Diferencia entre Celda, Módulo, Panel y Arreglo Fotovoltaico

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Funciones básicas de cada estructura

Para entender la diferencia entre qué es una celda, un módulo, un panel y un arreglo fotovoltaico lo que debemos saber es qué función cumplen cada uno de ellos dentro de la etapa de generación de potencia eléctrica en un sistema fotovoltaico. Cada una de estas definiciones representan la unidad básica de funcionamiento a diferentes escalas de potencia eléctrica. Así la unidad de potencia más fundamental de todo sistema solar fotovoltaico es la celda solar fotovoltaica. Muchas celdas solares fotovoltaicas se juntan para formar un módulo fotovoltaico, que es la unidad básica de voltaje del arreglo fotovoltaico. Los módulos fotovoltaico se juntan para formar el panel fotovoltaico que representa la unidad básica de potencia del sistema fotovoltaico. Por último, muchos paneles fotovoltaicos se juntan para formar un arreglo fotovoltaico. A continuación te explico con más detalle cada una de estas definiciones para que logres comprender más fácilmente la diferencia entre cada uno de ellos.

Celda Solar fotovoltaica

La celda fotovoltaica es la unidad más pequeña en voltaje que puede ser construida para producir potencia eléctrica a través del efecto fotovoltaico. No nos preocupemos en este momento por el tipo de tecnología, material o estructura con la que se fabrica la celda solar fotovoltaica. Lo que debemos tener claro es que cuando se construye un tipo particular de celda solar fotovoltaica siempre se obtienen más o menos los mismos valores de voltaje. Por ejemplo, si fabricamos celdas solares de silicio monocristalino siempre vamos a obtener un voltaje de trabajo de la celda, que está por el orden de los 0,58 voltios. Este voltaje es diferente para cada tipo de tecnología, material o estructura de celda, pero siempre será el mismo para un proceso particular de fabricación de celda solar.

Así, no importa como fabriquemos una celda siempre se obtendrá el mismo valor de voltaje para esa celda. Note que los valores de corriente que produce dicha celda no son siempre los mismos. La corriente que produce una celda solar es proporcional al área de la misma. Esto es así porque la corriente es proporcional a la cantidad de fotones (luz) que absorbe la celda fotovoltaica, y entre mayor sea el área de la celda, mayor será la corriente que produce. Esto significa que si yo construyo una celda cuadrada de silicio monocristalino con unas dimensiones de de 2 mm x 2 mm, entonces lo más probable es que mi celda tenga un valor de voltaje de 0,58 voltios y una corriente del orden de los microamperios. La potencia de esta celda minúscula es de P = voltaje x corriente = 0,58 voltios x microamperios = potencia del orden de microvatios.
Ahora imagina que decido construir una celda solar de silicio monocristalino cuadrada con dimensiones de centímetros. En este caso, esta celda solar es mucho más grande en área que nuestra celda anterior, y la cantidad de corriente que producirá será mayor. Al poner a funcionar esta celda deberíamos obtener un voltaje de 0,58 voltios y una corriente que está en el orden de los miliamperios. Así, la potencia de esta celda, resultante de multiplicar el voltaje por la corriente producida, debería estar por el orden de los milivatios. Ahora para poner las cosas en perspectivas, voy a exagerar y fabricar una celda solar de silicio monocristalino con 1 metro de ancho por 1 metro largo, es decir tengo una celda solar de 1 metro cuadrado de área. En esta situación esta celda solar va a producir un voltaje de 0,58 voltios y una corriente que puede estar por el orden de, digamos 20 amperios. En este caso particular la potencia de esta celda solar fotovoltaica está alrededor de unos 12 vatios.
Como vemos en los ejemplos que he utilizado no importa el tamaño de la celda solar de silicio monocristalino que fabrique, el voltaje que produce siempre será de 0,58 voltios, y una cantidad de corriente en amperios que varía con el área total de la celda. Si se construyen celdas de kilómetros cuadrados de área, tendré voltajes de 0,58 voltios y muchísimos amperios. Creo que con esto ya se ha captado la idea principal que quiero transmitir de las celdas fotovoltaicas. El voltaje siempre será el mismo y sólo varía la potencia de la celda por variación del tamaño de la misma.
Lo importante a entender acá es que la celda solar fotovoltaica es el componente más pequeño y esencial a partir del cual se ensamblan los demás componentes del arreglo fotovoltaico.

Módulo Solar Fotovoltaico

Bien, ya hemos entendido qué podemos esperar en términos de voltaje y corriente de una celda solar fotovoltaica. El problema que se nos presenta es que con un voltaje tan pequeño producido por la celda, como es el de 0,58 voltios en el caso de celdas de silicio monocristalino, no es suficiente para que sea útil en aplicaciones eléctricas. Por ello, es que se hace necesario elevar los voltajes de trabajo de estos dispositivos para poder llegar a un voltaje de trabajo que sea útil, como por ejemplo, para cargar una batería. Aquí es donde decidimos construir un módulo solar fotovoltaico.
Un módulo solar fotovoltaico se construye al ensamblar varias celdas fotovoltaicas en serie, para aumentar el voltaje total generado por dichas celdas. Los módulos se ensamblan hasta lograr obtener un voltaje nominal de trabajo típico. Por ejemplo, si se desea que ese módulo sea capaz de cargar un acumulador de 12 voltios, entonces debe producir un voltaje que sea suficiente para dicha tarea. Si utilizamos celdas solares de silicio monocristalino que producen voltajes de 0,58 voltios por cada celda, entonces debemos utilizar, y es el estándar en la industria, 36 de estas celdas conectadas en serie para producir un módulo fotovoltaico de unos 21 voltios aproximadamente. Note que el voltaje nominal de este módulo es de 12 voltios. Para más detalles sobre este aspecto de los voltajes nominales de trabajo te recomiendo leer el artículo “¿Qué un panel solar Fotovoltaico?“.
Así, si deseamos producir un módulo fotovoltaico de silicio monocristalino con un voltaje nominal de 6 voltios debemos ensamblar unas 18 celdas fotovoltaicas en serie. Por supuesto, si se trata de otra tecnología diferente a la del silicio monocristalino, entonces en ese caso podrían necesitarse más o menos celdas fotovoltaicas dependiendo del voltaje que produzca cada celda fabricada con esa tecnología. Lo importante a tomar en cuenta aquí es que al conectar las celdas en serie para producir un módulo fotovoltaico sumamos los voltajes pero la corriente total sigue siendo la misma que produce la celda fotovoltaica. Esto significa que un módulo fotovoltaico produce mucho más potencia que una celda fotovoltaica por el aumento del voltaje del módulo y no de su corriente. Por ello, un módulo siempre produce una potencia igual a n veces la potencia de la celda fotovoltaica, donde n es el número de celdas que conforman el módulo fotovoltaico.
El módulo fotovoltaico pasa a ser la unidad básica nominal de voltaje de un sistema fotovoltaico. Los módulos fotovoltaicos son ahora los componentes esenciales para fabricar los paneles fotovoltaicos.

Panel Solar Fotovoltaico

Ya debemos tener claro que hace una celda fotovoltaica y un módulo fotovoltaico. El primero produce un voltaje inalterable muy pequeño que es fijado por la naturaleza; y el segundo produce un voltaje de salida total que se considera nominal para muchas aplicaciones y que lo podemos ensamblar a voluntad.

Fotografía de un panel solar fotovoltaico de silicio monocristalino
Panel solar fotovoltaico de silicio monocristalino

A pesar de que los módulos fotovoltaicos son capaces de producir un voltaje de salida nominal que puede ser utilizado en muchas aplicaciones, resulta en la mayoría de los casos, que las potencias eléctricas totales que producen son muy pequeñas para ser útiles. Es aquí donde entran al escenario los paneles fotovoltaicos. Un panel solar fotovoltaico se construye al conectar en paralelo varios módulos fotovoltaicos; con la intención de sumar la corriente que produce cada módulo, y así aumentar la potencia total producida por estos componentes. Los fabricantes utilizan módulos de 12 voltios para fabricar paneles de 12 voltios. Y utilizan módulos de 24 voltios para producir paneles fotovoltaicos de 24 voltios.
En el caso de los paneles fotovoltaicos ya no existen estándares para producción de potencias nominales. Por ello, en el mercado pueden encontrarse paneles fotovoltaicos de casi cualquier valor de potencia nominal. Los paneles fotovoltaicos pueden ir desde potencias de 1 w hasta centenares de vatios.
Sin embargo, la potencia eléctrica que producen los paneles fotovoltaicos tiene un límite físico y está asociado con la corriente máxima que producen. Al ser los paneles fotovoltaicos el resultado de conectar en paralelo varios módulos fotovoltaicos, las corrientes se suman, llegando a producir valores muy altos de corriente que pueden crear problemas en la estabilidad del panel. Tradicionalmente, los paneles solares fotovoltaicos no suelen producir más de 10 amperios de corriente para evitar estos problemas. Así, los paneles fotovoltaicos de 12 voltios no suelen producir potencias superiores a 150 vatios, o los paneles fotovoltaicos de 24 voltios potencias superiores a 300 vatios.
Esto impone límites técnicos a la producción de potencia eléctrica por parte de los paneles fotovoltaicos.

Arreglo Fotovoltaico

Como vemos hay límites a la potencia eléctrica que son capaces de producir los paneles fotovoltaicos. Por ello, es que recurrimos a estructuras más grandes que son los arreglos fotovoltaicos. En un arreglo fotovoltaico se conectan paneles fotovoltaicos en serie y/o paralelo para producir cada vez mayores cantidades de voltajes y/o corrientes, y por ende mayores potencias eléctricas. El arreglo fotovoltaico es lo que necesitamos cuando nuestro proyecto intentan abastecer el consumo eléctrico de un hogar u oficina.
En teoría el arreglo fotovoltaico puede manejar valores muy altos de corriente y voltaje, porque todo esto se exterioriza y se lleva a cabo por equipos especializados para estas funciones; como son los cables eléctricos de interconexión, controladores de carga, etc. En principio uno puede armar arreglos fotovoltaicos hasta del orden de los megavatios de potencia eléctrica. Aquí los únicos factores limitantes que hay son de costos y efectividad de los equipos de alta potencia.

Cuando utilizar celda, módulo, panel o arreglo fotovoltaico  como sinónimos

Muchas personas utilizan estos términos como sinónimos todo el tiempo y esto no es del todo correcto. Sólo en muy pocas ocasiones se pueden utilizar estos términos como sinónimos. Por ejemplo, cuando un arreglos fotovoltaico está compuesto de un solo panel fotovoltaico, entonces en este caso el arreglo fotovoltaico es igual al panel fotovoltaico. De igual manera un panel fotovoltaico puede ser construido con un solo módulo fotovoltaico. En este caso un panel fotovoltaico es un módulo fotovoltaico.
El detalle está en comprender que un arreglo fotovoltaico está compuesto de uno o más paneles fotovoltaicos. Un panel fotovoltaico está compuesto de uno o más módulos. Y un módulo fotovoltaico puede estar compuesto por una o más celdas fotovoltaicas. Sólo en los casos en que el componente está conformado por una sola unidad del componente inferior, es que podemos utilizar esos términos como sinónimos.

Espero que con esta explicación te quede claro qué son, y cuáles son las diferencias, entre celda, módulo, panel y arreglo fotovoltaico.

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