Hablemos de módulos fotovoltaicos (primera parte)

Un factor clave en el desempeño de los módulos es su comportamiento cuando están expuestos al sombreado parcial o total en cualquier parte de su área

En esta entrega hablaré del módulo fotovoltaico que es el corazón del sistema fotovoltaico. Su importancia es fundamental en la producción final y en la vida útil de todo el sistema y, aunque el tema es vasto, trataré de ser más específico en cada uno de los puntos que componen un módulo fotovoltaico.

La anatomía de un módulo

A continuación describo los componentes principales de un módulo fotovoltaico. Como recomendación, para elegir un proveedor fiable de módulos hay que asegurarse de saber las calidades y de dónde provienen sus materiales (1).

A. El marco, hecho de aluminio, ofrece al panel rigidez estructural que lo protege de elementos externos y permite una fácil instalación.

B. Vidrio. El vidrio protege la parte superior del panel y permite que una cantidad optima de luz del sol llegue a las celdas.

C. EVA (dos láminas). El etil-vinil acetato ( ethylene-vinyl acetate, EVA ) es el adhesivo que une todos los componentes del panel y evita que el agua, la tierra y otros elementos lleguen a las celdas.

D. Celdas. La luz del sol se transforma en electricidad en las celdas solares, el motor del panel.

E. Laminado posterior. Un laminado posterior eléctricamente neutro protege la parte posterior del módulo e impide que ingrese agua o tierra al panel.

F. Conexión / Conectores. A través de cables y conectores, la caja de conexiones transfiere la electricidad que producen las celdas al conjunto solar más grande.

Como podemos observar, todos los componentes del módulo tienen como función dar forma y proteger a las celdas que están conformadas en un arreglo.

Tipos de celdas

Conforme su tipo de material, las celdas se pueden clasificar de la siguiente manera:

Y según el orden atómico que guardan se les define en:

Monocristalina: Cuando la disposición atómica de un sólido cristalino es perfecta, todas las celdas unitarias están unidas de la misma manera y tienen la misma orientación, se dice que es un monocristal, lo cual indica su grado de pureza.

Policristalina: La mayoría de los sólidos cristalinos están formados de muchos cristales pequeños o granos, por lo cual se les denomina policristalino, y cada grano tiene una orientación distinta. La región donde dos granos se encuentran se llama frontera de grano.

Amorfo o capa fina: Los átomos o moléculas que lo forman no se encuentran en posiciones fijas del cristal y por tanto carecen de una distribución tridimensional regular.

Uno de los materiales utilizado con más éxito han sido las películas finas de teluro de cadmio (CdTe), CIGS, de silicio amorfo y de silicio microamorfo. Estos materiales se aplican en una película fina en un sustrato de apoyo tal como el vidrio o la cerámica, por lo tanto, la reducción de material y costos es significativa. Estas tecnologías prometen hacer mayores las eficiencias de conversión, en particular, el CIGS-CIS y el CdTe. Estas tecnologías pueden tener eficiencias de conversión más altas combinadas con costos de producción más baratos.

Tipos de módulos

Continuando con el proceso de producción, se requiere que las celdas queden constituídas en un arreglo eléctrico, habitualmente de 60 a 72 celdas, para formar los módulos monocristalinos(2) y policristalinos(3), o los módulos con película fina(4) o amorfos.

Un factor clave en el desempeño de los módulos es su comportamiento cuando están expuestos al sombreado parcial o total en cualquier parte de su área. Para salvaguardar la integridad del módulo y del sistema en general se ocupan los diodos, que son componentes electrónicos que permiten el flujo de corriente en una única dirección. En los sistemas fotovoltaicos generalmente se utilizan de dos formas: como diodos de bloqueo y como diodos de bypass. Los diodos de bloqueo impiden que la batería se descargue a través de los paneles fotovoltaicos en ausencia de luz solar. Evitan también que el flujo de corriente se invierta entre bloques de paneles conectados en paralelo, cuando en uno o más de ellos se produce una sombra. Los diodos de bypass protegen individualmente a cada panel de posibles daños ocasionados por sombras parciales. Deben ser utilizados en disposiciones en las que los módulos están conectados en serie. Generalmente no son necesarios en sistemas que funcionan a 24V o menos. Mientras que los diodos de bloqueo evitan que un grupo de paneles en serie absorba flujo de corriente de otro grupo conectado a él en paralelo, los diodos de bypass impiden que cada módulo individualmente absorba corriente de otro de los módulos del grupo, si en uno o más módulos del mismo se produce una sombra.

Teoría del circuito

No hay células sombreadas. La corriente pasa por todas las celdas. Ninguna corriente pasa a través de los diodos de derivación.

Una celda sombreada. La corriente ignora la cadena de 24 series de células y pasa a través del diodo de derivación en paralelo con esa cadena.

Una fila de celdas sombreadas. La corriente ignora tres cadenas de 24 series de células y pasa a través de tres diodos de derivación.

Una columna de celdas sombreadas. La corriente desvía la cadena de la serie de 24 celdas y pasa a través del diodo de derivación en paralelo con esa cadena.

Todo el módulo sombreado. La corriente pasa por alto todas las celdas y pasa a través de tres diodos de derivación.

Tipos de arreglos

Los módulos fotovoltaicos se colocan en dos tipos de posiciones, denominados:

  1. Landscape, en donde la parte longitudinal del panel se coloca horizontalmente
  2. Portrait, cuando la parte longitudinal del panel se coloca verticalmente

El tipo de estructura a utilizar dependerá del entorno en el que se instalará el sistema fotovoltaico:

1.- En techumbre:

  • Adosado.
  • Con inclinación.
  • Balastrado.

2.- A nivel de piso.

3.- Flotante.

Como todo componente es necesario observar la normatividad que rige a cada uno de sus elementos para garantizar su funcionamiento y desempeño durante su vida útil, que deberá ser entre 25 a 30 años, conforme a la garantía que nos proporcione el fabricante del módulo.

UL es una organización independiente con más de un siglo de experiencia en la evaluación de la seguridad de productos, entre las cuales se encuentra la certificación de productos con base en Normas Oficiales Mexicanas (NOM) y Normas Mexicanas (NMX).
La Comisión Electrotécnica Internacional (CEI o IEC por sus siglas en inglés, International Electrotechnical Commission), dicta Normas Internacionales para la evaluación de conformidad para todas las tecnologías eléctricas, electrónicas y tecnologías relacionadas.
IECEE, el Sistema IEC para los Sistemas de Evaluación de la Conformidad para Equipos y Componentes Electrotécnicos, es un sistema de certificación multilateral basado en las Normas Internacionales de IEC. Sus miembros utilizan el principio del reconocimiento mutuo (aceptación recíproca) de los resultados de las pruebas para obtener la certificación o aprobación a nivel nacional en todo el mundo. El Comité Técnico de la IEC (TC) 82: Sistemas de energía solar fotovoltaica, fue creado en 1981 para preparar Normas Internacionales para sistemas de conversión fotovoltaica de energía solar en energía eléctrica y para todos los elementos de todo el sistema de energía fotovoltaica.
CSA International (Canadian Standards Association), miembro del Grupo CSA, es un proveedor de servicios de prueba y certificación de productos para electricidad, mecánica, plomería, gas y una variedad de otros productos. Reconocidos en los Estados Unidos, Canadá y alrededor del mundo, las marcas de CSA aparecen en miles de millones de productos en todo el mundo.
La Directiva Europea sobre la reutilización de dispositivos eléctricos y electrónicos (RAEE) 2012/19/UE regula el tratamiento adecuado de los productos al final de su vida útil y estipula que los Productores (por ejemplo, los fabricantes y los importadores) de equipos eléctricos y electrónicos deben cumplir con sus obligaciones nacionales de gestión de residuos, incluidas la financiación y administración. En 2012, los paneles FV fueron incluidos en el campo de aplicación de la Directiva RAEE por primera vez.
La Marca CE proviene del francés y significa “Conformité Européenne” o de Conformidad Europea y es una marca europea para ciertos grupos de servicios o productos industriales. Se apoya en la directiva 93/68/EEC.

El Sistema de Certificación de Microgeneración (MCS) es un sistema de aseguramiento de la calidad liderado por la industria y reconocido a nivel internacional, con el apoyo del Departamento de Negocios, Energía e Estrategia Industrial (BEIS). MCS es un sistema BS EN ISO / IEC 17065: 2012 y fue lanzado en 2008. MCS certifica los productos de microgeneración utilizados para producir electricidad y calor de fuentes renovables.

La Organización Internacional de Normalización ó ISO, nacida tras la Segunda Guerra Mundial, es el organismo encargado de promover el desarrollo de normas internacionales de fabricación, comercio y comunicación para todas las ramas industriales.
 El Sello FIDE es un distintivo que se otorga a productos que inciden directa o indirectamente en el ahorro de energía eléctrica. Comprar productos con Sello FIDE garantiza que son equipos o materiales de alta eficiencia energética, o de características tales que le permitan coadyuvar al ahorro de energía eléctrica.

A continuación, hago mención de las normativas que deben observar los fabricantes de módulos fotovoltaicos(5):

IEC 61215: Módulos fotovoltaicos (FV) de silicio cristalino para uso terrestre. Cualificación del diseño y homologación.

IEC 61215-1-1: Módulos fotovoltaicos (FV) para uso terrestre. Cualificación del diseño y homologación. Parte 1-1: Requisitos especiales de ensayo para los módulos fotovoltaicos (FV) de silicio cristalino.

IEC 61730-1: Cualificación de la seguridad de los módulos fotovoltaicos (FV). Parte 1: Requisitos de construcción.

IEC 61730-2: Cualificación de la seguridad de los módulos fotovoltaicos (FV). Parte 2: Requisitos para ensayos.

IEC 61701: Ensayo de corrosión por niebla salina de módulos fotovoltaicos (FV).

IEC 61853-1: Ensayos del rendimiento de módulos fotovoltaicos (FV) y evaluación energética.

Parte 1: Medidas del funcionamiento frente a temperatura e irradiancia y determinación de las características de potencia.

IEC 61646: Módulos fotovoltaicos terrestres (FV) de capa fina – Cualificación de diseño y homologación.

IEC 50583: Sistemas fotovoltaicos en edificios. Parte 1: Módulos BIPV (módulos fotovoltaicos integrados en edificios).

UL 1703: norma para los módulos y paneles FV de seguridad con placa plana; inspecciones de seguridad ampliadas a los elementos fotovoltaicos integrados en edificios (BIPV).
Existen laboratorios independientes que proporcionan los servicios de inspección técnica y certificación de calidad, como TÜV Rheinland (6).

El grupo TÜV Rheinland se funda en 1872 con sede en Colonia, Alemania. La misión del Grupo y el principio que los guía, es garantizar un desarrollo sostenible de la Seguridad y la Calidad dando respuesta a los retos que surgen de las interacciones entre el Hombre, la Tecnología y el Medio Ambiente. Dentro de su página, cuenta con un apartado llamado Certipedia, en donde se puede verificar la existencia de una certificación y su vigencia.

En conclusión, entre más certificaciones tenga un producto, nos dará un mejor parámetro de su desempeño y su compromiso con la calidad.

Bibliografía / Referencias

(1) YINGLI SOLAR. Componentes internos,  https://goo.gl/d9YuRE

(2) TRINA SOLAR. Módulos Fotovoltaicos Policristalinos. https://goo.gl/thUVwy

(3) SOLARWORLD. Módulos Fotovoltaicos Monocristalinos. https://goo.gl/3FTmb8

(4) SOLARWORLD. Módulos de película fina. https://goo.gl/sG628U

(5) IEC System of Conformity Assessment Schemes for Electrotechnical Equipment and Components (IECEE). https://goo.gl/x2EzrG

(6) TÜV Rheinland, https://goo.gl/DZheAA


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Juan Roberto Jiménez

Juan Roberto Jiménez

Consultor Independiente at Eficiencia Energética y Energías Renovables en CRÉÉE
Ingeniero egresado del IPN con 20 años de experiencia en el área de Ingeniería Civil. Cuenta con 8 años de especialización en el área de Eficiencia Energética y Energías Renovables. Certificado por el FIDE-Conocer en EC0586 Sistemas Fotovoltaicos. Actualmente se desempeña como consultor independiente en Eficiencia Energética y Energías Renovables en CRÉÉE. (Consultancy in Renewable Energy and Energy Eficciency).
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