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 se puede utilizar para alimentar varios dispositivos o almacenar 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 conjuntos 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 . La mayoría de los paneles se encuentran en granjas solares o paneles solares en los tejados que suministran electricidad a la red eléctrica.
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 abaratan las facturas de la 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 en el espacio , a menudo junto con baterías .
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 un instrumento para medir la luz. [2]
La observación de Becquerel no se repitió hasta 1873, cuando el ingeniero eléctrico inglés Willoughby Smith descubrió que la carga podía ser causada por la luz al incidir 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 considerable fuerza no solo por la 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 de carbón .
En 1939, Russell Ohl creó el diseño de célula solar que se utiliza 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 techos solares "ideales" con los que trabajar y tuvieron que encontrar soluciones para techos sombreados y dificultades de orientación. [7] Este desafío se abordó inicialmente con la repopularización de los microinversores y más tarde con la invención de 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 enviar 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 a través del efecto fotovoltaico . La mayoría de los módulos utilizan células de silicio cristalino basadas en obleas o células de película fina . El elemento estructural ( que soporta la carga ) de un módulo puede ser la capa superior o la capa posterior. Las células deben protegerse de daños mecánicos y humedad. La mayoría de los módulos son rígidos, pero también están disponibles los semiflexibles basados en células de película fina. Las células suelen estar conectadas eléctricamente en serie , una a otra al 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 condiciones de funcionamiento reales a las que están expuestos los paneles solares en el sitio de instalación. [10]
Una caja de conexiones fotovoltaicas se conecta a la parte posterior del panel solar y funciona como su interfaz de salida. Las conexiones externas de la mayoría de los módulos fotovoltaicos utilizan conectores MC4 para facilitar las conexiones 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 de metal que consisten en componentes de estantería, soportes, formas de reflectores y canales para soportar mejor la estructura del panel. [ cita requerida ]
Las células solares modulares deben conectarse entre sí para formar el módulo, con electrodos frontales que bloquean ligeramente la superficie óptica frontal de la célula solar. Para maximizar la superficie frontal disponible para la luz solar y mejorar la eficiencia de la célula solar, los fabricantes utilizan diversas técnicas de conexión de células solares con electrodos traseros:
Un solo módulo solar puede producir solo una cantidad limitada de energía; la mayoría de las instalaciones contienen múltiples módulos que suman sus voltajes o corrientes. Un sistema fotovoltaico generalmente incluye una matriz 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 y el almacenamiento de energía, reducir las pérdidas de 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 el seguimiento del punto de máxima potencia a nivel de panel , la monitorización y una mayor seguridad. [ cita requerida ] La electrónica de potencia conectada 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] [17] mientras que el resto del mercado general está compuesto por tecnologías de película delgada que utilizan telururo de cadmio (CdTe), seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) y silicio amorfo (a-Si) . [18]
Las tecnologías solares emergentes de tercera generación utilizan células de película delgada avanzadas. Producen una conversión de eficiencia relativamente alta por un costo menor en comparación con otras tecnologías solares. Además, las células multiunión (MJ) rectangulares de alto costo, alta eficiencia y empaquetadas generalmente se utilizan en paneles solares en naves espaciales , ya que ofrecen la mayor relación 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 energía fotovoltaica de concentración (CPV).
Las células solares de película delgada son un tipo de célula solar fabricada mediante la deposición de una o más capas delgadas ( películas delgadas o TF) de material fotovoltaico sobre un sustrato, como vidrio, plástico o metal. Las células solares de película delgada suelen tener un grosor de unos pocos nanómetros ( nm ) a unos pocos micrones ( μm ), mucho más delgadas que las obleas utilizadas en las células solares convencionales basadas en silicio cristalino (c-Si), que pueden tener hasta 200 μm de grosor. Las células solares de película delgada se utilizan comercialmente en varias tecnologías, entre ellas el telururo de cadmio (CdTe), el diseleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) y el silicio amorfo de película delgada (a-Si, TF-Si).
Las células solares se clasifican a menudo en las llamadas generaciones basadas en las capas activas (que absorben la luz solar) utilizadas para producirlas, y las células solares más consolidadas o de primera generación están hechas de silicio monocristalino o multicristalino . Esta es la tecnología dominante que se utiliza actualmente en la mayoría de los sistemas solares fotovoltaicos . La mayoría de las células solares de película fina se clasifican como de segunda generación , fabricadas con capas delgadas de materiales bien estudiados como silicio amorfo (a-Si), telururo de cadmio (CdTe), seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS) o arseniuro de galio (GaAs). Las células solares fabricadas con materiales más nuevos y menos establecidos se clasifican como células solares de tercera generación o emergentes. Esto incluye algunas tecnologías innovadoras de película fina, como perovskita , sensibilizadas por colorante , de puntos cuánticos , orgánicas y células solares de película fina CZTS .
Las células de película delgada tienen varias ventajas sobre las células solares de silicio de primera generación, incluyendo que son más ligeras y más flexibles debido a su construcción delgada. Esto las hace adecuadas para su uso en energía fotovoltaica integrada en edificios y como material de acristalamiento fotovoltaico semitransparente que se puede laminar sobre ventanas. Otras aplicaciones comerciales utilizan paneles solares de película delgada rígidos (intercalados entre dos paneles de vidrio) en algunas de las centrales fotovoltaicas más grandes del mundo . Además, los materiales utilizados en las células solares de película delgada se producen normalmente utilizando métodos simples y escalables más rentables que las células de primera generación, lo que conduce a un menor impacto ambiental como las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) en muchos casos. Las células de película delgada también suelen superar a las fuentes renovables y no renovables para la generación de electricidad en términos de toxicidad humana y emisiones de metales pesados .
A pesar de los desafíos iniciales con la conversión eficiente de la luz , especialmente entre los materiales fotovoltaicos de tercera generación, a partir de 2023 algunas células solares de película delgada han alcanzado eficiencias de hasta el 29,1% para células GaAs de película delgada de unión única, superando el máximo del 26,1% de eficiencia para las células solares de primera generación de unión única estándar. Las células concentradoras de unión múltiple que incorporan tecnologías de película delgada han alcanzado eficiencias de hasta el 47,6% a partir de 2023. [19]
Aun así, se ha descubierto que muchas tecnologías de película delgada tienen vidas útiles operativas más cortas y tasas de degradación mayores que las celdas de primera generación en pruebas de vida acelerada , lo que ha contribuido a su implementación algo limitada. A nivel mundial, la participación de mercado de PV de las tecnologías de película delgada sigue siendo de alrededor del 5% a partir de 2023. [20] Sin embargo, la tecnología de película delgada se ha vuelto considerablemente más popular en los Estados Unidos, donde las celdas de CdTe por sí solas representaron casi el 30% de la nueva implementación a escala de servicios públicos en 2022. [21]
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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. [22] [23] Los soportes de montaje en el suelo incluyen:
Las células solares bifaciales verticales están orientadas hacia el este y el oeste para captar la radiación solar de manera más eficiente por la mañana y por la tarde. Entre sus aplicaciones se incluyen la energía solar fotovoltaica , las cercas solares, los amortiguadores de ruido de carreteras y ferrocarriles y las barricadas . [24]
Los sistemas de energía solar montados en el techo consisten en módulos solares sujetos en su lugar por bastidores o marcos unidos a soportes de montaje en el techo. [25] Los soportes de montaje en el techo incluyen:
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Los toldos solares son paneles solares que se instalan sobre un toldo tradicional . Estos toldos pueden ser un toldo para estacionamiento, una cochera , un cenador , una pérgola o una cubierta para patio .
Los beneficios son múltiples, entre ellos, la maximización del espacio disponible en las zonas urbanas y la provisión de sombra para los automóviles. La energía producida puede utilizarse para crear estaciones de carga para vehículos eléctricos (VE). [26]
Los paneles solares portátiles pueden garantizar corriente eléctrica suficiente para cargar dispositivos (móviles, radios, ...) a través del puerto USB o para cargar un powerbank.
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 mayor complejidad mecánica y una mayor necesidad de mantenimiento. Detectan la dirección del sol e inclinan o giran los módulos según sea necesario para obtener la máxima exposición a la luz. [27] [28]
Como alternativa, los bastidores fijos pueden mantener los módulos estacionarios durante todo el día con una inclinación determinada ( ángulo cenital ) y orientados hacia una dirección determinada ( ángulo acimutal ). Los ángulos de inclinación equivalentes a la latitud de una instalación son comunes. Algunos sistemas también pueden ajustar el ángulo de inclinación en función de la época del año. [29]
Por otra parte, es común instalar paneles solares orientados al este y al oeste (que cubran un techo orientado al este y al oeste, por ejemplo). Si bien estas instalaciones no producirán la máxima potencia media posible a partir de los paneles solares individuales, el costo de los paneles suele ser ahora más barato que el mecanismo de seguimiento y pueden proporcionar energía más valiosa económicamente durante las demandas máximas de la mañana y la tarde que los sistemas orientados al norte o al sur. [30]
Algunos módulos fotovoltaicos solares especiales incluyen concentradores en los que la luz se enfoca mediante lentes o espejos sobre células más pequeñas. Esto permite el uso rentable de células altamente eficientes, pero costosas (como el arseniuro de galio ) con la desventaja de utilizar un área de exposición solar más grande. [ cita requerida ] Concentrar la luz solar también puede aumentar la eficiencia a alrededor del 45%. [31]
La cantidad de luz que absorbe 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 de luz que incide sobre el panel es proporcional al coseno del ángulo de incidencia y, en parte, a que cuanto mayor es el ángulo de incidencia, más luz se refleja. Para maximizar la producción total de energía, los módulos suelen orientarse hacia el sur (en el hemisferio norte) o hacia el norte (en el hemisferio sur) y se inclinan para tener en cuenta la latitud. Se puede utilizar el seguimiento solar para mantener pequeño el ángulo de incidencia.
Los paneles solares suelen estar recubiertos con un revestimiento antirreflectante , que consiste en una o más capas delgadas 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 la cantidad de luz. Los fabricantes de sistemas fotovoltaicos han estado trabajando para reducir la reflectancia con revestimientos antirreflectantes mejorados o con vidrio texturizado. [32] [33]
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 llega al panel. La capacidad del panel solar se especifica mediante el valor de MPP (punto de máxima potencia) de los paneles solares a plena luz solar.
Los inversores solares convierten la energía CC proporcionada por los paneles en energía CA.
El punto de máxima potencia (MPP) del panel solar consta de la tensión 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 celda 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 recolectar energía solar. [34] [ necesita cita para verificar ]
Los microinversores funcionan de forma independiente para permitir que cada panel aporte su máxima potencia posible para una determinada cantidad de luz solar, pero pueden ser más caros. [35]
Las conexiones eléctricas de los módulos se realizan con cables conductores que extraen la corriente de los módulos y están dimensionados de acuerdo con la clasificación de corriente 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 en cadena, los voltajes de los módulos se suman, pero la corriente está determinada por el panel de menor rendimiento. Esto se conoce como el "efecto de luces de Navidad". En las 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 para no superar en gran medida los límites de corriente.
Se pueden incorporar diodos de bloqueo y derivación dentro del módulo o se pueden usar externamente para lidiar con el sombreado parcial de la matriz, con el fin de maximizar la salida. Para conexiones en serie, los diodos de derivación se colocan en paralelo con los módulos para permitir que la corriente evite los módulos sombreados que, de lo contrario, limitarían severamente 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 en sentido inverso a través de las cadenas sombreadas, provocando así un cortocircuito en otras cadenas.
Los paneles solares exteriores generalmente incluyen conectores MC4 , los paneles solares para automóviles pueden incluir una toma de corriente auxiliar y/o un adaptador USB y los paneles interiores pueden tener un microinversor .
Cada módulo se clasifica por su potencia de salida de CC en condiciones de prueba estándar (STC) y, por lo tanto, la potencia de salida en el campo puede variar. La potencia suele oscilar entre 100 y 365 vatios (W). La eficiencia de un módulo determina el área de un módulo dada la misma potencia 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. [37] [38] Actualmente, [ necesita actualización ] la mejor tasa de conversión de la luz solar alcanzada (eficiencia del módulo solar) es de alrededor del 21,5 % en los nuevos productos comerciales [39], normalmente inferior a 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 ). [40]
La curva de corriente versus voltaje de un módulo proporciona información útil sobre su rendimiento eléctrico. [41] Los procesos de fabricación a menudo causan diferencias en los parámetros eléctricos de diferentes módulos fotovoltaicos, incluso en células del mismo tipo. Por lo tanto, solo la medición experimental de la curva I–V nos permite establecer con precisión los parámetros eléctricos de un dispositivo fotovoltaico. Esta medición proporciona información altamente relevante 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 no requerir una fuente de luz artificial costosa, no limitar el tamaño de la muestra y obtener una iluminación de muestra 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 varía del 2 % (diciembre) al 20 % (julio), con un factor de capacidad anual promedio del 10 al 11 %, mientras que en España el valor alcanza el 18 %. [42] A nivel mundial, el factor de capacidad para parques fotovoltaicos a escala de servicios públicos fue del 16,1 % en 2019. [43] [ ¿ Fuente poco confiable? ]
El sobrecalentamiento es el factor más importante para la eficiencia del panel solar. [44]
Dependiendo de la construcción, los módulos fotovoltaicos pueden producir electricidad a partir de un rango de frecuencias de luz , pero por lo general no pueden cubrir todo el rango de radiación solar (específicamente, ultravioleta , infrarrojo y luz baja o difusa). Por lo tanto, los módulos solares desperdician gran parte de la energía de la luz solar incidente , y pueden brindar eficiencias mucho mayores si se iluminan con luz monocromática . Por lo tanto, otro concepto de diseño es dividir la luz en seis u ocho rangos de longitud de onda diferentes que producirán un color de luz diferente y dirigirán los rayos hacia diferentes celdas sintonizadas con esos rangos. [45]
El rendimiento del módulo generalmente se califica bajo condiciones de prueba estándar (STC): irradiancia de 1000 W/m2 , espectro solar de AM 1,5 y temperatura del módulo a 25 °C. [46] La salida de voltaje y corriente real del módulo cambia a medida que cambian las condiciones de iluminación, temperatura y carga, por lo que nunca hay un voltaje específico en el que funciona 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 cobertura de nubes, el sombreado, 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 un medidor de pinza de CC o un derivador y registrarse, graficarse o representarse en gráficos con un registrador gráfico o de datos.
Para lograr 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. [47]
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 pico ( vatio-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. [48] El V OC se puede medir con un voltímetro directamente en los terminales de un módulo iluminado o en su cable desconectado.
La potencia máxima nominal, W p , es la salida máxima en condiciones de prueba estándar (no la salida máxima posible). Los módulos típicos, que pueden medir aproximadamente 1 por 2 metros (3 pies × 7 pies), tendrán una potencia nominal que va desde 75 W hasta 600 W, dependiendo de su eficiencia. En el momento de la prueba, los módulos de prueba se clasifican según sus resultados de prueba, y un fabricante típico puede calificar sus módulos en incrementos de 5 W, y calificarlos en +/- 3%, +/- 5%, +3/- 0% o +5/- 0%. [49] [50] [51]
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, de modo 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, la vida útil y la movilidad de los portadores intrínsecos, es decir, los electrones y los huecos dentro de la célula fotovoltaica.
La sensibilidad a la temperatura se describe habitualmente mediante coeficientes de temperatura, cada uno de los cuales expresa la derivada del parámetro al que se refiere respecto a la temperatura de unión. Los valores de estos parámetros se pueden consultar en cualquier ficha técnica del módulo fotovoltaico; son los siguientes:
- β: coeficiente de variación de VOC con respecto a T, dado por ∂VOC/∂T.
- α: Coeficiente de variación de ISC con respecto a T, dado por ∂ISC/∂T.
- δ: Coeficiente de variación de Pmax con respecto a T, dado por ∂Pmax/∂T.
Se pueden encontrar técnicas para estimar estos coeficientes a partir de datos experimentales en la literatura [52].
La capacidad de los módulos solares para soportar daños causados por la lluvia, el granizo , fuertes cargas de nieve y 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 pruebas para soportar el granizo. [53]
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. [54] Este efecto puede causar una pérdida de potencia de hasta el 30%. [55]
Los avances en las tecnologías fotovoltaicas han dado lugar al proceso de "dopaje" del sustrato de silicio para reducir la energía de activación, haciendo así que el panel sea más eficiente en la conversión de fotones en electrones recuperables. [56]
Se aplican productos químicos como el boro (tipo p) en el cristal semiconductor para crear niveles de energía de donante y aceptor sustancialmente más cercanos a las bandas de valencia y conductora. [57] 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 (E B ) es tan baja, el boro puede ionizarse térmicamente a temperatura ambiente. Esto permite que haya 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 de salida, es un factor clave para determinar la producción a largo plazo de una planta fotovoltaica. Para estimar esta degradación, se debe tener en cuenta 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 la misma instalación disminuyen su rendimiento exactamente al mismo ritmo. Dado un conjunto de módulos expuestos a condiciones exteriores a largo plazo, se debe considerar la degradación individual de los principales parámetros eléctricos y el aumento de su dispersión. Como cada módulo tiende a degradarse de forma diferente, el comportamiento de los módulos será cada vez más diferente con el tiempo, lo que afectará negativamente al rendimiento general de la planta. [ cita requerida ]
Existen en la literatura varios estudios que abordan el análisis de la degradación de potencia de módulos basados en diferentes tecnologías fotovoltaicas. Según un estudio reciente, [58] la degradación de los módulos de silicio cristalino es muy regular, oscilando entre el 0,8% y el 1,0% al año.
Por otro lado, si analizamos el rendimiento de los módulos fotovoltaicos de capa fina, se observa un periodo 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 a la del silicio cristalino. [59] También se observan fuertes variaciones estacionales en dichas tecnologías de capa fina debido a que 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 para los primeros años de entre el 3% y el 4%. [60] Sin embargo, otras tecnologías, como los CIGS, muestran tasas de degradación mucho menores, incluso en esos primeros años.
La eficiencia de conversión de los paneles solares, que suele rondar el 20%, se ve reducida por la acumulación de polvo, suciedad, polen y otras partículas en los paneles solares, lo que se conoce colectivamente como suciedad . "Un panel solar sucio puede reducir su capacidad energética hasta en un 30% en zonas desérticas o con mucho polvo o polen", afirma Seamus Curran, profesor asociado de física en la Universidad de Houston y director del Instituto de NanoEnergía, que se especializa en el diseño, la ingeniería y el ensamblaje de nanoestructuras. [61] Se estima que la pérdida media por suciedad en el mundo en 2018 fue de al menos un 3% a un 4%. [62]
En 2019, pagar por la limpieza de los paneles solares es una buena inversión en muchas regiones. [62] Sin embargo, en algunas regiones, la limpieza no es rentable. En California, en 2013, las pérdidas financieras provocadas por la suciedad rara vez eran suficientes para justificar el costo de lavar los paneles. En promedio, los paneles en California perdían un poco menos del 0,05 % de su eficiencia general por día. [63]
La instalación y el mantenimiento de paneles solares también entrañan riesgos laborales . Un estudio realizado entre 2015 y 2018 en el Reino Unido investigó 80 incendios relacionados con sistemas fotovoltaicos, de los cuales más de 20 fueron "incendios graves" causados directamente por la instalación de estos sistemas, 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 se debió a una instalación deficiente, un producto defectuoso o problemas de diseño. El elemento individual que provocó incendios con más frecuencia fueron los aisladores de CC. [64]
Un estudio de 2021 realizado por kWh Analytics determinó que la degradación anual media de los sistemas fotovoltaicos es del 1,09 % para los residenciales y del 0,8 % para los no residenciales, casi el doble de lo que se suponía anteriormente. [65] Un estudio de confiabilidad de módulos de 2021 encontró una tendencia creciente en las tasas de fallas 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 %). [66]
Los métodos de limpieza de los 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 manuales son, con diferencia, el método de limpieza más frecuente, probablemente debido a su bajo coste de adquisición. Sin embargo, en un estudio realizado en Arabia Saudí en 2014, se descubrió 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". [67]
En 2021 se produjeron 30.000 toneladas de residuos fotovoltaicos, y Bloomberg NEF estimó que la cantidad anual aumentará a más de 1 millón de toneladas en 2035 y a más de 10 millones en 2050. [68] A modo de comparación, en 2022 se produjeron 750 millones de toneladas de residuos de cenizas volantes en la energía del carbón. [69] En Estados Unidos, alrededor del 90% de los paneles solares fuera de servicio acaban en vertederos a partir de 2023. [70] La mayoría de las partes de un módulo solar se pueden reciclar, incluido hasta el 95% de ciertos materiales semiconductores o el vidrio, así como grandes cantidades de metales ferrosos y no ferrosos. [71] Algunas empresas privadas y organizaciones sin ánimo de lucro recuperan y reciclan los módulos al final de su vida útil. [72] La legislación de la UE exige a los fabricantes que se aseguren de que sus paneles solares se reciclen correctamente. Hay en marcha una legislación similar en Japón , India y Australia . [73] Un informe australiano de 2023 afirmó que existe un mercado para paneles usados de calidad y formuló recomendaciones para aumentar la reutilización. [74] : 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. [80] [81]
La producción de sistemas fotovoltaicos ha seguido un efecto clásico de curva de aprendizaje , con una reducción significativa de costos junto con grandes aumentos en la eficiencia y la producción. [83]
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 actores de gigavatios ( GW) . [84] 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. [85]
La base de la producción de la mayoría de los paneles solares se basa principalmente en el uso de células de silicio. Estas células de silicio suelen tener una eficiencia del 10 al 20 % [86] en la conversión de la luz solar en electricidad, y los modelos de producción más nuevos superan el 22 % [87] .
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 . [88]
El precio de la energía eléctrica solar ha seguido cayendo, de modo que en muchos países se ha vuelto más barata que la electricidad de combustibles fósiles de la red eléctrica desde 2012, un fenómeno conocido como paridad de red . [91] 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. [92] El precio de un conjunto solar solo sigue cayendo.
La información sobre los precios promedio se divide en tres categorías: los que compran pequeñas cantidades (módulos de todos los tamaños en el rango de kilovatios por año), los compradores de rango medio (normalmente hasta 10 MWp por año) y los compradores de grandes cantidades (se explica por sí solo, y con acceso a los precios más bajos). A largo plazo, hay una clara reducción sistemática en el precio de las células y los módulos. Por ejemplo, en 2012 se estimó que el costo por cantidad por vatio era de aproximadamente US$0,60, que era 250 veces menor que el costo en 1970 de US$150. [93] [94] Un estudio de 2015 muestra que el precio/kWh cae un 10% por año 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 la Energía predice el 16% para 2050. [95]
Los costes reales de producción de energía dependen en gran medida de las condiciones meteorológicas locales. En un país nublado como el Reino Unido, el coste por kWh producido es más alto que en países más soleados como España.
Según RMI , los elementos de Balance-of-System (BoS), es decir, los costos no relacionados con los módulos solares no microinversores (como cableado, convertidores, sistemas de montaje y varios componentes) representan aproximadamente la mitad de los costos totales de las instalaciones.
En el caso de las centrales solares comerciales, en las que 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 se denomina a veces "paridad de red mayorista" o "paridad de barras colectoras". [91]
Normas generalmente utilizadas en módulos fotovoltaicos:
Existen muchas aplicaciones prácticas para el uso de paneles solares o fotovoltaicos. En primer lugar, se pueden utilizar en la agricultura como fuente de energía para el riego. En el ámbito sanitario, los paneles solares se pueden utilizar para refrigerar suministros médicos. También se pueden utilizar para infraestructuras. Los módulos fotovoltaicos se utilizan en sistemas fotovoltaicos e incluyen una gran variedad de dispositivos eléctricos :
Con el aumento de los niveles de sistemas fotovoltaicos en azoteas, 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 lidiar con la transferencia de energía bidireccional. Por lo tanto, pueden surgir algunos problemas técnicos. Por ejemplo, en Queensland, Australia, más del 30% de los hogares usaban PV en azoteas a fines de 2017. La curva de pato apareció con frecuencia en muchas comunidades a partir de 2015. Puede surgir un problema de sobretensión a medida que la electricidad fluye desde los hogares fotovoltaicos de regreso a la red. [97] Existen soluciones para gestionar el problema de la sobretensión, como la regulación del factor de potencia del inversor fotovoltaico, nuevos equipos de control de voltaje y energía a nivel del distribuidor de electricidad, la reconducción de los cables eléctricos, la gestión del lado de la demanda, etc. A menudo existen limitaciones y costos relacionados con estas soluciones.
Para que los paneles solares instalados en los tejados puedan proporcionar suficiente energía de reserva durante un corte de electricidad, a menudo también se necesita una batería . [98]
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 los requisitos de calidad de los mismos. Se espera que los módulos solares (o paneles) tengan una larga vida útil de entre 20 y 40 años. [99] Deben transmitir y entregar de forma continua y confiable la energía prevista. Los módulos solares se pueden probar mediante una combinación de pruebas físicas , estudios de laboratorio y análisis numéricos . [100] 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 brindan servicios de aseguramiento de la calidad de los módulos solares. "La implementación de procesos de fabricación consistentes, trazables y estables se vuelve obligatoria para salvaguardar y garantizar la calidad de los módulos fotovoltaicos" [101]
Las etapas del ciclo de vida de las pruebas de módulos solares pueden incluir: la fase conceptual, la fase de fabricación , la fase de transporte e instalación, la fase de puesta en servicio y la fase de puesta en servicio. Según 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 ordenador. Además, se prueba la capacidad de los módulos para soportar condiciones ambientales naturales como temperatura , lluvia , granizo , nieve , corrosión , polvo , rayos , efectos de horizonte y sombra cercana. En esta etapa también se puede probar el diseño y la construcción del módulo, así como 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 lleva a cabo de acuerdo con las normas 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 llevado la eficiencia de conversión de luz solar a electricidad al 34,5 %, estableciendo un nuevo récord mundial para la luz solar no enfocada y acercándose a los límites teóricos para un dispositivo de este tipo.
