Tabla de Contenidos:
- Introducción
- ¿Qué son los paneles solares?
- ¿Cómo funcionan los paneles solares?
- ¿Cuáles son los componentes principales de los paneles solares?
- Conclusión
Introducción
Con el aumento global de la demanda de energía y la creciente conciencia sobre la protección del medio ambiente, la energía solar ha ganado una atención significativa como una fuente de energía limpia y renovable. Los paneles solares son los componentes principales de los sistemas de energía solar, convirtiendo la luz solar en electricidad para proporcionar energía sostenible. Este artículo proporcionará una introducción detallada a los componentes clave y las funciones de los paneles solares, ayudando a los lectores a comprender mejor su composición y características.
¿Qué son los paneles solares?
Los paneles solares son dispositivos que convierten la energía solar en electricidad. Están compuestos por múltiples células solares, que utilizan el efecto fotovoltaico para transformar la energía solar en energía eléctrica. Los paneles solares son una de las partes más críticas de un sistema de generación de energía solar. La estructura típica de estos módulos incluye (de arriba a abajo): vidrio—lámina EVA—células solares—lámina EVA—lámina posterior o vidrio, asegurados con un marco de aleación de aluminio.
Además, los materiales auxiliares incluyen vidrio fotovoltaico, película de encapsulación, tiras de soldadura, láminas posteriores, silicona de sellado, gel de sellado de caja de conexiones AB, cajas de conexiones y marcos.
¿Cómo funcionan los paneles solares?
Los paneles solares recolectan energía limpia y renovable de la luz solar y la convierten en electricidad, la cual se utiliza luego para alimentar cargas eléctricas. Los paneles solares están compuestos por múltiples células solares individuales, cada una de ellas formada por capas de silicio, fósforo (que proporciona carga negativa) y boro (que proporciona carga positiva). Los paneles solares absorben fotones (partículas de luz), generando una corriente eléctrica. Cuando los fotones golpean la superficie del panel solar, transfieren su energía a los electrones, causando que se liberen de sus órbitas atómicas y entren en el campo eléctrico creado dentro de la célula solar. Estos electrones liberados son entonces atraídos hacia una corriente direccional, formando lo que se conoce como el efecto fotovoltaico.
¿Cuáles son los componentes principales de los paneles solares?
1. Células Solares
Las células solares son uno de los componentes principales de los paneles solares, responsables de convertir la luz solar en energía eléctrica. Logran esto a través del efecto fotovoltaico, donde los fotones de la luz solar que golpean la superficie de la célula solar excitan los electrones, generando una corriente eléctrica que impulsa el flujo de electrones a través de los circuitos.
(1) Tipos de Células Solares
Las células solares se categorizan principalmente en tres tipos según sus materiales y procesos de fabricación: células solares de silicio monocristalino, células solares de silicio policristalino y células solares de película delgada. Las células de silicio monocristalino son ampliamente utilizadas debido a su alta cristalinidad y buena movilidad electrónica. Las células de silicio policristalino, por otro lado, son preferidas por sus menores costos y procesos de producción simplificados. Las células solares de película delgada utilizan diversos materiales como silicio amorfo, seleniuro de cobre, indio y galio (CIGS), entre otros, ofreciendo ventajas como ligereza, flexibilidad y rentabilidad, lo que las hace adecuadas para aplicaciones específicas.
(2) Tecnologías de Células Solares Mainstream y Estado Actual
Las células solares son los componentes fundamentales de la generación de electricidad fotovoltaica, y sus rutas tecnológicas y niveles de proceso impactan directamente en la eficiencia y vida útil de los módulos fotovoltaicos. Basado en elementos de dopado y procesos de fabricación, los tipos de células solares mainstream desarrolladas y producidas actualmente en el mercado pueden categorizarse en cuatro tipos: PERC, TOPCon, HJT e IBC.
a. PERC
Las células PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) utilizan tecnología de célula de emisor y trasera pasivada, con una oblea de silicio tipo P como sustrato para el emisor de la célula. Esta tecnología, pionera del científico australiano Martin Green en 1983, mejora la eficiencia de conversión añadiendo una capa de pasivación en la parte trasera de la célula. Al maximizar el gradiente potencial a través de la unión P-N, las células PERC estabilizan el flujo de electrones, reducen la recombinación de electrones y logran niveles de eficiencia más altos en comparación con las estructuras de células estándar.
b. IBC
Las células IBC (Interdigitated Back Contact) no tienen líneas de rejilla de metal en la parte frontal. El emisor y el campo trasero están integrados en un patrón de rejilla cruzada en la parte trasera de la célula, evitando el sombreado de las líneas de rejilla de metal. Combinado con estructuras de pirámide y recubrimientos antirreflectantes en ambas superficies frontal y trasera, este diseño único maximiza la utilización de la luz y mejora significativamente la eficiencia de conversión fotovoltaica de las células solares IBC.
c. TOPCon
Las células TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) emplean una estructura de contacto pasivado donde se prepara una capa ultrafina de dióxido de silicio en la parte trasera de la célula, seguida de una capa de silicio dopado. Juntas, estas forman una estructura de contacto pasivado conocida como tecnología TOPCon. La capa de óxido ultrafina permite que los portadores minoritarios tunelen en la capa de silicio policristalino mientras bloquean la recombinación de los portadores mayoritarios, mejorando el transporte lateral de electrones y la recolección por los contactos metálicos. Esto reduce en gran medida las tasas de recombinación y mejora la eficiencia de conversión de la célula.
d. HJT
Las células HJT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer) también son conocidas como células de heterounión. Desarrolladas inicialmente por Sanyo Electric (ahora Panasonic) en 1990 y registradas como HIT, las compañías posteriores que entraron en el campo de la heterounión adoptaron diferentes designaciones como HJT, SHJ y HDT para evitar disputas de patentes. A diferencia de las células PERC y TOPCon, que utilizan dopado del mismo material (silicio cristalino), las células HJT utilizan dopado de dos materiales diferentes (silicio cristalino y silicio amorfo). Esto forma una unión PN entre la oblea de silicio y la capa de silicio amorfo, reduciendo la recombinación de portadores en la unión PN y mejorando así la eficiencia de conversión de la célula solar.
Estas tecnologías representan avances significativos en la eficiencia de las células solares y son fundamentales en el desarrollo continuo de módulos fotovoltaicos de alto rendimiento.
2. Material de Encapsulación Frontal - Vidrio de Panel Solar
Los paneles solares son dispositivos cruciales que convierten la energía solar en electricidad, y su estructura y selección de materiales impactan directamente en su eficiencia y vida útil. En los paneles solares, el material de encapsulación frontal es típicamente vidrio, utilizado principalmente para proteger las células solares internas mientras mejora el rendimiento general del panel.
Tipos de Vidrio para Paneles Solares
Vidrio Ultratransparente: También conocido como vidrio de bajo contenido de hierro, tiene una transmitancia de luz extremadamente alta (hasta 91%-93%) y se utiliza ampliamente en paneles solares de alta eficiencia. El vidrio ultratransparente tiene un contenido de hierro muy bajo, lo que reduce la absorción de luz y mejora la transmitancia de luz.
Vidrio Templado: Vidrio fortalecido por métodos físicos o químicos, tiene alta resistencia y resistencia al impacto. Incluso si se rompe, se desintegra en pequeños fragmentos granulares, reduciendo el daño a las células solares. El vidrio templado se usa comúnmente en paneles solares que requieren alta resistencia mecánica.
Vidrio Semi-templado: El vidrio semi-templado tiene niveles de estrés entre el vidrio plano ordinario y el vidrio totalmente templado, que van de 24 MPa a 52 MPa. A pesar de tener menor resistencia al impacto, tiene alta planitud y no tiene estrés interno, lo que lo hace adecuado para el procesamiento de laminación en la producción de paneles solares, mejorando así el rendimiento y la calidad.
Vidrio Revestido: Vidrio con un recubrimiento de película delgada especial en la superficie, que reduce la reflexión, aumenta la transmitancia de luz y proporciona funciones anti-suciedad y a prueba de agua. Es adecuado para paneles solares en condiciones ambientales especiales.
Funciones y Roles del Vidrio para Paneles Solares
Como un componente crítico que cubre las células solares, el vidrio de los paneles solares realiza múltiples funciones cruciales que impactan directamente en el rendimiento y la durabilidad de todo el módulo del panel solar.
Alta Transmitancia de Luz: El vidrio fotovoltaico de alta calidad generalmente tiene una transmitancia de luz superior al 90%, asegurando que más luz solar llegue a las células solares a través del vidrio, mejorando así la eficiencia de conversión fotovoltaica.
Resistencia a las Condiciones Climáticas: El vidrio fotovoltaico necesita operar a largo plazo bajo diversas condiciones ambientales, requiriendo alta resistencia a las condiciones climáticas para mantener un rendimiento estable en entornos adversos como altas temperaturas, bajas temperaturas, humedad y exposición a rayos UV, sin envejecimiento, decoloración o fallos.
Resistencia Mecánica: El uso de vidrio templado con alta resistencia y resistencia al impacto puede soportar presiones externas como carga de viento, carga de nieve y granizo, asegurando la seguridad y usabilidad a largo plazo.
Bajo Contenido de Hierro: El vidrio de bajo contenido de hierro (vidrio ultratransparente) tiene un contenido de hierro muy bajo, reduciendo la absorción de luz y mejorando la transmitancia de luz, mejorando significativamente la eficiencia de conversión fotovoltaica.
Revestimiento Antirreflectante: La adición de recubrimientos antirreflectantes reduce las pérdidas por reflexión de la luz, aumentando aún más la transmitancia de luz para que más luz entre en las células solares, mejorando así la eficiencia general de conversión fotovoltaica.
3. Película de Encapsulación de Paneles Solares
La película de encapsulación es un material crucial en el embalaje de módulos fotovoltaicos (FV) y es esencial para la vida útil del módulo. Sella y protege las células internas del módulo. Las películas de encapsulación incluyen EVA, POE y EPE coextrusionado.
EVA: La película EVA es uno de los materiales de encapsulación más utilizados, especialmente adecuada para encapsular módulos monocristalinos PERC de tipo P. Este material es rentable, ofrece buena procesabilidad y tiene una velocidad de reticulación rápida, protegiendo efectivamente las células de los impactos ambientales. Dependiendo de las necesidades específicas, se pueden elegir diferentes tipos de EVA, como EVA de alta transparencia para el frente, EVA de alto corte para la parte trasera o EVA blanca hecha con dióxido de titanio.
POE: La película POE se utiliza principalmente para la encapsulación de módulos FV de doble vidrio y tipo N. En comparación con EVA, POE exhibe propiedades superiores, incluyendo baja permeabilidad al agua, resistencia a la hidrólisis, resistencia al envejecimiento y excelente resistencia a la degradación inducida por potencial (PID). Sin embargo, su superficie lisa la hace propensa a desplazarse y aumenta la dificultad del procesamiento, resultando en costos más altos.
EPE coextrusionado: La película EPE coextrusionada combina la buena procesabilidad de EVA con la excelente resistencia a PID y resistencia al vapor de agua de POE. Este material se usa comúnmente en módulos de células Topcon tipo N y módulos de doble vidrio, logrando un equilibrio entre rendimiento y rentabilidad.
Características Clave de las Películas de Encapsulación de Paneles Solares
En los paneles solares, las películas de encapsulación deben poseer varias características clave para asegurar su efectividad y confiabilidad en el proceso de conversión fotovoltaica:
Alta Transparencia: La transparencia de las películas de encapsulación debe ser lo más alta posible para permitir la máxima penetración de la luz solar, mejorando así la eficiencia de conversión fotovoltaica. Típicamente, el requisito de transparencia es superior al 95%.
Bajas Pérdidas Ópticas: Las películas de encapsulación deben minimizar las pérdidas ópticas para reducir la absorción y dispersión de la luz dentro de la película. Las pérdidas ópticas incluyen principalmente pérdidas por absorción y dispersión.
Excelente Adhesión: Las películas de encapsulación deben mostrar una fuerte adhesión a materiales como el vidrio, las células y las láminas traseras, asegurando la robustez y confiabilidad del módulo. La resistencia de unión entre la película de encapsulación y las células debe ser suficiente para soportar el estrés mecánico durante la operación del módulo.
Buena Resistencia Mecánica: Las películas de encapsulación deben tener una resistencia mecánica adecuada para soportar cargas mecánicas bajo condiciones ambientales adversas como viento, nieve y granizo.
Excelente Aislamiento Eléctrico: Las películas de encapsulación deben prevenir efectivamente fugas y accidentes eléctricos, asegurando la seguridad y confiabilidad del sistema FV. El voltaje de ruptura y la resistividad volumétrica de la película de encapsulación deben cumplir con los requisitos de las normas relevantes.
4. Lámina Trasera del Panel Solar
En la encapsulación trasera de módulos fotovoltaicos (PV), los materiales incluyen principalmente las láminas traseras y el vidrio trasero, desempeñando un papel crucial en la protección y optimización del rendimiento del módulo.
Láminas Traseras:
Ubicadas en la parte posterior de los paneles solares, la función principal de la lámina trasera es proteger las células solares internas y los materiales de encapsulación de la corrosión y daños ambientales externos, asegurando una operación estable a largo plazo del módulo. Los materiales comunes para las láminas traseras incluyen Plástico Reforzado con Fibra de Vidrio (FRP) y láminas de película de poliéster. Las láminas traseras de FRP ofrecen alta resistencia y resistencia a las condiciones climáticas, siendo adecuadas para diversas condiciones ambientales. Las láminas de película de poliéster son livianas y poseen buena flexibilidad y propiedades mecánicas.
Típicamente, las láminas traseras constan de una estructura de tres capas, que incluye una capa exterior, una capa intermedia (comúnmente sustrato de PET) y una capa interna. Varios tipos de láminas traseras recubiertas, como FPF, KPF, PPF y PF, ofrecen diferentes características como recubrimientos de fluoruro (F o C) y películas de PVDF (K) que mejoran la resistencia a las condiciones climáticas y las propiedades anti-envejecimiento. Estas estructuras en capas y recubrimientos protegen eficazmente los componentes internos del módulo de la luz, la humedad, el calor y las condiciones de congelación, garantizando su estabilidad y fiabilidad en diversos entornos ambientales.
Vidrio Trasero:
El vidrio trasero es el material de vidrio que cubre la lámina trasera en los paneles solares. Su función principal es proteger la estructura trasera y maximizar la transmisión de luz para mejorar la eficiencia de conversión fotovoltaica del módulo. El vidrio trasero también cuenta con una excelente resistencia a la abrasión, a las condiciones climáticas y a la corrosión, haciéndolo adecuado para un uso a largo plazo en diversas condiciones ambientales.
El vidrio trasero típicamente utiliza vidrio fotovoltaico ultraclaro de bajo contenido de hierro y semi-templado. Viene en diferentes espesores (como 2.0 mm y 1.6 mm) y diseños con o sin rejillas para cumplir con los requisitos de diferentes aplicaciones. Sus características incluyen tasas extremadamente bajas de transmisión de vapor de agua, que previenen problemas de delaminación de la lámina trasera inducidos por la humedad. Además, tiene altas propiedades de aislamiento, lo que soporta requisitos más altos de voltaje del sistema.
5. Marco del Panel Solar
El marco del panel solar es un accesorio esencial del módulo, utilizado principalmente para proteger los bordes del vidrio del panel solar, mejorar el rendimiento de sellado del módulo y aumentar la resistencia mecánica, lo que impacta significativamente en la vida útil del módulo. Como componente crucial en el módulo fotovoltaico, los marcos de aleación de aluminio han dominado el mercado debido a su alta resistencia, robustez, buena conductividad, resistencia a la corrosión, resistencia a la oxidación, fuerte resistencia a la tracción, facilidad en el transporte e instalación, y facilidad de reciclabilidad. Estas excelentes propiedades han permitido que los marcos de aleación de aluminio mantengan una tasa de penetración en el mercado de más del 95%, evolucionando junto con la industria fotovoltaica a lo largo de los años.
El marco del panel solar es un accesorio de alto valor en la estructura de costos de los módulos fotovoltaicos, donde los costos de las células constituyen aproximadamente el 55%. Con los tamaños estándar y pesos actuales de los marcos de aluminio, el marco del panel solar representa aproximadamente el 13% del costo total, más alto que otros accesorios como EVA, vidrio, lámina trasera y cintas. Es el accesorio de mayor costo. Además de los tradicionales marcos de aleación de aluminio, también hay marcos de aleación de aluminio-magnesio de bajo costo y marcos de materiales compuestos en el mercado. Sin embargo, debido a limitaciones en apariencia y resistencia a la corrosión, estos materiales no se han convertido en opciones predominantes.
6. Caja de Conexiones (Junction Box)
La caja de conexiones es un conector ubicado entre el conjunto de células solares fotovoltaicas que forman el panel solar y el dispositivo de control de carga solar. Su función principal es conectar la electricidad generada por las células solares fotovoltaicas a los circuitos externos. La caja de conexiones se adhiere a la lámina trasera del módulo con silicona. Los cables salientes dentro del módulo están conectados entre sí a través del cableado interno de la caja de conexiones, que luego conecta el cableado interno a los cables externos, asegurando la conexión del módulo a los cables externos.
La caja de conexiones del módulo fotovoltaico es un componente crítico de conexión eléctrica. Su estructura principal incluye una carcasa con una placa de circuito impreso en su interior. La placa de circuito impreso tiene terminales de conexión N de busbar y dos terminales de conexión de cable. Cada terminal de conexión de busbar está conectado en serie con las cadenas de células solares fotovoltaicas a través de busbars, y los terminales de conexión de busbar adyacentes están conectados por diodos. Interruptores electrónicos están conectados en serie entre los terminales de conexión de busbar y los terminales de conexión de cable, controlados por señales de control recibidas para encenderlos o apagarlos. El terminal de conexión N de busbar está conectado al segundo terminal de conexión de cable. Los dos terminales de conexión de cable están conectados al mundo exterior a través de cables, y un capacitor de derivación también se coloca entre los dos terminales de conexión de cable.
Conclusión
En resumen, la composición de un módulo fotovoltaico solar incluye componentes clave como células fotovoltaicas, lámina trasera, vidrio, materiales de encapsulación, marco y caja de conexiones. Cada componente desempeña un papel indispensable en el rendimiento y la durabilidad general del módulo. Las células fotovoltaicas son el núcleo, responsables de convertir la energía solar en electricidad; la lámina trasera y el vidrio proporcionan protección y transparencia; los materiales de encapsulación garantizan el sellado y la durabilidad de cada parte; mientras que el marco y la caja de conexiones se encargan de la fijación del módulo, la instalación y la conducción de corriente. El efecto sinérgico de estos componentes permite que los módulos fotovoltaicos solares operen de manera eficiente y estable, satisfaciendo las diversas necesidades de diversas aplicaciones.
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Referencia:
Paneles Solares: Un breve análisis del estado de desarrollo de la ruta del proceso - Eficiencia - Compuesto - Tecnología. (s.f.-c). Copyright © 2017 Sohu.com Inc. Todos los derechos reservados. Obtenido de https://www.sohu.com/a/635276105_121123896
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¿Cuál es el papel de la caja de conexiones media del módulo fotovoltaico, panel fotovoltaico caja de conexiones 4 terminales cómo cablear - capullo nube voltaica. (n.d.-b). https://www.pojianyunfu.com/news/1127.html
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