Modulo solar

Un módulo solar o módulo fotovoltaico convierte la luz del sol directamente en energía eléctrica . El módulo consta de células solares que están conectadas en serie o en paralelo. Los módulos solares están disponibles en versiones rígidas y flexibles. Los módulos solares rígidos suelen consistir en células solares a base de silicio que se montan en un marco de aluminio y se cubren con una placa de vidrio. Las células solares están protegidas mecánicamente de las influencias ambientales por el módulo, p. Ej. B. granizo , TCO - corrosión . Los módulos solares flexibles se basan en materiales orgánicos y se utilizan preferentemente en el sector móvil.

Módulos solares policristalinos

Los propios módulos solares están conectados individualmente o como grupos en sistemas fotovoltaicos . La fotovoltaica abastece a consumidores independientes de la electricidad tales. B. satélites o se utiliza para alimentar energía a la red eléctrica pública . La totalidad de todos los módulos de un sistema fotovoltaico se denomina generador solar .

Un módulo solar se caracteriza por sus características eléctricas (por ejemplo, voltaje de circuito abierto y corriente de cortocircuito). La curva característica del módulo solar depende de la interconexión de las células solares. Para mantener una alta eficiencia, es importante que las células solares conectadas sean lo más similares posible. Las células solares se clasifican para este propósito.

Requisitos mecánicos

Los siguientes requisitos mecánicos se imponen a los módulos solares para su instalación en un sistema fotovoltaico :

  • cubierta transparente, resistente a la radiación y a la intemperie
  • conexiones eléctricas robustas
  • Protección de la frágil célula solar de influencias mecánicas.
  • Protección de células solares y conexiones eléctricas contra la humedad.
  • Refrigeración suficiente de las células solares
  • Protección contra el contacto con los componentes conductores de electricidad
  • Opciones de manipulación y sujeción

Estructura típica

Módulo solar en un puente de autopista

A continuación, se explica la estructura utilizando el tipo de módulo más utilizado en todo el mundo:

  • un panel de vidrio , generalmente el llamado vidrio de seguridad templado (ESG) en el lado que mira al sol, que, entre otras cosas, sirve para proteger contra el granizo y la suciedad
  • una capa de plástico transparente ( etileno acetato de vinilo (EVA), poliolefina (PO) o caucho de silicona) en la que están incrustadas las células solares
  • células solares monocristalinas o policristalinas que están conectadas eléctricamente entre sí mediante tiras de soldadura
  • Otra película de plástico para pegar la encapsulación trasera, similar a la película de incrustación en la parte delantera
  • Laminación de la parte trasera con una película compuesta de plástico resistente a la intemperie z. B. hecho de fluoruro de polivinilo (Tedlar) y poliéster u otro panel de vidrio (los llamados módulos de vidrio-vidrio)
  • Caja de conexión con diodo de rueda libre o diodo de derivación ( ver más abajo ) y terminal de conexión, a menudo equipado de fábrica con cables de conexión y enchufes (principalmente conexiones de enchufe MC4 entre 4 y 6 mm²)
  • principalmente un marco de perfil de aluminio para proteger el vidrio durante el transporte, la manipulación y el montaje, para sujetar y reforzar el material compuesto, los módulos sin marco están diseñados principalmente como módulos de vidrio-vidrio y se fijan directamente a una subestructura con abrazaderas especiales
  • Número de serie individual en el marco o, en el caso de algunas marcas, incrustado de forma inalterable con las células solares

Fabricación

La fabricación de un módulo solar se automatiza en gran medida con el lado ópticamente activo hacia abajo. Primero, se limpia un vaso adecuado y se coloca listo. A continuación, se coloca un trozo de película EVA cortada encima. Las células solares se conectan a cuerdas individuales (las llamadas cuerdas ) mediante tiras de soldadura y se colocan en el panel con la película EVA. Ahora se colocan y sueldan los conectores cruzados que conectan las cadenas individuales y conducen a la ubicación de la caja de conexiones. Luego, todo se cubre uno tras otro con una película de EVA cortada a medida y una película de fluoruro de polivinilo como respaldo. El siguiente paso de producción es la laminación del módulo en una bolsa de vacío a aproximadamente 140 ° C o en un autoclave con sobrepresión (alrededor de 10 bar) y también a 140 ° C. Durante la laminación, la película de EVA, que antes era lechosa, forma una capa de plástico transparente, tridimensionalmente reticulada y que ya no se puede fundir, en la que ahora están incrustadas las células y que está firmemente unida al panel de vidrio y la hoja posterior. Después de la laminación, los bordes se doblan, la caja de conexiones se coloca y se equipa con los diodos de rueda libre . Ahora el módulo se enmarca, mide, clasifica y empaqueta según sus valores eléctricos.

características técnicas

Los datos de un módulo solar se dan de la misma manera que los datos de una célula solar para condiciones de prueba estandarizadas (STC: 1000 W / m², 25 ° C, AM 1,5).

Curva característica (corriente / voltaje) de una célula solar iluminada y no iluminada

Las abreviaturas comunes para los nombres son:

Cortocircuito (SC)
Cortocircuito
Circuito abierto (OC)
inactivo
Punto de máxima potencia (MPP)
Punto de funcionamiento de máximo rendimiento

Las características de un módulo solar son:

  • Abra el circuito de voltaje
  • Corriente de cortocircuito
  • Voltaje en el mejor punto de funcionamiento posible
  • Corriente en el mejor punto operativo posible
  • Rendimiento en el mejor punto operativo posible
  • Factor de llenado
  • Coeficiente de temperatura (TK) para el cambio de potencia (negativo)
  • TK para el cambio en el voltaje de circuito abierto (negativo)
  • TK para el cambio de corriente de cortocircuito (ligeramente positivo)
  • Eficiencia del módulo
  • Eficiencia de apertura
  • corriente inversa admisible o fusible de string máximo
  • voltaje máximo del sistema

Dado que la humedad penetrante puede acortar en gran medida la vida útil de un módulo debido a la corrosión y provocar conexiones eléctricamente conductoras entre los componentes del módulo solar a través de los cuales fluye la corriente, la encapsulación permanente es de particular importancia. Al calcular los datos de rendimiento y la rentabilidad de un sistema fotovoltaico, generalmente también se tiene en cuenta el envejecimiento, por ejemplo, una reducción del 1% anual.

El diodo de rueda libre o de derivación

Cómo funcionan los diodos de rueda libre en una conexión en serie de varios módulos solares

Si se operan varios módulos en serie , se debe conectar un diodo de rueda libre en antiparalelo a cada módulo como se muestra en el diagrama de la derecha. Los dos módulos solares PC 1 y PC 3 están iluminados, el módulo central PC 2 está sombreado. El flujo de corriente resultante en el circuito a través de la resistencia de carga R L a través del diodo de rueda libre D 2 y los módulos solares activos se resalta en rojo. La corriente máxima y la tensión inversa del diodo deben ser al menos iguales a los valores de corriente y tensión de un módulo. Los diodos rectificadores con 3  A a un voltaje inverso de 100  V son comunes.

El diodo de rueda libre se conecta a los terminales de conexión de cada módulo de tal manera que se polariza en sentido inverso en el estado de funcionamiento normal (el módulo suministra corriente) ( marca de cátodo o anillo en el polo positivo del módulo). Si el módulo no suministra corriente debido al sombreado o un defecto, los fotodiodos, que ahora funcionan en sentido inverso, dejarían fuera de servicio una cadena formada por varios módulos solares conectados en serie. Si la tensión de los módulos solares funcionales e irradiados conectados en serie supera la tensión de bloqueo del módulo solar no irradiado, esto puede incluso conducir a su destrucción. Dado que las otras celdas continúan suministrando electricidad, se produce un sobrecalentamiento en este punto, que incluso puede provocar un incendio en el módulo . Este efecto se conoce como punto caliente . Esto se evita mediante el diodo de rueda libre, la corriente puede fluir a través del diodo de rueda libre. Por tanto, una cadena puede seguir suministrando energía eléctrica, aunque a un nivel inferior.

Con los módulos fotovoltaicos actuales (septiembre de 2011), estos diodos de rueda libre se integran principalmente en las cajas de conexiones en la parte posterior del módulo. En el caso de un módulo con 6 × 10 células solares, por ejemplo, cada 20 células solares se puentean con un diodo en caso de sombreado, de modo que todo el módulo no se desactiva inmediatamente en caso de sombreado parcial.

Un problema es que un diodo de rueda libre con contacto inadecuado no se nota en el funcionamiento normal. Por ejemplo, esta fue la causa del incendio en el sistema fotovoltaico de Bürstadt .

Energía eléctrica

La potencia nominal especificada (pico) de un módulo solar (en vatios pico = Wp) solo se da en condiciones de laboratorio ( STC = condiciones de prueba estándar ) con una irradiación de luz de 1000 W / m², temperatura de celda de 25 ° C e irradiación de 90 ° ángulo y un espectro de luz alcanzado por AM 1,5. En la práctica, estas condiciones óptimas existen con módulos instalados permanentemente debido al cambio de posición del sol solo por un corto tiempo y solo por casualidad dependiendo del clima y la temporada. O es más oscuro, el sol cae sobre los módulos en un ángulo diferente o la eficiencia de las celdas disminuye debido al aumento de temperatura en verano. Cada módulo reacciona de manera diferente a las diferentes intensidades de luz y colores de luz, por lo que la salida de corriente efectiva y el rendimiento anual de dos tipos de módulos igualmente potentes pueden ser muy diferentes. Por lo tanto, el rendimiento diario o anual real depende del tipo y la calidad de los módulos y, por lo tanto, los módulos de alta calidad pueden ofrecer más rendimiento.

Se puede usar lo siguiente como guía: un módulo promedio sin sombra entrega entre 0.5 (nublado, día corto de invierno) y 7 (despejado, largo día de verano) horas de carga completa por día . En otras palabras, un módulo de 100 vatios (dependiendo de la calidad, se requieren entre 0,7 y 1 m²) rinde entre 50 Wh y 700 Wh al día. Para ubicaciones en el sur de Alemania, Suiza y Austria, como regla general, puede contar con un rendimiento anual de 1000 Wh por cada vatio de potencia nominal (Wp). Este valor es definitivamente superado por sistemas modernos con componentes de alta calidad y bien coordinados. La ubicación detallada y la planificación a medida juegan un papel importante. En el sur de Europa estos valores son generalmente mejores y en el norte son peores. Si bien hay poca diferencia entre el norte y el sur en los días despejados y soleados de verano, los contrastes son aún más serios en invierno. Esto se debe a que en el norte los días de verano son mucho más largos y los de invierno son considerablemente más cortos y el sol apenas se asoma por el horizonte allí. En una simulación solar , es posible determinar los rendimientos solares típicos para la ubicación respectiva a partir de los datos meteorológicos, en particular los datos de radiación, y la ubicación geográfica.

Cuando se conectan en serie módulos con orientación diferente, por ejemplo, en superficies curvas o con diferentes sombras, los seguidores del punto de máxima potencia (MPPT) se integran de forma sensata en los propios módulos.

Más tipos

Módulo solar semiflexible en el techo de un automóvil
Módulo solar flexible en un modelo de automóvil
  • Módulos de respaldo de lámina
  • Módulos semiflexibles formados por células monocristalinas entre placas de plástico transparente.
  • Módulos
    de vidrio-vidrio laminado Las ventajas de los módulos de vidrio-vidrio son su robustez y una mayor vida útil.
  • Módulos de vidrio-vidrio en tecnología de resina fundida
  • Módulos de vidrio-vidrio en tecnología de película de seguridad laminada (vidrio de seguridad laminado ) con película de PVB
    El uso de PVB es desventajoso porque tiene valores de transmisión de UV más bajos . Por lo tanto, como se mencionó anteriormente, EVA tiene mucho sentido.
  • Módulos de película delgada (CdTe, CIGSSe, CIS, a-Si, µc-Si) detrás de vidrio o como revestimiento flexible, p. Ej. B. en cinta de cobre
  • Módulos concentradores (también CPV: PV concentrado), ver también células concentradoras
    La luz solar se concentra en células solares más pequeñas con la ayuda de ópticas . Esto ahorra valioso material semiconductor al iluminarlo con lentes comparativamente baratos . Los sistemas concentradores se utilizan principalmente en conexión con semiconductores compuestos III-V . Dado que una cierta incidencia de luz solar (principalmente vertical) es necesaria para la óptica, los sistemas concentradores siempre requieren un seguimiento mecánico de acuerdo con la posición del sol.
  • Colector de fluorescencia
    Esta forma especial de módulo solar convierte la radiación incidente en una placa de plástico en una longitud de onda especialmente adaptada a las células solares. Para ello, el plástico se dopa con tintes fluorescentes . La radiación solar es absorbida por el tinte y lo estimula a brillar. La radiación de onda más larga emitida en el proceso sale de la placa principalmente en una cara, mientras que en todos los demás lados se retiene en gran medida en el material por reflexión total o espejo . La cara libre está equipada con células solares que se adaptan de manera óptima a la longitud de onda emitida por el tinte. Al apilar varias placas de plástico y células solares diferentes, cada una de las cuales está optimizada para un rango de longitud de onda diferente, se puede aumentar la eficiencia , ya que esto permite utilizar un rango espectral de luz solar más amplio de lo que es posible con una célula solar.

Degradación

El término degradación se refiere al cambio relacionado con el envejecimiento en los parámetros de los componentes semiconductores; en este caso, la disminución de la eficiencia de las células solares a lo largo de su vida.

Por lo general, se considera un período de hasta 25 años. La pérdida de eficiencia está aproximadamente en el rango del 10% o 13% en el período de 20 o 25 años. Las células solares en el espacio son mucho más rápidas porque están expuestas a niveles más altos de radiación.

La disminución de la eficiencia o la producción de electricidad con módulos solares a menudo tiene causas más triviales: contaminación general de la superficie del vidrio del módulo; Crecimiento de algas ("hongos") especialmente a partir del marco del módulo, con sombreado parcial de las células; árboles y arbustos en crecimiento que causan sombra parcial y fueron significativamente más pequeños cuando se instalaron; Amarilleo del material polimérico de incrustación que hace contacto celda-vidrio.

Células solares cristalinas

Formación del complejo boro-oxígeno en células solares cristalinas

En el caso de las células solares cristalinas, la eficiencia inicial es aproximadamente del 15-19%. A menudo, los fabricantes garantizan una producción del 80 al 85% de la producción nominal después de 20 años de funcionamiento.

Los responsables de la degradación son esencialmente los defectos activos por recombinación, que reducen la vida útil del portador de carga a aproximadamente el 10% de su valor inicial (degradación inducida por la luz). La formación de complejos de boro-oxígeno en el silicio de Czochralski es responsable de la degradación inducida por la luz: el oxígeno es atraído por la fotorreacción en la que el boro pierde su agujero cargado positivamente y cambia a un ion cargado negativamente. El oxígeno se almacena en la conexión entre el boro y el silicio.

Para minimizar el efecto de la pérdida de efectividad, se pueden utilizar obleas de silicio con una menor proporción de boro y la menor proporción posible de oxígeno (<15  ppm ). Sin embargo, si se usa menos boro, la oblea también tiene una mayor resistencia debido al menor dopaje, lo que reduce la eficiencia de la celda.

Las investigaciones han demostrado que las células solares no muestran ninguna degradación significativa cuando el cristal p está dopado con galio en lugar de boro. La menor pérdida de potencia activa también se pudo demostrar en el caso del silicio dopado con galio con una alta proporción de oxígeno.

Células solares de silicio amorfo

Una degradación particularmente alta de hasta el 25 por ciento puede ocurrir en las células solares hechas de silicio amorfo durante el primer año de operación. Sin embargo, para los módulos solares fabricados con este material, no es el rendimiento al comienzo de la vida útil, sino el rendimiento después del envejecimiento lo que se especifica en las hojas de datos y cuando se vende. Por lo tanto, los módulos solares fabricados con este material inicialmente tienen un rendimiento superior a aquellos por los que pagó. La degradación, también conocida como efecto Staebler-Wronski (SWE), se produce cuando se expone a la luz. El silicio metaestable amorfo que contiene hidrógeno (a-Si: H) experimenta un aumento en la densidad del defecto en aproximadamente un orden de magnitud, con una disminución simultánea de la conductividad y un cambio en el nivel de Fermi hacia la mitad de la banda prohibida .

Después de aproximadamente 1000 horas de sol, las células a-Si alcanzan un nivel de saturación estable para mayor eficiencia. Los primeros módulos fueron fabricados industrialmente a principios de la década de 1980 por la empresa estadounidense Chronar. Los módulos de 6 ″ × 12 ″ entregan hasta 12 W de potencia para sistemas con un voltaje de 12 V. Con ellos se pueden operar pequeños sistemas aislados con una batería de plomo de 12 V. En 1989, Chronar estableció instalaciones de fabricación en EE. UU., Gran Bretaña, Francia y Croacia. Incluso después de la quiebra de 1990, algunas de estas fábricas han estado produciendo módulos de primera generación hasta el día de hoy.

Se trata de módulos con una placa frontal de vidrio de 2 mm de espesor, que lleva las células solares activas. La parte trasera está formada por una segunda placa de vidrio, que se pega con una resina acrílica de curado UV para que sea estanca al aire y al agua. Un marco de plástico o metal garantiza la protección de los bordes. Se integró un conector en el marco. Las células solares se crearon depositando alternativamente capas delgadas de material y luego separándolas en tiras estrechas, las células reales, con un láser en una mesa XY. Comenzó con la deposición técnica al vacío de una capa transparente de óxido de estaño, que sirve como electrodo conductor. El pin de secuencia de capas de una estructura de diodo se produjo mediante CVD asistido por plasma de silano e hidrógeno con la adición cronometrada de elementos de dopaje. El segundo corte con láser se compensa en unos 100 µm y vuelve a exponer el electrodo frontal. Finalmente, en un proceso de vacío, se pulverizó una capa de aluminio altamente conductora como conector para conectar las celdas en serie. Un tercer corte láser offset separó las celdas, pero aseguró la conexión entre la capa de aluminio de una celda y el electrodo frontal de la vecina. Las perturbadoras conexiones restantes de las células fueron quemadas por un fuerte impulso de corriente. Finalmente, se unieron tiras de papel de aluminio a las celdas del borde usando ultrasonidos y estas tiras se conectaron al conector.

Degradación inducida por estrés

La degradación inducida por voltaje (también degradación inducida por potencial ; degradación inducida por potencial inglés ; PID) es una degradación de energía relacionada con el voltaje en módulos fotovoltaicos cristalinos (PV), causada por las llamadas corrientes de fuga . Este efecto negativo puede provocar pérdidas de rendimiento de hasta un 30%.

Además de la estructura de la celda solar, la causa de las corrientes de fuga dañinas es el nivel de voltaje de los módulos fotovoltaicos individuales en relación con el potencial de tierra; en la mayoría de los sistemas fotovoltaicos sin conexión a tierra, los módulos fotovoltaicos están expuestos a un voltaje positivo o negativo. . El PID ocurre principalmente cuando hay un voltaje negativo con respecto al potencial de tierra (excepción: ciertos módulos cristalinos de alto rendimiento) y es acelerado por altos voltajes del sistema, altas temperaturas y alta humedad.

El PGD se conoce como un efecto desde hace varios años. Las primeras publicaciones sobre el tema de 2006 (Photon 4/2006, 6/2006 y 4/2007) solo se referían a los módulos cristalinos de alto rendimiento de SunPower. En 2007, también se registró PID con algunos módulos solares de Evergreen Solar (Photon 1/2008 y 8/2008). Mientras tanto, el PID también es un problema con los módulos cristalinos ordinarios (Photon 12/2010, conferencia de la empresa de energía solar Solon SE en el PVSEC de Valencia 2010): Declaración del fabricante de módulos solares Solon SE: “A 1000 V, que ahora un voltaje común en sistemas fotovoltaicos más grandes, puede ser crítico para cualquier tecnología de módulo ” .

El efecto PID negativo se puede prevenir completamente mediante el uso de un inversor con la posibilidad de poner a tierra el polo positivo o negativo. Qué polo del generador debe conectarse a tierra debe aclararse con el fabricante del módulo solar.

la membrana solar plegada en frente también sirve para dar sombra al edificio

variantes

Módulo inteligente

Un módulo inteligente tiene un seguidor MPP integrado o todo el inversor solar para el módulo y se puede conectar a la red a través de un enlace de CC o directamente.

Módulos fotovoltaicos enchufables

Los módulos fotovoltaicos enchufables, también conocidos como plug and save, plug & play o mini-PV , son módulos solares con un microinversor (parcialmente integrado). Estos módulos pueden instalarse en la terraza, en el jardín, en una cochera , garaje, balcón o caseta de jardín y conectarse a la instalación eléctrica de su propio apartamento o casa mediante un enchufe .

Los módulos fotovoltaicos enchufables están completamente ensamblados y empaquetados para que también puedan ser puestos en funcionamiento por personas no profesionales. Estos "sistemas de balcones" pueden reducir la factura privada de electricidad hasta cierto punto. Por lo general, no se permite que un medidor de electricidad convencional funcione al revés por razones legales o fiscales. Por lo tanto, los sistemas fotovoltaicos que no han sido registrados también se conocen como guerrilla fotovoltaica .

La aprobación de dichos módulos fotovoltaicos enchufables se maneja de manera diferente en diferentes países. En Alemania, el funcionamiento en la red eléctrica es de notificación obligatoria. En Alemania se permite la conexión de una planta generadora directamente a un circuito final mediante una toma de corriente (consulte la norma DIN VDE V 0628-1 ) desde 2018.

En Austria, muchos operadores de red estipulan que los sistemas de generación no deben poder conectarse. En Suiza y muchos otros países, por otro lado, los módulos fotovoltaicos enchufables se pueden conectar y utilizar con normalidad, siempre que se garantice que no se supere una potencia de alimentación de 600 vatios bajo ninguna circunstancia. El mismo umbral de tolerancia existe en los Países Bajos.

reciclaje

Los materiales de un módulo fotovoltaico se pueden reciclar hasta en un 95%. La primera instalación de prueba del mundo para reciclar células solares de silicio cristalino entró en funcionamiento en Freiberg en 2004 . En la actualidad, un pequeño número de empresas especializadas y organizaciones sin ánimo de lucro, como PV CYCLE en la Unión Europea, se ocupan de la devolución y el reciclaje de módulos al final de su vida útil.

En uno de los procesos de reciclaje disponibles en la actualidad para módulos basados ​​en silicio, los plásticos contenidos en el módulo se queman a temperaturas de alrededor de 600 ° C. Lo que queda son vidrio, metal, rellenos y la celda solar. El vidrio y la fracción metálica se transfieren a las empresas de reciclaje correspondientes.

Las capas superficiales se eliminan de la célula solar mediante un paso de limpieza química (grabado). A continuación, se pueden fabricar nuevas células solares a partir del silicio de la célula solar. Cabe señalar que se debe utilizar una cantidad significativamente menor de energía si recicla el silicio de los módulos solares antiguos que si lo fabrica desde cero.

Para una oblea cualitativamente equivalente hecha de silicio reciclado, solo necesita el 30% de la energía en comparación con una oblea nueva. Por lo tanto, el reciclaje es ecológicamente sensible, ya que el tiempo de recuperación de la energía es más corto, es decir, un módulo reciclado recupera la energía que se utilizó para la producción más rápidamente que un módulo solar hecho de silicio no reciclado. Un estudio del Instituto Fraunhofer alemán publicado en 2012 muestra que el reciclaje de una tonelada de módulos fotovoltaicos basados ​​en silicio puede ahorrar hasta 1200 toneladas de CO 2 equivalente . Hoy en día existen tecnologías de reciclaje para todas las tecnologías fotovoltaicas disponibles en el mercado.

Desde 2010, una conferencia anual ha reunido a fabricantes, recicladores y científicos para mirar hacia el futuro del reciclaje de módulos fotovoltaicos. En 2011, el evento tuvo lugar en Berlín.

literatura

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enlaces web

Commons : Paneles de células solares  - Colección de imágenes
Wikcionario: módulo solar  - explicaciones de significados, orígenes de palabras, sinónimos, traducciones

Evidencia individual

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