¿Cómo lograr energía limpia y abundante?: de la célula solar al sistema fotovoltaico

23 Jun 2017
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Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

La energía solar fotovoltaica es una de las tecnologías renovables líderes en el mercado mundial, y viene experimentando un auge en los últimos años muy importante debido, entre otras razones, a la fuerte reducción de precios experimentada por los módulos y paneles solares y al incremento de las medidas encaminadas a frenar los efectos del cambio climático, que se vienen implantando gradualmente en numerosos países.

En este artículo analizaré la estructura física de un módulo fotovoltaico, el elemento esencial para la obtención de energía eléctrica del sol. Los módulos y los paneles solares son la base de cualquier sistema fotovoltaico, sin los cuales, el aprovechamiento práctico de la energía solar sería imposible.


1. El módulo fotovoltaico

Un módulo fotovoltaico se construye mediante la conexión eléctrica de células solares con objeto de incrementar la potencia de salida del conjunto, ya que una célula aislada produce una cantidad de potencia pequeña (3W), de escasa utilidad práctica. El módulo debe protegerse del ambiente y también se debe proteger a sus usuarios de posibles descargas eléctricas. En los siguientes párrafos detallaré como se logra este doble objetivo.

Los módulos fotovoltaicos comerciales habituales constan de 60 células (10 × 6), aunque los hay con otras combinaciones, por ejemplo 36 (9 × 4), 72 (12 x 6), etc. A efectos del desarrollo del artículo, es irrelevante el número de células que tenga. Las células están encapsuladas en el módulo, que es un conjunto unitario estable y rígido, diseñado para funcionar durante decenas de años. El objetivo clave de encapsular las células solares conectadas eléctricamente entre sí es protegerlas a ellas y a sus interconexiones de los entornos de trabajo donde se utilizan, generalmente agresivos: viento, lluvia y cambios de temperatura, que pueden ser muy acusados en instalaciones ubicadas en lugares desérticos con altos niveles de irradiación, la temperatura del módulo puede oscilar entre -10ºC durante la noche y cerca de 80ºC en las horas centrales del día.

Las células solares de silicio son delgadas (200 µm), por lo que son frágiles y propensas a daños mecánicos y a fracturas a menos que estén protegidas mediante encapsulados rígidos y resistentes. Además, tanto el electrodo frontal depositado sobre la superficie de la célula, como los cables de interconexión entre ellas se pueden corroer por la acción del agua. Las dos funciones clave del encapsulado que protegen el módulo fotovoltaico son, de una parte, prevenir el daño mecánico y de otra, evitar la corrosión de los contactos eléctricos. De esta manera, se asegura que el tiempo de vida de los módulos fotovoltaicos de silicio sea del orden de 25 años, lo que indica el elevado grado de rigidez y seguridad mecánica y eléctrica que tienen.


2. Estructura de un módulo fotovoltaico

La estructura de la mayoría de los módulos fotovoltaicos de silicio consta de los siguientes elementos:

i) Una superficie superior transparente, casi siempre de vidrio similar al de las ventanas de las viviendas.

ii) Un encapsulante-adhesivo, que generalmente es etilvinilacetato (EVA)

iii) Una capa posterior, que suele ser Tedlar®

iv) Un marco de aluminio alrededor del borde exterior, para proporcionar consistencia y rigidez mecánica al módulo.

El conjunto se muestra a continuación en la figura:

Estructura y componentes típicos  de un módulo fotovoltaico de silicio de 60 células (6 × 10). En los módulos fabricados con tecnologías de láminas delgadas (CdTe; CGIS), la placa trasera actúa de sustrato donde se fabrican directamente las células solares


2.1. Material y características de la superficie frontal

La superficie frontal del módulo debe tener una alta transmitancia en las longitudes de onda del espectro del sol en las que las células solares van a convertir la energía luminosa en energía eléctrica. Para el caso de los módulos con células de silicio, debe ser transparente al espectro visible y el infrarrojo próximo (longitudes de onda comprendidas entre 350 nm y 1200 nm), unido a una baja reflectancia frontal, que se puede reducir aplicando capas antireflectantes a dicha superficie, pero habitualmente no son lo suficientemente robustas para aguantar las condiciones de trabajo de los módulos.

En ocasiones se realiza un texturizado de la superficie, aunque este método tiene el inconveniente de que pueden acumular polvo, ensuciando y volviendo menos transparente dicha superficie, de modo que estos módulos no son “auto-limpiables” por el viento o la lluvia y las ventajas de la reflexión reducida son rápidamente superados por las pérdidas sufridas debido al aumento de la suciedad de la superficie superior.

Además de sus propiedades ópticas de reflexión y transmisión, la superficie frontal debe ser impermeable, robusta frente a impactos y estable ante una exposición prolongada a rayos ultra violeta, que son muy energéticos. Si el agua de la lluvia o el vapor ambiente entra dentro del módulo, corroerá los contactos y las interconexiones eléctricas, por lo que degradará drásticamente su funcionamiento. Además, la capa frontal forma parte de la estructura global del módulo, con lo que también debe proporcionar gran rigidez mecánica de cara a acomodar adecuadamente las células y el cableado entre ellas.

Hay varias elecciones para cumplir con todos los requisitos anteriores: acrílicos, polímeros y vidrios. El vidrio templado con bajo contenido en hierro es la elección más frecuente, al reunir los requisitos de ser económico, rígido, estable, con elevada transparencia, impermeable al agua, además de ser auto-limpiable.


2.2. Encapsulante

El encapsulante es una doble capa que se utiliza para asegurar la adhesión entre las células solares, la superficie frontal y la superficie trasera del módulo, actuando entonces como “pegamento” de los diversos componentes del módulo, tal y como muestra la figura anterior. Debe ser estable frente a temperaturas elevadas y frente a la exposición a los rayos ultra violeta; también debe ser ópticamente transparente y debe tener una baja resistencia térmica. El material usual para cumplir este cometido es el etilvinilacetato (en lo que sigue, EVA).  El EVA es una hoja delgada (0,5 mm), en los módulos hay dos, una frontal que se inserta entre el contacto frontal de las células solares y la superficie superior y otra entre el contacto trasero y la superficie posterior del módulo. El conjunto se calienta entonces a 150 ° C para polimerizar (endurecer) el EVA y pegar entre sí los diversos componentes del módulo.


2.3. Superfície trasera

La superficie posterior del módulo fotovoltaico debe tener una baja resistencia térmica y debe ser impermeable. En la mayoría de los módulos se utiliza como superficie posterior una hoja delgada de polímero, típicamente Tedlar®.


2.4. Marco

El componente final de la estructura del módulo es el ribete o el marco del módulo. Un marco convencional está hecho típicamente de aluminio. La estructura del bastidor debe estar libre de salientes, que podrían dar lugar al embalsado de agua, o a la acumulación de polvo u otras sustancias.


3. Modularidad de la tecnología fotovoltaica

Dependiendo de la potencia que suministren y por consiguiente, de su tamaño y del uso al que van destinados, los sistemas fotovoltaicos generalmente se clasifican en tres grandes tipos: instalaciones para uso residencial o de autoconsumo, instalaciones para uso industrial y grandes instalaciones o “huertos solares”. Un sistema residencial típico tiene una potencia comprendida en el margen 4-10 kW, y se instala habitualmente en los tejados de la vivienda, mientras que los sistemas para uso industrial y los huertos solares pueden llegar a decenas e incluso centenares de MW y suelen estar instalados en tierra, con orientación fija o con sistemas de seguimiento del sol.

Aunque los sistemas destinados a autoconsumo son pequeñas y tienen un mayor coste por vatio que las grandes instalaciones de los huertos solares, hoy día representan la mayor parte de los sistemas en uso, aunque esto difiere mucho de un país a otro. En Holanda o Alemania, es el tipo de instalación dominante, mientras que en España, los huertos solares son casi todo lo que hay instalado, dada las severas restricciones legales con que el decreto de autoconsumo 900/2015 vigente en la actualidad, penaliza las instalaciones residenciales destinadas a autoconsumo.

Lo relevante de esta variedad de instalaciones, que hace única a la tecnología fotovoltaica, es que independientemente de su tamaño, todos utilizan exactamente la misma tecnología; simplemente hay que añadir módulos  para obtener la potencia deseada. Esta característica de modularidad es única en el campo de la generación de energía y no la posee ninguna de las fuentes convencionales de energía (¡no es posible hacer una central nuclear para autoconsumo!). Otras grandes renovables, como la eólica o la hidráulica son también modulares, pero en menor medida que la fotovoltaica. La figura muestra esa característica específica de la tecnología fotovoltaica:

De la célula solar al sistema fotovoltaico. Todos los componentes de un sistema (inversor, batería, cableado, etc.) son comunes a cualquier instalación, independientemente del tamaño, sea de vatios o de gigavatios


4. Los costes de los sistemas fotovoltaicos

Hay que distinguir dos tipos de costes, que están estrechamente relacionados: los energéticos y los económicos. Los costes energéticos son muy variables y dependientes de la tecnología de las células que utilicen. Así, los costes en términos de energía consumida para fabricarlos son muy elevados en el caso del c-Si y menores en los de mc-Si, CGIS y CdTe; esta tecnología es la menos costosa en términos de energía.

Los costes económicos también varían dependiendo del país y de las primas o incentivos que tenga su utilización, aunque se han reducido muy significativamente en los últimos años, aunque el reparto porcentual del coste de cada elemento del sistema sobre el total no ha variado significativamente en la última década; la siguiente gráfica lo ilustra:

Reparto de costes en un sistema fotovoltaico: 1.- Coste energético de fabricación del módulo, desglosado entre sus componentes; 2.- Costes económicos del módulo; 3.- Costes económicos del sistema fotovolotaico ya instalado, con sus diversos integrantes. Fuente: L. L. Kazmerski (Executive Director, Science & Technology, NREL)

En la tecnología de silicio, la célula (es decir, el silicio más el dispositivo) representa el 70% del coste económico y el 80% del coste energético. En las tecnologías que utilizan otros semiconductores (CGIS, CdTe), los costes energéticos son menores, en especial en la de CdTe, en la que representa únicamente el 30% de la de silicio.

La investigación y el desarrollo de la industria fotovoltaica se dirigen a reducir el coste de obtención de la materia prima –el silicio-, a abaratar el precio del proceso de fabricación y a mejorar la eficiencia de la célula y por lo tanto del módulo. Los distintos tipos de módulos fotovoltaicos que existen en el mercado en la actualidad explotan cada uno sus ventajas sobre el resto de tecnologías.

La energía solar fotovoltaica experimenta un auge ininterrumpido desde hace más de una década y en 15-20 años será una de las principales fuentes de suministro de energía eléctrica en todo el mundo. Este es un aspecto que he analizado con detalle en este artículo.


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