Un panel solar es un dispositivo que convierte la luz solar en electricidad mediante el uso de células fotovoltaicas (PV). Las células fotovoltaicas están hechas de materiales que producen electrones excitados cuando se exponen a la luz. Los electrones fluyen a través de un circuito y producen electricidad de corriente continua (CC), que puede usarse para alimentar varios dispositivos o almacenarse en baterías . Los paneles solares también se conocen como paneles de células solares , paneles eléctricos solares o módulos fotovoltaicos .
Los paneles solares suelen estar dispuestos en grupos llamados matrices o sistemas . Un sistema fotovoltaico consta de uno o más paneles solares, un inversor que convierte la electricidad de CC en electricidad de corriente alterna (CA) y, a veces, otros componentes como controladores , medidores y seguidores . Se puede utilizar un sistema fotovoltaico para proporcionar electricidad para aplicaciones fuera de la red, como casas o cabañas remotas, o para inyectar electricidad a la red y obtener créditos o pagos de la empresa de servicios públicos. A esto se le llama sistema fotovoltaico conectado a la red .
Algunas ventajas de los paneles solares son que utilizan una fuente de energía renovable y limpia, reducen las emisiones de gases de efecto invernadero y reducen las facturas de electricidad. Algunas desventajas son que dependen de la disponibilidad e intensidad de la luz solar, requieren limpieza y tienen altos costos iniciales. Los paneles solares se utilizan ampliamente para fines residenciales, comerciales e industriales, así como para aplicaciones espaciales y de transporte .
En 1839, el físico francés Edmond Becquerel observó por primera vez la capacidad de algunos materiales para crear una carga eléctrica a partir de la exposición a la luz . [1] Aunque estos paneles solares iniciales eran demasiado ineficientes incluso para dispositivos eléctricos simples, se utilizaron como instrumento para medir la luz. [2]
La observación de Becquerel no se volvió a repetir hasta 1873, cuando el ingeniero eléctrico inglés Willoughby Smith descubrió que la carga podía ser causada por la luz que incide sobre el selenio . Después de este descubrimiento, William Grylls Adams y Richard Evans Day publicaron "La acción de la luz sobre el selenio" en 1876, describiendo el experimento que utilizaron para replicar los resultados de Smith. [1] [3]
En 1881, el inventor estadounidense Charles Fritts creó el primer panel solar comercial, que según Fritts era "continuo, constante y de fuerza considerable no sólo por exposición a la luz solar sino también a la luz diurna tenue y difusa". [4] Sin embargo, estos paneles solares eran muy ineficientes, especialmente en comparación con las centrales eléctricas alimentadas con carbón .
En 1939, Russell Ohl creó el diseño de células solares que se utilizan en muchos paneles solares modernos. Patentó su diseño en 1941. [5] En 1954, Bell Labs utilizó este diseño por primera vez para crear la primera célula solar de silicio comercialmente viable . [1]
Los instaladores de paneles solares experimentaron un crecimiento significativo entre 2008 y 2013. [6] Debido a ese crecimiento, muchos instaladores tenían proyectos que no eran tejados solares "ideales" para trabajar y tuvieron que encontrar soluciones para los tejados sombreados y las dificultades de orientación. [7] Este desafío se abordó inicialmente con la repopularización de los microinversores y más tarde con la invención de los optimizadores de energía.
Los fabricantes de paneles solares se asociaron con empresas de microinversores para crear módulos de CA y las empresas de optimizadores de energía se asociaron con fabricantes de módulos para crear módulos inteligentes. [8] En 2013, muchos fabricantes de paneles solares anunciaron y comenzaron a comercializar sus soluciones de módulos inteligentes. [9]
Los módulos fotovoltaicos constan de un gran número de células solares y utilizan la energía luminosa ( fotones ) del Sol para generar electricidad mediante el efecto fotovoltaico . La mayoría de los módulos utilizan células de silicio cristalino basadas en obleas o células de película fina . El miembro estructural ( portador de carga ) de un módulo puede ser la capa superior o la capa posterior. Las celdas deben protegerse de daños mecánicos y humedad. La mayoría de los módulos son rígidos, pero también hay disponibles módulos semiflexibles basados en células de película delgada. Las celdas generalmente se conectan eléctricamente en serie , una con otra hasta el voltaje deseado, y luego en paralelo para aumentar la corriente. La potencia (en vatios ) del módulo es el voltaje (en voltios ) multiplicado por la corriente (en amperios ), y depende tanto de la cantidad de luz como de la carga eléctrica conectada al módulo. Las especificaciones de fabricación de los paneles solares se obtienen en condiciones estándar, que normalmente no son las verdaderas condiciones de funcionamiento a las que están expuestos los paneles solares en el lugar de instalación. [10]
Una caja de conexiones fotovoltaica está adjunta a la parte posterior del panel solar y funciona como interfaz de salida. Las conexiones externas para la mayoría de los módulos fotovoltaicos utilizan conectores MC4 para facilitar conexiones fáciles y resistentes a la intemperie con el resto del sistema. También se puede utilizar una interfaz de alimentación USB . [11] Los paneles solares también utilizan marcos metálicos que constan de componentes de estanterías, soportes, formas de reflectores y canales para soportar mejor la estructura del panel. [ cita necesaria ]
En los módulos solares, las células mismas deben estar conectadas entre sí para formar el módulo, con electrodos frontales bloqueando ligeramente el área de la superficie óptica frontal de la célula solar. Para maximizar la superficie frontal disponible para la luz solar y mejorar la eficiencia de las células solares, los fabricantes utilizan diversas técnicas de conexión de células solares con electrodos traseros:
Un único módulo solar sólo puede producir una cantidad limitada de energía; la mayoría de las instalaciones contienen múltiples módulos sumando sus voltajes o corrientes. Un sistema fotovoltaico normalmente incluye una serie de módulos fotovoltaicos, un inversor , un paquete de baterías para almacenamiento de energía, un controlador de carga, cableado de interconexión, disyuntores, fusibles, interruptores de desconexión, medidores de voltaje y, opcionalmente, un mecanismo de seguimiento solar . El equipo se selecciona cuidadosamente para optimizar la producción, el almacenamiento de energía y reducir la pérdida de energía durante la transmisión de energía, y convertir de corriente continua a corriente alterna.
Los módulos inteligentes se diferencian de los paneles solares tradicionales porque la electrónica de potencia integrada en el módulo ofrece una funcionalidad mejorada, como seguimiento , monitoreo y seguridad mejorada del punto de máxima potencia a nivel del panel. [ cita necesaria ] La electrónica de potencia unida al marco de un módulo solar, o conectada al circuito fotovoltaico a través de un conector, no se considera propiamente módulos inteligentes. [14]
Varias empresas han comenzado a incorporar en cada módulo fotovoltaico diversos componentes electrónicos de potencia integrados como:
La mayoría de los módulos solares se producen actualmente a partir de células solares de silicio cristalino (c-Si) hechas de silicio policristalino o monocristalino . En 2021, el silicio cristalino representó el 95% de la producción fotovoltaica mundial, [16] mientras que el resto del mercado general se compone de tecnologías de película delgada que utilizan telururo de cadmio (CdTe), seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) y silicio amorfo ( a-Si) . [17]
Las tecnologías solares emergentes de tercera generación utilizan células avanzadas de película delgada. Producen una conversión de eficiencia relativamente alta a un costo menor en comparación con otras tecnologías solares. Además, las células rectangulares de unión múltiple (MJ) de alto costo, alta eficiencia y muy compactas se utilizan generalmente en paneles solares en naves espaciales , ya que ofrecen la mayor proporción de energía generada por kilogramo elevado al espacio. Las células MJ son semiconductores compuestos y están hechas de arseniuro de galio (GaAs) y otros materiales semiconductores. Otra tecnología fotovoltaica emergente que utiliza células MJ es la de concentración fotovoltaica (CPV).
En los módulos rígidos de película fina, la célula y el módulo se fabrican en la misma línea de producción. La celda se crea sobre un sustrato o superestrato de vidrio y las conexiones eléctricas se crean in situ , lo que se denomina "integración monolítica". El sustrato o superestrato se lamina con un encapsulante a una lámina frontal o posterior, normalmente otra lámina de vidrio. Las principales tecnologías celulares de esta categoría son CdTe , a-Si , a-Si+uc-Si tandem y CIGS . El silicio amorfo tiene una tasa de conversión de la luz solar del 6 al 12%. [ cita necesaria ]
Las celdas y módulos de película delgada flexible se crean en la misma línea de producción depositando la capa fotoactiva y otras capas necesarias sobre un sustrato flexible . Si el sustrato es un aislante (por ejemplo, película de poliéster o poliimida ), entonces se puede utilizar la integración monolítica. Si es un conductor entonces se debe utilizar otra técnica de conexión eléctrica. Las celdas se ensamblan en módulos laminándolas con un fluoropolímero transparente e incoloro en el lado frontal, típicamente etileno tetrafluoroetileno (ETFE) o etileno propileno fluorado (FEP), y un polímero adecuado para unirse al sustrato final en el otro lado. [ cita necesaria ]
.jpg/1280px-Children_of_the_Sun_Solar_Initiative_(48132850231).jpg)
Las grandes plantas de energía solar a gran escala suelen utilizar sistemas fotovoltaicos montados en el suelo. Sus módulos solares se mantienen en su lugar mediante bastidores o marcos que se fijan a soportes de montaje en el suelo. [18] [19] Los soportes de montaje basados en el suelo incluyen:
Células solares bifaciales verticales orientadas hacia el este y el oeste para captar la irradiancia del sol de manera más eficiente por la mañana y por la noche. Las aplicaciones incluyen energía agrivoltaica , cercas solares, barreras y amortiguadores de ruido para carreteras y ferrocarriles . [20]
Los sistemas de energía solar montados en el techo consisten en módulos solares sostenidos por bastidores o marcos unidos a soportes de montaje en el techo. [21] Los soportes de montaje en el techo incluyen:
.jpg/1280px-Parking_under_Solar_Canopy_(52937580768).jpg)
Las marquesinas solares son paneles solares instalados sobre marquesinas , que podrían ser una marquesina de estacionamiento, una cochera , una glorieta , una pérgola o una cubierta de patio .
Los paneles solares portátiles pueden proporcionar corriente eléctrica, suficiente para cargar dispositivos (móvil, radio,...) a través del puerto USB o para cargar una batería externa.
Las características especiales de los paneles incluyen alta flexibilidad, alta durabilidad y características impermeables. Son buenos para viajar o acampar.
Los seguidores solares aumentan la energía producida por módulo a costa de una complejidad mecánica y una mayor necesidad de mantenimiento. Detectan la dirección del Sol e inclinan o giran los módulos según sea necesario para una exposición máxima a la luz. [22] [23]
Alternativamente, los bastidores fijos pueden mantener módulos estacionarios durante todo el día con una inclinación determinada ( ángulo cenital ) y orientados en una dirección determinada ( ángulo azimutal ). Son comunes los ángulos de inclinación equivalentes a la latitud de una instalación. Algunos sistemas también pueden ajustar el ángulo de inclinación según la época del año. [24]
Por otro lado, comúnmente se implementan matrices orientadas al este y al oeste (que cubren un techo orientado de este a oeste, por ejemplo). Aunque dichas instalaciones no producirán la máxima potencia promedio posible a partir de los paneles solares individuales, el costo de los paneles ahora suele ser más barato que el mecanismo de seguimiento y pueden proporcionar energía económicamente más valiosa durante las demandas pico de la mañana y la tarde que las orientadas al norte o al sur. sistemas. [25]
Algunos módulos solares fotovoltaicos especiales incluyen concentradores en los que la luz se enfoca mediante lentes o espejos en células más pequeñas. Esto permite el uso rentable de células altamente eficientes pero costosas (como el arseniuro de galio ) con la contrapartida de utilizar un área de mayor exposición solar. [ cita necesaria ] Concentrar la luz solar también puede aumentar la eficiencia a alrededor del 45%. [26]
La cantidad de luz absorbida por una célula solar depende del ángulo de incidencia de la luz solar directa que incide sobre ella. Esto se debe en parte a que la cantidad que cae sobre el panel es proporcional al coseno del ángulo de incidencia y en parte a que a un ángulo de incidencia alto se refleja más luz. Para maximizar la producción total de energía, los módulos suelen estar orientados hacia el sur (en el hemisferio norte) o hacia el norte (en el hemisferio sur) y se inclinan para tener en cuenta la latitud. El seguimiento solar se puede utilizar para mantener pequeño el ángulo de incidencia.
Los paneles solares suelen estar recubiertos con un revestimiento antirreflectante , que consiste en una o más capas finas de sustancias con índices de refracción intermedios entre el del silicio y el del aire. Esto provoca una interferencia destructiva en la luz reflejada, disminuyendo su cantidad. Los fabricantes de energía fotovoltaica han estado trabajando para disminuir la reflectancia con revestimientos antirreflectantes mejorados o con vidrio texturizado. [27] [28]
En general, con los paneles solares individuales, si no se consume suficiente corriente, no se maximiza la potencia. Si se consume demasiada corriente, el voltaje colapsa. El consumo de corriente óptimo es aproximadamente proporcional a la cantidad de luz solar que incide sobre el panel. La capacidad del panel solar se especifica mediante el valor MPP (punto de máxima potencia) de los paneles solares a plena luz del sol.
Los inversores solares convierten la energía CC proporcionada por los paneles en energía CA.
El MPP (punto de máxima potencia) del panel solar consta del voltaje MPP (V mpp ) y la corriente MPP (I mpp ). Al realizar el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT), un inversor solar toma muestras de la salida (curva IV) de la célula solar y aplica la carga eléctrica adecuada para obtener la máxima potencia.
Un panel solar de CA ( corriente alterna ) tiene un pequeño microinversor de CC a CA en la parte posterior y produce energía de CA sin un conector de CC externo . Underwriters Laboratories define los módulos de CA como el sistema más pequeño y completo para captar energía solar. [29] [ necesita cotización para verificar ]
Los microinversores funcionan de forma independiente para permitir que cada panel contribuya con su máxima producción posible para una cantidad determinada de luz solar, pero pueden ser más costosos. [30]
Las conexiones eléctricas de los módulos se realizan con cables conductores que quitan la corriente de los módulos y se dimensionan de acuerdo con la clasificación actual y las condiciones de falla y, a veces, incluyen fusibles en línea.
Los paneles generalmente se conectan en serie de uno o más paneles para formar cadenas para lograr un voltaje de salida deseado, y las cadenas se pueden conectar en paralelo para proporcionar la capacidad de corriente deseada (amperios) del sistema fotovoltaico.
En las conexiones de cadenas, los voltajes de los módulos se suman, pero la corriente la determina el panel de menor rendimiento. Esto se conoce como el "efecto de luces navideñas". En conexiones en paralelo los voltajes serán los mismos, pero las corrientes se suman. Los conjuntos se conectan para cumplir con los requisitos de voltaje de los inversores y no exceder en gran medida los límites de corriente.
Se pueden incorporar diodos de bloqueo y derivación dentro del módulo o usarse externamente para lidiar con el sombreado parcial del conjunto, con el fin de maximizar la salida. Para las conexiones en serie, los diodos de derivación se colocan en paralelo con los módulos para permitir que la corriente pase por alto los módulos sombreados que, de otro modo, limitarían gravemente la corriente. Para conexiones en paralelo, se puede colocar un diodo de bloqueo en serie con la cadena de cada módulo para evitar que la corriente fluya hacia atrás a través de las cadenas sombreadas, provocando así un cortocircuito en otras cadenas.
Los paneles solares de exterior suelen incluir conectores MC4 . Los paneles solares para automóviles también pueden incluir una toma de corriente auxiliar y/o un adaptador USB . Los paneles interiores (incluidos vidrios solares fotovoltaicos, películas delgadas y ventanas) pueden integrar un microinversor (paneles solares de CA).
Cada módulo está clasificado según su potencia de salida de CC en condiciones de prueba estándar (STC) y, por lo tanto, la potencia de salida en campo puede variar. La potencia suele oscilar entre 100 y 365 vatios (W). La eficiencia de un módulo determina el área de un módulo con la misma salida nominal: un módulo de 230 W con una eficiencia del 8 % tendrá el doble de área que un módulo de 230 W con una eficiencia del 16 %. Algunos módulos solares disponibles comercialmente superan el 24% de eficiencia. [32] [33] Actualmente, [ necesita actualización ] la mejor tasa de conversión de luz solar (eficiencia del módulo solar) es de alrededor del 21,5 % en nuevos productos comerciales [34], por lo general más baja que las eficiencias de sus células de forma aislada. Los módulos solares producidos en masa más eficientes tienen valores de densidad de potencia de hasta 175 W/m 2 (16,22 W/ft 2 ). [35]
La curva de corriente versus voltaje de un módulo proporciona información útil sobre su rendimiento eléctrico. [36] Los procesos de fabricación provocan a menudo diferencias en los parámetros eléctricos de diferentes módulos fotovoltaicos, incluso en células del mismo tipo. Por tanto, sólo la medición experimental de la curva I-V nos permite establecer con precisión los parámetros eléctricos de un dispositivo fotovoltaico. Esta medición proporciona información de gran relevancia para el diseño, instalación y mantenimiento de sistemas fotovoltaicos. Generalmente, los parámetros eléctricos de los módulos fotovoltaicos se miden mediante pruebas en interiores. Sin embargo, las pruebas en exteriores tienen ventajas importantes, como que no se requiere una fuente de luz artificial costosa, no hay limitación en el tamaño de la muestra y la iluminación de la muestra es más homogénea.
El factor de capacidad de los paneles solares está limitado principalmente por la latitud geográfica y varía significativamente según la cobertura de nubes, el polvo, la duración del día y otros factores. En el Reino Unido , el factor de capacidad estacional oscila entre el 2% (diciembre) y el 20% (julio), con un factor de capacidad anual promedio del 10% al 11%, mientras que en España el valor alcanza el 18%. [37] A nivel mundial, el factor de capacidad para parques fotovoltaicos a escala comercial fue del 16,1 % en 2019. [38] [ ¿ fuente poco confiable? ]
El sobrecalentamiento es el factor más importante para la eficiencia del panel solar. [39]
Dependiendo de la construcción, los módulos fotovoltaicos pueden producir electricidad a partir de un rango de frecuencias de luz , pero normalmente no pueden cubrir todo el rango de radiación solar (específicamente, ultravioleta , infrarroja y luz baja o difusa). Por lo tanto, gran parte de la energía solar incidente es desperdiciada por los módulos solares, y pueden ofrecer eficiencias mucho mayores si se iluminan con luz monocromática . Por lo tanto, otro concepto de diseño es dividir la luz en seis a ocho rangos de longitud de onda diferentes que producirán un color de luz diferente y dirigir los rayos hacia diferentes celdas sintonizadas con esos rangos. [40]
El rendimiento del módulo generalmente se califica en condiciones de prueba estándar (STC): irradiancia de 1.000 W/m 2 , espectro solar de AM 1,5 y temperatura del módulo de 25 °C. [41] El voltaje real y la salida de corriente del módulo cambian a medida que cambian las condiciones de iluminación, temperatura y carga, por lo que nunca hay un voltaje específico al que opera el módulo. El rendimiento varía según la ubicación geográfica, la hora del día, el día del año, la cantidad de irradiancia solar , la dirección e inclinación de los módulos, la nubosidad, las sombras, la suciedad , el estado de carga y la temperatura. El rendimiento de un módulo o panel se puede medir en diferentes intervalos de tiempo con una pinza amperimétrica de CC o una derivación y se puede registrar, representar gráficamente o representar gráficamente con un registrador gráfico o un registrador de datos.
Para un rendimiento óptimo, un panel solar debe estar formado por módulos similares orientados en la misma dirección perpendicular a la luz solar directa. Los diodos de derivación se utilizan para evitar paneles rotos o sombreados y optimizar la producción. Estos diodos de derivación suelen colocarse a lo largo de grupos de células solares para crear un flujo continuo. [42]
Las características eléctricas incluyen potencia nominal (P MAX , medida en W ), voltaje de circuito abierto (V OC ), corriente de cortocircuito (I SC , medida en amperios ), voltaje de potencia máxima (V MPP ), corriente de potencia máxima (I MPP ), potencia máxima ( vatios-pico , W p ) y eficiencia del módulo (%).
El voltaje de circuito abierto o V OC es el voltaje máximo que el módulo puede producir cuando no está conectado a un circuito o sistema eléctrico. [43] El V OC se puede medir con un voltímetro directamente en los terminales de un módulo iluminado o en su cable desconectado.
La potencia nominal máxima, Wp , es la salida máxima en condiciones de prueba estándar (no la salida máxima posible). Los módulos típicos, que podrían medir aproximadamente 1 por 2 metros (3 pies × 7 pies), tendrán una potencia nominal desde 75 W hasta 600 W, dependiendo de su eficiencia. En el momento de la prueba, los módulos de prueba se agrupan según los resultados de la prueba, y un fabricante típico podría calificar sus módulos en incrementos de 5 W y calificarlos en +/- 3%, +/-5%, +3/ -0% o +5/-0%. [44] [45] [46]
El rendimiento de un módulo fotovoltaico (PV) depende de las condiciones ambientales, principalmente de la irradiancia incidente global G en el plano del módulo. Sin embargo, la temperatura T de la unión p-n también influye en los principales parámetros eléctricos: la corriente de cortocircuito ISC, la tensión de circuito abierto VOC y la potencia máxima Pmax. En general, se sabe que VOC muestra una correlación inversa significativa con T, mientras que para ISC esta correlación es directa, pero más débil, por lo que este aumento no compensa la disminución de VOC. Como consecuencia, Pmax disminuye cuando T aumenta. Esta correlación entre la potencia de salida de una célula solar y la temperatura de trabajo de su unión depende del material semiconductor y se debe a la influencia de T en la concentración, vida útil y movilidad de los portadores intrínsecos, es decir, electrones y espacios. dentro de la celda fotovoltaica.
La sensibilidad a la temperatura suele describirse mediante coeficientes de temperatura, cada uno de los cuales expresa la derivada del parámetro al que se refiere con respecto a la temperatura de la unión. Los valores de estos parámetros se pueden encontrar en cualquier ficha técnica del módulo fotovoltaico; son los siguientes:
- β: Coeficiente de variación de los COV respecto a T, dado por ∂VOC/∂T.
- α: Coeficiente de variación del ISC respecto de T, dado por ∂ISC/∂T.
- δ: Coeficiente de variación de Pmax respecto de T, dado por ∂Pmax/∂T.
Las técnicas para estimar estos coeficientes a partir de datos experimentales se pueden encontrar en la literatura [47]
La capacidad de los módulos solares para resistir daños causados por la lluvia, el granizo , la nieve intensa y los ciclos de calor y frío varía según el fabricante, aunque la mayoría de los paneles solares en el mercado estadounidense están listados por UL, lo que significa que han pasado por pruebas para resistir el granizo. [48]
La degradación inducida por potencial (también llamada PID) es una degradación del rendimiento inducida por potencial en módulos fotovoltaicos cristalinos, causada por las llamadas corrientes parásitas. [49] Este efecto puede causar una pérdida de energía de hasta un 30%. [50]
Los avances en las tecnologías fotovoltaicas han provocado el proceso de "dopaje" del sustrato de silicio para reducir la energía de activación, lo que hace que el panel sea más eficiente a la hora de convertir fotones en electrones recuperables. [51]
Se aplican productos químicos como el boro (tipo p) al cristal semiconductor para crear niveles de energía donante y aceptor sustancialmente más cercanos a las bandas de valencia y conductora. [52] Al hacerlo, la adición de impureza de boro permite que la energía de activación disminuya veinte veces de 1,12 eV a 0,05 eV. Dado que la diferencia de potencial (EB ) es tan baja, el boro puede ionizarse térmicamente a temperatura ambiente. Esto permite portadores de energía libres en las bandas de conducción y valencia, lo que permite una mayor conversión de fotones en electrones.
La potencia de salida de un dispositivo fotovoltaico (PV) disminuye con el tiempo. Esta disminución se debe a su exposición a la radiación solar así como a otras condiciones externas. El índice de degradación, que se define como el porcentaje anual de pérdida de potencia producida, es un factor clave para determinar la producción a largo plazo de una planta fotovoltaica. Para estimar esta degradación se utiliza el porcentaje de disminución asociado a cada uno de los parámetros eléctricos. La degradación individual de un módulo fotovoltaico puede influir significativamente en el rendimiento de una cadena completa. Además, no todos los módulos de una misma instalación disminuyen su rendimiento exactamente al mismo ritmo. Dado un conjunto de módulos expuestos a condiciones exteriores de larga duración, se debe considerar la degradación individual de los principales parámetros eléctricos y el aumento de su dispersión. Como cada módulo tiende a degradarse de manera diferente, el comportamiento de los módulos será cada vez más diferente con el tiempo, afectando negativamente al rendimiento general de la planta. [ cita necesaria ]
Hay varios estudios que abordan el análisis de la degradación de energía de módulos basados en diferentes tecnologías fotovoltaicas disponibles en la literatura. Según un estudio reciente, [53] la degradación de los módulos de silicio cristalino es muy regular, oscilando entre el 0,8% y el 1,0% anual.
Por otro lado, si analizamos el rendimiento de los módulos fotovoltaicos de película delgada, se observa un período inicial de fuerte degradación (que puede durar varios meses e incluso hasta 2 años), seguido de una etapa posterior en la que la degradación se estabiliza. siendo entonces comparable al del silicio cristalino. [54] También se observan fuertes variaciones estacionales en estas tecnologías de película delgada porque la influencia del espectro solar es mucho mayor. Por ejemplo, para módulos de silicio amorfo, silicio micromórfico o telururo de cadmio, estamos hablando de tasas de degradación anual durante los primeros años de entre el 3% y el 4%. [55] Sin embargo, otras tecnologías, como CIGS, muestran tasas de degradación mucho más bajas, incluso en esos primeros años.
La eficiencia de conversión de los paneles solares, normalmente en el rango del 20 %, se reduce por la acumulación de polvo, suciedad, polen y otras partículas en los paneles solares, denominadas colectivamente suciedad . "Un panel solar sucio puede reducir su capacidad energética hasta en un 30% en zonas con mucho polvo/polen o en zonas desérticas", afirma Seamus Curran, profesor asociado de física en la Universidad de Houston y director del Instituto de NanoEnergía, especializado en la diseño, ingeniería y montaje de nanoestructuras. [56] Se estima que la pérdida promedio de suciedad en el mundo en 2018 fue de al menos 3% – 4%. [57]
Pagar para limpiar los paneles solares es una buena inversión en muchas regiones, a partir de 2019. [57] Sin embargo, en algunas regiones, la limpieza no es rentable. En California, a partir de 2013, las pérdidas económicas provocadas por la suciedad rara vez eran suficientes para justificar el coste del lavado de los paneles. En promedio, los paneles de California perdieron un poco menos del 0,05% de su eficiencia general por día. [58]
También existen riesgos laborales con la instalación y mantenimiento de paneles solares. Un estudio realizado entre 2015 y 2018 en el Reino Unido investigó 80 incidentes de incendio relacionados con energía fotovoltaica, con más de 20 "incendios graves" causados directamente por la instalación fotovoltaica, incluidos 37 edificios domésticos y 6 parques solares. En 1⁄3 de los incidentes no se estableció una causa raíz y en la mayoría de los demás fue causado por una instalación deficiente, un producto defectuoso o problemas de diseño . El elemento que más frecuentemente provocó incendios fueron los aisladores de CC. [59]
Un estudio de 2021 realizado por kWh Analytics determinó la degradación media anual de los sistemas fotovoltaicos en un 1,09% para los residenciales y un 0,8% para los no residenciales, casi el doble de lo que se suponía anteriormente. [60] Un estudio de confiabilidad de módulos de 2021 encontró una tendencia creciente en las tasas de falla de los módulos solares: el 30% de los fabricantes experimentaron fallas de seguridad relacionadas con las cajas de conexiones (crecimiento del 20%) y el 26% fallas en la lista de materiales (crecimiento del 20%). . [61]
Los métodos de limpieza de paneles solares se pueden dividir en cinco grupos: herramientas manuales, herramientas mecanizadas (como cepillos montados en tractores), sistemas hidráulicos instalados (como aspersores), sistemas robóticos instalados y robots desplegables. Las herramientas de limpieza manual son, con diferencia, el método de limpieza más frecuente, probablemente debido a su bajo coste de compra. Sin embargo, en un estudio de Arabia Saudita realizado en 2014, se encontró que "los sistemas robóticos instalados, los sistemas mecanizados y los sistemas hidráulicos instalados son probablemente las tres tecnologías más prometedoras para su uso en la limpieza de paneles solares". [62]
En 2021 hubo 30 mil toneladas de desechos fotovoltaicos, y Bloomberg NEF estimó que la cantidad anual aumentaría a más de 1 millón de toneladas para 2035 y a más de 10 millones para 2050. [63] A modo de comparación, 750 millones de toneladas de desechos de cenizas volantes se produjo con energía de carbón en 2022. [64] En los Estados Unidos, alrededor del 90% de los paneles solares desmantelados terminarán en vertederos a partir de 2023. [65] La mayoría de las partes de un módulo solar se pueden reciclar, incluido hasta el 95% de ciertos materiales semiconductores o vidrio, así como grandes cantidades de metales ferrosos y no ferrosos. [66] Algunas empresas privadas y organizaciones sin fines de lucro recuperan y reciclan los módulos al final de su vida útil. [67] La legislación de la UE exige que los fabricantes garanticen que sus paneles solares se reciclen adecuadamente. Se están promulgando leyes similares en Japón , India y Australia . [68] Un informe australiano de 2023 afirmó que existe un mercado para paneles usados de calidad y formuló recomendaciones para aumentar la reutilización. [69] : 33
Las posibilidades de reciclaje dependen del tipo de tecnología utilizada en los módulos:
Desde 2010, se celebra una conferencia europea anual que reúne a fabricantes, recicladores e investigadores para analizar el futuro del reciclaje de módulos fotovoltaicos. [75] [76]
La producción de sistemas fotovoltaicos ha seguido un efecto clásico de curva de aprendizaje , con una importante reducción de costos junto con grandes aumentos en la eficiencia y la producción. [78]
Con un crecimiento interanual de más del 100 % en la instalación de sistemas fotovoltaicos, los fabricantes de módulos fotovoltaicos aumentaron drásticamente sus envíos de módulos solares en 2019. Ampliaron activamente su capacidad y se convirtieron en jugadores de gigavatios GW . [79] Según Pulse Solar, cinco de las diez principales empresas de módulos fotovoltaicos en 2019 han experimentado un aumento en la producción de paneles solares de al menos un 25 % en comparación con 2019. [80]
La base de la producción de paneles solares gira en torno al uso de células de silicio. [81] Estas células de silicio suelen tener una eficiencia del 10% al 20 % [82] a la hora de convertir la luz solar en electricidad, y los modelos de producción más nuevos ahora superan el 22%. [83]
En 2018, los cinco principales productores de módulos solares del mundo en términos de capacidad enviada durante el año calendario de 2018 fueron Jinko Solar , JA Solar , Trina Solar , Longi solar y Canadian Solar . [84]
El precio de la energía eléctrica solar ha seguido cayendo, de modo que en muchos países se ha vuelto más barata que la electricidad procedente de combustibles fósiles procedente de la red eléctrica desde 2012, un fenómeno conocido como paridad de red . [87] Con el aumento de la conciencia global, instituciones como el IRS han adoptado un formato de crédito fiscal, reembolsando una parte de cualquier conjunto de paneles solares para uso privado. [88] El precio de un panel solar sigue cayendo.
La información de precios promedio se divide en tres categorías de precios: aquellos que compran pequeñas cantidades (módulos de todos los tamaños en el rango de kilovatios anualmente), compradores de rango medio (normalmente hasta 10 MWp anualmente) y compradores de grandes cantidades (se explica por sí mismo y con acceso). a los precios más bajos). A largo plazo se observa claramente una reducción sistemática del precio de las células y módulos. Por ejemplo, en 2012 se estimó que el costo de la cantidad por vatio era de aproximadamente 0,60 dólares EE.UU., 250 veces menor que el costo en 1970 de 150 dólares EE.UU. [89] [90] Un estudio de 2015 muestra que el precio/kWh ha caído un 10 % anual desde 1980 y predice que la energía solar podría contribuir con el 20 % del consumo total de electricidad para 2030, mientras que la Agencia Internacional de Energía predice un 16 % para 2050. [91 ]
Los costos de producción de energía en el mundo real dependen en gran medida de las condiciones climáticas locales. En un país nublado como Reino Unido, el coste por kWh producido es mayor que en países más soleados como España.
Siguiendo a RMI , los elementos de equilibrio del sistema (BoS), es decir, el costo no modular de los módulos solares sin microinversores (como cableado, convertidores, sistemas de estanterías y diversos componentes) representan aproximadamente la mitad de los costos totales de las instalaciones.
Para las centrales solares comerciales, donde la electricidad se vende a la red de transmisión eléctrica, el coste de la energía solar deberá coincidir con el precio mayorista de la electricidad. Este punto a veces se denomina "paridad de red mayorista" o "paridad de barra colectora". [87]
Algunos sistemas fotovoltaicos, como las instalaciones en tejados, pueden suministrar energía directamente a un usuario de electricidad. En estos casos, la instalación puede ser competitiva cuando el coste de producción coincide con el precio al que el usuario paga por su consumo eléctrico. Esta situación a veces se denomina "paridad de red minorista", "paridad de enchufe" o "paridad de red dinámica". [93] Una investigación realizada por ONU-Energía en 2012 sugiere que las zonas de países soleados con altos precios de la electricidad, como Italia, España y Australia, y las zonas que utilizan generadores diésel, han alcanzado la paridad de la red minorista. [87]
Normas generalmente utilizadas en módulos fotovoltaicos:
Existen muchas aplicaciones prácticas para el uso de paneles solares o fotovoltaicos. Puede utilizarse por primera vez en la agricultura como fuente de energía para el riego. En el sector sanitario, los paneles solares se pueden utilizar para refrigerar suministros médicos. También se puede utilizar para infraestructura. Los módulos fotovoltaicos se utilizan en sistemas fotovoltaicos e incluyen una gran variedad de dispositivos eléctricos :
Con los crecientes niveles de sistemas fotovoltaicos en tejados, el flujo de energía se vuelve bidireccional. Cuando hay más generación local que consumo, la electricidad se exporta a la red. Sin embargo, una red eléctrica tradicionalmente no está diseñada para hacer frente a la transferencia de energía en ambos sentidos. Por lo tanto, pueden ocurrir algunos problemas técnicos. Por ejemplo, en Queensland, Australia, más del 30 % de los hogares utilizaban energía fotovoltaica en los tejados a finales de 2017. La curva de pato apareció con frecuencia en muchas comunidades a partir de 2015. Puede producirse un problema de sobretensión cuando la electricidad fluye desde los hogares fotovoltaicos de regreso a la red. [94] Existen soluciones para gestionar el problema de sobretensión, como la regulación del factor de potencia del inversor fotovoltaico, nuevos equipos de control de tensión y energía a nivel del distribuidor de electricidad, reconducción de los cables eléctricos, gestión del lado de la demanda, etc. A menudo existen limitaciones. y costos relacionados con estas soluciones.
Para que la energía solar en los tejados pueda proporcionar suficiente energía de respaldo durante un corte de energía, a menudo también se requiere una batería . [95]
El aseguramiento de la calidad de los módulos solares implica probar y evaluar las células solares y los paneles solares para garantizar que se cumplan sus requisitos de calidad. Se espera que los módulos (o paneles) solares tengan una larga vida útil de entre 20 y 40 años. [96] Deben transmitir y entregar de forma continua y fiable la potencia prevista. Los módulos se presentan a una amplia exhibición de condiciones climáticas junto con el uso en varias temperaturas. Los módulos solares se pueden probar mediante una combinación de pruebas físicas , estudios de laboratorio y análisis numéricos . [97] Además, los módulos solares deben evaluarse a lo largo de las diferentes etapas de su ciclo de vida. Varias empresas como Southern Research Energy & Environment, SGS Consumer Testing Services, TÜV Rheinland , Sinovoltaics, Clean Energy Associates (CEA), CSA Solar International y Enertis ofrecen servicios de control de calidad de módulos solares. "La implementación de procesos de fabricación consistentes, trazables y estables se vuelve obligatorio para salvaguardar y garantizar la calidad de los módulos fotovoltaicos" [98]
Las etapas del ciclo de vida de las pruebas de módulos solares pueden incluir: la fase conceptual, la fase de fabricación , el transporte y la instalación, la fase de puesta en servicio y la fase de servicio. Dependiendo de la fase de prueba, pueden aplicarse diferentes principios de prueba.
La primera etapa puede implicar la verificación del diseño en la que se prueba el resultado esperado del módulo mediante simulación por computadora. Además, se prueba la capacidad de los módulos para resistir condiciones ambientales naturales como temperatura , lluvia , granizo , nieve , corrosión , polvo , rayos , horizonte y efectos de casi sombra. En esta etapa también se pueden probar la disposición para el diseño y la construcción del módulo y la calidad de los componentes y la instalación.
La inspección de los fabricantes de componentes se realiza mediante visitas. La inspección puede incluir comprobaciones de montaje, supervisión de pruebas de materiales y pruebas no destructivas (END). La certificación se realiza según ANSI/UL1703, IEC 17025, IEC 61215, IEC 61646, IEC 61701 e IEC 61730-1/-2.
Una nueva configuración de células solares desarrollada por ingenieros de la Universidad de Nueva Gales del Sur ha elevado la eficiencia de conversión de luz solar en electricidad al 34,5%, estableciendo un nuevo récord mundial para la luz solar desenfocada y acercándose a los límites teóricos para un dispositivo de este tipo.
