a una tasa promedio de ,5% a 1% por año, mientras que los módulos mal hechos se degradan aún más rápido. Ésta es la principal diferencia entre los diferentes costos y calidades de los módulos.
Mantenimiento
Los módulos FV están construidos con materiales duraderos y no tienen partes móviles. El único mantenimiento que probablemente necesite un módulo FV es una limpieza de vez en cuando si el módulo se encuentra en un área que carece de lluvias regulares.
Reciclabilidad
Las clasificaciones de desechos de los módulos FV varían significativamente según el lugar, pero independientemente del país, deben tratarse como desechos especializados y no deben desecharse con la basura normal. El proceso de reciclaje de un módulo FV consiste en descomponerlo en sus componentes principales y luego enviarlos a través de las cadenas de reciclaje adecuadas. Desafortunadamente, en muchas áreas donde se utiliza la energía FV para facilitar el acceso a la energía, no hay regulaciones suficientes y, por lo tanto, una falta total de mercado e infraestructura para manejar los residuos de los módulos fotovoltaicos.
- La mayoría de los módulos FV instalados en todo el mundo son de silicio cristalino (módulos c-Si) que, en promedio, están compuestos por aproximadamente un 90% de materiales no peligrosos en masa [1] - vidrio, aluminio y polímero - que se reciclan o eliminan con relativa facilidad. Aproximadamente el 85% de un módulo se puede reciclar [1]. El problema es el otro 10% de un módulo fotovoltaico que incluye las células fotovoltaicas que pueden contener plata, estaño, plomo y otros elementos [1]. El reciclaje adecuado de estas partes del módulo requiere un manejo y procesos especializados.
- Los módulos de película delgada representan una porción más pequeña de los módulos fotovoltaicos utilizados en instalaciones a nivel mundial y consisten aproximadamente en un 98% de materiales no peligrosos como vidrio, polímero, aluminio y cobre. Desafortunadamente, el otro 2% de los módulos de película delgada contienen varios materiales peligrosos como indio, galio, selenio, telurio de cadmio y plomo [1]. El reciclaje adecuado de estas partes del módulo requiere un manejo y procesos especializados.
