Introducción
A medida que la tecnología fotovoltaica sigue avanzando, el mercado de módulos fotovoltaicos ha evolucionado de la corriente alta a la corriente baja. Los módulos fotovoltaicos de corriente alta han captado la atención por su alta producción de energía, pero los riesgos y pérdidas asociados no pueden ser ignorados. En contraste, los módulos fotovoltaicos de corriente baja son cada vez más vistos como una opción más sabia debido a sus ventajas en seguridad, eficiencia y compatibilidad. Este artículo analizará los riesgos y pérdidas de los módulos fotovoltaicos de corriente alta y explorará los beneficios únicos de los módulos fotovoltaicos de corriente baja.
Tabla de Contenidos
1. Introducción
2. La Emergencia de los Módulos Fotovoltaicos de Corriente Alta
3. Riesgos y Pérdidas de los Módulos Fotovoltaicos de Corriente Alta
4. Ventajas de los Módulos Fotovoltaicos de Corriente Baja
5. Conclusión
La Emergencia de los Módulos Fotovoltaicos de Alta Corriente
El Costo Nivelado de Energía (LCOE, por sus siglas en inglés) es una métrica fundamental para evaluar proyectos fotovoltaicos. En el lado del módulo, la eficiencia, la potencia y la capacidad de generación juegan roles críticos, y mejorar la potencia y eficiencia de los módulos fotovoltaicos puede reducir efectivamente el LCOE. Ya en 2009, la potencia máxima de los módulos fotovoltaicos en la industria era solo de 290W. Después de más de una década de desarrollo, la potencia de los módulos fotovoltaicos ha aumentado a más de 500W, con algunos superando los 600W. Los principales caminos para mejorar la potencia del módulo incluyen avances en tecnología celular que mejoran la eficiencia de conversión, optimización del diseño del módulo y materiales auxiliares, y aumento del tamaño de las obleas. Inicialmente, las células solares producidas en masa se basaban en obleas de 125 mm, que luego evolucionaron a 156 mm, 156.75 mm, 158.75 mm, 166 mm, y ahora a 182 mm y 210 mm. La llegada de las obleas de gran tamaño de 182 mm y 210 mm en 2020 no solo trajo un aumento significativo en la potencia del módulo, sino que también aumentó notablemente la corriente de operación de los módulos fotovoltaicos.
En general, la razón detrás del aumento del tamaño de la oblea incluye dos puntos principales: en primer lugar, puede reducir efectivamente el costo por vatio de las obleas y células solares, reduciendo así el costo de producción de los módulos fotovoltaicos; en segundo lugar, aumentar el tamaño de la oblea puede mejorar la potencia del módulo, reduciendo así el costo del Balance del Sistema (BOS, por sus siglas en inglés). Sin embargo, cualquier ganancia está dentro de un cierto rango; cuando el tamaño de la célula y la corriente aumentan hasta cierto punto, los riesgos, peligros y pérdidas asociadas pueden superar los beneficios.
Riesgos y Pérdidas de los Módulos Fotovoltaicos de Alta Corriente
1. Riesgos de Producción y Calidad de los Módulos Fotovoltaicos de Alta Corriente
En el proceso de producción, a medida que el tamaño de la célula aumenta, la producción tiende a disminuir debido al aumento de la dificultad de fabricación. El rendimiento de las obleas y células de gran tamaño en las etapas iniciales de producción puede no alcanzar el nivel de los productos originales, y algunos problemas causados por el aumento de tamaño pueden no resolverse perfectamente a medida que madura el proceso. Además, las obleas sobredimensionadas pueden obstaculizar el desarrollo de células más delgadas, y el aumento de tamaño de los módulos fotovoltaicos puede dificultar la reducción de costos en marcos y vidrio, impactando en los costos de producción. Además, el aumento del tamaño de la oblea y del módulo también aumenta los riesgos de carga mecánica, lo que hace que el transporte y la instalación sean más desafiantes y requieran estructuras de soporte de mayor demanda, afectando la calidad a lo largo del ciclo de vida del producto y del sistema.
2. Impacto de los Módulos Fotovoltaicos de Alta Corriente en la Generación de Energía
(1) Pérdida de Línea de Cable
Basándonos en un proyecto de 100MW, comparamos la pérdida de línea de los módulos fotovoltaicos de 182mm (corriente de operación alrededor de 13A) y los módulos fotovoltaicos de corriente ultra alta (corriente de operación alrededor de 18A). Bajo condiciones de prueba estándar (STC, por sus siglas en inglés), utilizando la misma especificación de cable de 4mm², el esquema de módulo fotovoltaico de corriente ultra alta tuvo aproximadamente un 0.2% más de pérdida de línea en el lado de CC en comparación con el esquema de módulo de 182mm. Incluso suponiendo que el ambiente de aplicación real tenga una irradiancia del 70% de las condiciones STC, todavía hay una diferencia de pérdida de línea de aproximadamente 0.14%. En sistemas que utilizan módulos fotovoltaicos bifaciales, el aumento de corriente de los módulos bifaciales en comparación con los módulos monofaciales puede ser del 10%-20%, amplificando aún más la diferencia de pérdida de línea.
(2) Pérdida de Potencia Térmica del Módulo
También realizamos investigaciones y cálculos relacionados sobre la pérdida de potencia térmica de los módulos fotovoltaicos: la proporción de pérdida de potencia térmica de los módulos fotovoltaicos de corriente ultra alta es un 0.53% mayor que la de los módulos fotovoltaicos de 182mm. Para un proyecto de escala de 3GW, debido a la pérdida directa de potencia térmica, los módulos fotovoltaicos de corriente ultra alta generarán 20 millones de kWh menos por año que los módulos fotovoltaicos de 182mm.
(3) Generación de Energía y Cálculo del LCOE
Los resultados de la simulación muestran que la generación de energía de los módulos fotovoltaicos de 182mm es un 1.8% más alta que la de los módulos de corriente ultra alta, a 1.862 kWh/Wp/año. En cuanto al LCOE, los módulos fotovoltaicos de 182mm son de 0.03-0.05 Yuan/kWh más bajos que los módulos de corriente ultra alta, a 0.19 yuan/kWh.
(4) Análisis Empírico de los Módulos Fotovoltaicos de Corriente Ultra Alta
Para estudiar completamente el rendimiento de generación de energía y las diferencias de temperatura de operación de diferentes módulos fotovoltaicos, una marca líder, en colaboración con TÜV Nord, llevó a cabo un proyecto empírico al aire libre en la Base Experimental Nacional Fotovoltaica en Yinchuan en febrero de 2021. Los datos empíricos mostraron que bajo condiciones de alta irradiancia, debido a que más energía se convierte en calor en las cintas, la temperatura de operación de los módulos fotovoltaicos de corriente ultra alta fue en promedio 1.8°C más alta que la de los módulos fotovoltaicos de 182mm, con una diferencia de temperatura máxima de aproximadamente 5°C. Esto se debe principalmente a que la alta corriente de operación de los módulos fotovoltaicos conduce a pérdidas térmicas significativas en los electrodos metálicos y cintas de la superficie de la célula, aumentando la temperatura de operación del módulo. Como es bien sabido, la potencia de salida de los módulos fotovoltaicos disminuye con el aumento de la temperatura, con una disminución de la potencia de aproximadamente un 0.35% por cada aumento de 1°C en la temperatura; combinado con múltiples factores, los datos empíricos muestran que la generación de energía de un vatio de los módulos fotovoltaicos de 182mm es aproximadamente un 1.8% más alta que la de los módulos de corriente ultra alta.
3. Riesgos de Seguridad Eléctrica de los Módulos Fotovoltaicos de Alta Corriente
Los módulos fotovoltaicos son dispositivos eléctricos que encapsulan células solares con vidrio, lámina posterior, EVA o POE, y luego transmiten la electricidad de CC generada a través de cajas de conexiones, cables y conectores. Para todo el módulo fotovoltaico, las cajas de conexiones y los conectores, aunque son componentes pequeños poco llamativos, pueden causar importantes riesgos de seguridad si fallan.
(1) Riesgo de Calentamiento de la Caja de Conexiones
Según estadísticas de organizaciones de terceros autorizadas, las fallas en las estaciones de energía (especialmente incendios) causadas por módulos fotovoltaicos están mayormente relacionadas con las cajas de conexiones y los conectores. Por lo tanto, la caja de conexiones es un punto técnico crítico en el diseño del módulo, especialmente para módulos fotovoltaicos de alta corriente, donde la capacidad de transporte de corriente de los diodos en la caja de conexiones es crucial. La siguiente imagen muestra la situación donde el calentamiento de la caja de conexiones causó la quema del conector.
Para garantizar la capacidad de transporte de corriente de los diodos en la caja de conexiones, para los módulos fotovoltaicos monofaciales, se recomienda que la corriente nominal de la caja de conexiones sea mayor que 1.25 veces la corriente de cortocircuito (Isc). Para los módulos fotovoltaicos bifaciales, también se debe considerar una ganancia bifacial del 30% y aproximadamente un 70% de relación en la parte trasera. Los módulos fotovoltaicos bifaciales de 182mm utilizan cajas de conexiones de corriente nominal de 25A maduras en el mercado, manteniendo un margen de seguridad del 16%, asegurando la fiabilidad a largo plazo de los módulos fotovoltaicos de alta corriente. Los módulos de corriente más grande requieren cajas de conexiones de corriente nominal más alta (30A). Sin embargo, incluso con cajas de conexiones de 30A, el margen de seguridad de los módulos fotovoltaicos de corriente ultra alta es relativamente bajo, y el riesgo de sobrecarga aumenta significativamente bajo condiciones de alta irradiancia y alta temperatura.
(2) Riesgo de Sobrecalentamiento de Cables
Basándonos en el estándar IEC 62930, realizamos investigaciones y cálculos sobre la capacidad de transporte de corriente de los cables fotovoltaicos. En general, en plantas de energía montadas en el suelo o en tejados distribuidos, los cables de 4 mm² pueden satisfacer las necesidades de aplicación de los módulos fotovoltaicos de 182 mm y los módulos fotovoltaicos de corriente ultra alta. Sin embargo, cuando algunos tejados distribuidos alcanzan temperaturas de 70°C, si los módulos fotovoltaicos de corriente ultra alta no utilizan cables fotovoltaicos de 6 mm² más caros, los cables pueden sobrecalentarse y quemarse, aumentando el riesgo de incendio.
Ante los diversos riesgos y pérdidas de los módulos fotovoltaicos de alta corriente, los módulos fotovoltaicos de baja corriente muestran ventajas únicas. Estas ventajas los están haciendo cada vez más dominantes en el mercado, especialmente en aplicaciones donde la confiabilidad del sistema y los beneficios a largo plazo son primordiales.
1. Mayor Seguridad Eléctrica
El diseño de baja corriente de los módulos fotovoltaicos de baja corriente reduce significativamente las pérdidas térmicas y los riesgos de puntos calientes, mejorando la seguridad eléctrica. Por ejemplo, los módulos fotovoltaicos de baja corriente Twisun Pro utilizan un diseño de baja corriente de 10A, reduciendo las temperaturas de funcionamiento y disminuyendo aún más la probabilidad de fallas eléctricas. Este diseño no solo prolonga la vida útil del módulo, sino que también garantiza un funcionamiento confiable en diversos entornos.
2. Mayor Eficiencia en la Generación de Energía
Los módulos fotovoltaicos de baja corriente Twisun Pro logran una mayor eficiencia en la generación de energía mediante un proceso de células único de tres partes. En comparación con los procesos tradicionales de células medias, el proceso de células de tres partes reduce la temperatura de funcionamiento del módulo en un 20%, aumentando la generación de energía en un 4.64%. Además, el diseño de baja corriente reduce las pérdidas en línea, haciendo que cada vatio de potencia se convierta de manera más efectiva en electricidad utilizable.
3. Compatibilidad del Sistema y Rentabilidad
El tamaño estándar y el diseño de baja corriente de los módulos de baja corriente los hacen más compatibles con inversores y sistemas de montaje existentes. Por ejemplo, el módulo fotovoltaico Twisun Pro tiene una corriente de alrededor de 10A y un tamaño estándar de 1.998 metros cuadrados, lo que lo hace adecuado para inversores y soportes de montaje convencionales. Esto simplifica el proceso de integración del sistema y reduce los costos de instalación. Además, la estructura ligera de doble vidrio de los módulos de baja corriente (solo 21kg) no solo facilita el transporte e instalación, sino que también reduce la carga en los tejados, disminuyendo aún más la dificultad y los costos de instalación.
4. Rendimiento en Entornos de Baja Irradiancia
Los módulos de baja corriente tienen un rendimiento excepcional en entornos de baja irradiancia. Los módulos fotovoltaicos Twisun Pro comienzan a generar energía más temprano en la mañana y se detienen más tarde en la tarde bajo condiciones de poca luz, extendiendo el tiempo diario de generación de energía. Esta característica permite que los módulos de baja corriente mantengan una alta eficiencia en diversas condiciones climáticas, aumentando significativamente la generación total de energía.
5. Mayor Vida Útil y Garantía
La tasa de degradación ultra baja de los módulos fotovoltaicos de baja corriente Twisun Pro resulta en solo un 1% de degradación en el primer año y un 0.4% anualmente después, garantizando una generación de energía de alta eficiencia a largo plazo. Además, Twisun Pro ofrece 30 años de garantía de producto y potencia para sus módulos de doble vidrio. Esta garantía a largo plazo hace que invertir en módulos de baja corriente sea más económicamente viable, reduciendo los costos de mantenimiento y reemplazo.
En conclusión
En resumen, los módulos fotovoltaicos de baja corriente Twisun Pro, con sus importantes ventajas en seguridad eléctrica, eficiencia en la generación de energía, compatibilidad del sistema y rentabilidad, se han convertido en una opción más sabia en el mercado. Abordan los diversos riesgos asociados con los módulos fotovoltaicos de alta corriente mientras proporcionan a los clientes soluciones fotovoltaicas más seguras, eficientes y confiables. Elegir los módulos fotovoltaicos de baja corriente Twisun Pro brindará mayores rendimientos y una vida útil más larga a su sistema fotovoltaico.
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