¿Qué es un panel solar fotovoltaico?

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Un panel solar fotovoltaico es un dispositivo que permite transformar la luz de nuestro Sol en energía eléctrica. Siempre hay confusiones entre las definiciones técnicas de módulo solar fotovoltaico y panel solar fotovoltaico, hasta el punto de que se utilizan frecuentemente como sinónimos. Aunque desde el punto de vista técnico esto no es correcto, en este artículo utilizaré ambos términos como sinónimo ya que la diferenciación no ayuda en la comprensión de qué son los paneles solares fotovoltaicos y suele crear confusiones innecesarias.

El panel solar está conformado por muchas celdas solares fotovoltaicas que se unen unas a otras tanto en serie como en paralelo para aumentar el voltaje y la corriente final del dispositivo. Cuando las celdas se unen en serie se conectan los polos positivos de una celda con los polos negativos de la siguiente celda, y con esto se logra aumentar considerablemente el voltaje del panel solar (ver figura 1). Si el panel solar es de silicio monocristalino entonces las celdas que se utilizan para su fabricación son de silicio monocristalino, y en este caso cada celda produce alrededor de 0.58 voltios. Un panel solar de silicio monocristalino tiene normalmente conectadas 36 celdas solares fotovoltaicas en serie, con lo cual se suma el voltaje de cada celda para obtener un voltaje total de unos 21 voltios aproximadamente.

conexiones en serie y paralelo de celdas solares fotovoltaicos
Figura 1: Conexión en serie y paralelo de celdas solares fotovoltaicos

Para aumentar la corriente total del panel solar se deben conectar las celdas solares fotovoltaicas en paralelo. Para conectar las celdas solares en paralelo se unen el positivo de una celda con el positivo de la otra celda, y de igual forma se conectan el negativo de la primera celda con el negativo de la segunda celda (ver figura 1). Con esta configuración y dependiendo del número de celdas que usted conecte en paralelo el panel solar produce cada vez más corriente. Aquí es donde comienzan las diferencias de diseño entre los fabricantes, porque se pueden hacer muchas variaciones en la forma de conectar las celdas en serie y paralelo. Por ejemplo, puede conectar primero las 36 celdas solares fotovoltaicas en serie y luego conectar en paralelo 36 celdas más que ya estén conectadas en serie; y así sucesivamente hasta alcanazar el valor de corriente deseado. Otra forma de hacer la conexión es colocando un grupo de celdas solares fotovoltaicas en paralelo y luego conectar todos estos grupos en serie. En la figura 2 se muestra un panel solar donde se conectan 36 celdas en serie y luego se conectan en paralelo 9 grupos de estas 36 celdas conectadas en serie.

Panel solar fotovoltaico
Figura 2: Panel solar fotovoltaico

 

La característica corriente voltaje de un panel solar fotovoltaico

Al igual que una celda solar fotovoltaica un panel solar tiene también una curva característica corriente voltaje que define sus propiedades. Esta característica corriente voltaje es la resultante de la suma de todas las características corriente voltaje de cada una de las celdas que componen al panel solar. Supongamos que fabricamos un panel solar con 72 celdas solares fotovoltaicas conectadas en serie y paralelo para producir voltajes y corrientes finales de 21 voltios y 3 amperios, respectivamente. La curva característica de este panel solar sería muy parecida a la que se muestra en la figura 3.

Característica corriente voltaje de un panel solar fotovoltaico
Figura 3: Característica corriente voltaje de un panel solar fotovoltaico.

En la curva característica de este panel solar se observan los mismos cuatro parámetros que se definieron para el caso de una celda solar fotovoltaica; es decir hay un voltaje de circuito abierto o Voc, una corriente de corto circuito o Isc, un voltaje de máxima potencia Vmp, y una corriente de máxima potencia o Imp. Al igual que en el caso de la celda solar fotovoltaica la máxima potencia que produce el panel solar es justamente cuando se pone a trabajar a un voltaje de Vmp o se le pide una corriente Imp. La potencia máxima (Pmáx) de este panel solar fotovoltaico corresponde al proudcto de Vmp x Imp, que es el área sombreada que se muestra en la figura 3. De hecho, estos son los únicos parámetros que se requieren conocer de un panel solar fotovoltaico para poder realizar el diseño del sistemas solar fotovoltaico. Estos parámetros se encuentran en las etiquetas que definen al panel solar fotovoltaico y siempre están ubicadas en la parte trasera del panel, usualmente muy cerca de la caja de conexiones eléctricas.

Algo que usted debe saber sobre la fabricación de celdas solares fotovoltaicas es que con la tecnología disponible hoy día no es posible reproducir con exactitud las curvas característica corriente voltaje para todas las celdas solares fotovoltaicas, aunque siempre se siga el mismo procedimiento de fabricación. Cuando se fabrica una celda solar fotovoltaica se hace a través de una serie de pasos específicos para obtener el producto final, pero usualmente no se sabe exactamente que característica corriente voltaje se ha obtenido hasta que se hace la medición para luego proceder a su clasificación de acuerdo con la potencia máxima que es capaz de producir. En una línea de producción de celdas solares fotovoltaicas siempre se obtienen celdas con diferentes capacidades nominales de producción de potencia, y simplemente cada empresa que produce las celdas las va clasificando en ciertos rangos específicos de potencia. Por ejemplo puede clasificarlas en celdas que van de 2 a 2.5W, otro grupo de 2.5 a 2.75 w, y otro grupo final de 2.75 a 3 w. Luego lo que se suele hacer es que se fabrican los paneles solares con las celdas que tengan más o menos las mismas características corriente voltaje. Así si usted utiliza 36 celdas del primer grupo que está entre 2 y 2.5 w entonces usted obtendrá un panel solar con potencias nominales que van de 72 a 90 vatios de potencia. Si usted utiliza celdas del segundo grupo entonces obtendrá paneles solares que van de 90 a 100 vatios. Y si utiliza celdas del último grupo entonces obtendrá paneles solares fotovoltaicos que van de 100 a 108 vatios. Es decir, esta empresa que fabrica celdas solares fotovoltaicas, al no tener un proceso totalmente reproducible en la fabricación se ve obligado a ofrecer tres tipos de paneles solares distintos que pueden ser paneles de 70, 90 y 110 vatios de potencia final. Fíjese que el costo de producción es exactamente el mismo para cada tipo de panel solar fotovoltaico.

Este detalle de fabricación es muy importante para poder establecer la calidad final de su panel solar fotovoltaico. Resulta que una celda solar fotovoltaica se comporta exactamente igual que una batería común de vehículo o incluso de las bien conocidas baterías alcalinas. Cuando usted mezcla dos baterías con diferentes niveles de carga o de diferentes valores de corrientes o voltajes nomimales, entonces ocurre que una batería comienza a hacer trabajo sobre la otra y terminan destruyéndose una a la otra. Esto mismo pasa exactamente con sus paneles solares fotovoltaicos, si usted mezcla celdas solares fotovoltaicas con características corrientes voltajes muy diferentes entonces las celdas comenzarán a destruirse unas a otras. Justamente la calidad de un panel solar queda determinada cuando el fabricante decide mezclar celdas solares fotovoltaicas de diferentes características corriente voltaje; entre mayor diferencia exista entre las celdas que conforman ese grupo de selección que mencioné anteriormente, menor será la calidad de ese panel solar fotovoltaico. De hecho, la vida media de un panel solar queda determinada en muy buena medida por la homogeneidad de las celdas que componen dicho panel. Si el fabricante selecciona sólo celdas cuya características corriente voltaje difieren en por ejemplo 1% , este panel será un panel premium cuya vida media podría tranquilamente superar los 25 años de funcionamiento. Si el fabricante mezcla celdas cuyas características corriente voltaje pueden diferir hasta en un 10%, entonces ese panel solar tendrá una vida media útil de unos 5 a 10 años. Usualmente los fabricantes de paneles solares ofrecen la información como posibles variaciones en la obtención de potencia en el panel solar, que se suele observar cuando dicen que un panel determinado podría producir por ejemplo 200 vatios más o menos 10% de esa capacidad. Ya esto da una indicación del grado de disparidad entre las curvas características corriente voltaje de las celdas utilizadas para la fabricación de ese panel solar fotovoltaico.

Por ello es muy importante cuando decida comprar o instalar paneles solares fotovoltaicos que los obtenga de fabricantes reconocidos que le garanticen un producto de muy buena calidad al utilizar celdas solares fotovoltaicas de alto grado de homogeneidad en la característica corriente voltaje. Hoy día muchos de los grandes fabricantes de paneles solares fotovoltaicos sólo utilizan las celdas solares fotovoltaicas cuyas características son muy homogéneas, y el restos de celdas diferentes las venden en el mercado secundario porque no las pueden utilizar. Muchas empresas pequeñas compran estas celdas solares fotovoltaicas y ensamblan sus paneles solares fotovoltaicos con una gran disparidad en las características corrientes voltajes de las celdas utilizadas, lo que produce un panel de baja calidad en el sentido de que su vida útil será mucho más corta y la generación de potencia será mucho menos confiable. Fíjese que en todos los casos se utilizan celdas solares fotovoltaicas de muy buena calidad pero el producto final difiere enormemente entre las distintas empresas.

Por eso es que los paneles solares de las grandes empresas suelen ser mucho más caro que los paneles solares producido por pequeñas empresas, ya que las empresas grandes al restringir la fabricación de paneles solares fotovoltaicos sólo con celdas muy homogéneas pierden muchas de las celdas. En últimas es simplemente un problema de calidad en el producto final.

Componentes de un panel solar fotovoltaico

En la figura 4 se muestran los componentes típicos que se utilizan para la fabricación del panel solar fotovoltaico de silicio monocristalino, que por lo general son los siguientes:

  • Cubierta de cristal de vidrio templado
  • Marco de aluminio anonadizado
  • Capas de Vinil Etilo Acetato (EVA)
  • Celdas solares fotovoltaicas sobre lámina de teflón
  • Caja de conexiones eléctricas con diodos de bloqueo
Componentes de una panel solar fotovoltaico
Figura 4: Componentes de la estructura de un panel solar fotovoltaico

La cubierta de vidrio cumple como función principal proteger a las celdas solares fotovoltaicas del viento, agua e impactos de objetos. Este vidrio templado por lo general resiste el impacto de granizo y de objetos como piedras que se muevan a altas rapideces. El vidrio que se utiliza normalmente es un vidrio especial libre de contenido de hierro. Usualmente durante el proceso de fabricación de los vidrios que se utilizan para ventanas y edificaciones se le suele agrega hierro, lo cual reduce significativamente la temperatura de fusión del vidrio abaratando los costos de producción. Un segundo efecto del hierro en el vidrio es que permite bloquear ciertas longitudes de onda de la luz lo cual es ideal para las edificaciones porque reduce el calentamiento hacia el interior o que el calor escape de la edificación. Sin embargo, en el caso de los paneles solares fotovoltaicos si se utilizará vidrio con hierro entonces se bloquearían muchas longitudes de ondas de la luz reduciendo así la eficiencia de las celdas solares fotovoltaicos y haciendo que el panel produzca mucho menos potencia eléctrica. Por ello, en el caso particular de los paneles solares fotovoltaicos es necesario utilizar vidrio libre de contenido de hierro que es mucho más costoso de producir.

El marco de aluminio cumple la función de soporte para el panel solar fotovoltaico y en la parte eléctrica funciona como sistema de puesta a tierra. Se utiliza aluminio por sus excelentes propiedades eléctricas y su bajo peso, lo que permite suspender los paneles solares fotovoltaicos en el techo de las edificaciones, o en los postes de alumbrado público sin crear cargas excesivas de peso.

El vinil etilo acetato es un material que protege a las celdas solares de la radiación ultravioleta que viene en los rayos solares. La luz ultravioleta es una radiación electromagnética de alta energía que no suelen aprovechar las celdas solares fotovoltaicas; pero si esta radiación llega a la superficie de las celdas causa daños degradando el material y reduciendo dramáticamente la vida útil del panel solar. La capa de EVA es uno de los componente fundamentales del panel solar fotovoltaico ya que se espera que estos estén expuestos a la radiación solar por varias décadas sin que se produzcan cambios significatiovs en la configuración del dispositivo.

Las celdas solares fotovoltaicas se colocan directamente sobre una capa de teflón que es un material dieléctrico que aguanta las condiciones a las que estará expuesto el panel solar por varias décadas. El teflón con las celdas solares fotovoltaicas queda atrapado entre las dos capas de EVA que lo protegen de la radiación. Normalmente es una protección estanca que no permite la entrada de agua o polvo a las celdas solares fotovoltaicas.

Por último está la caja de conexiones eléctricas que se suele colocar en la parte trasera del panel solar fotovoltaico en la que se tienen los conectores de salida de todas las celdas solares fotovoltaicas. Usualmente hay tres bornes para la conexión eléctrica: el positivo, el negativo, y la puesta a tierra.

La caja de conexiones incluye muchas veces diodos de bloqueo. Cuando en un panel solar fotovoltaico se presenta una sombra sobre algunas de sus celdas solares fotovoltaicas, estas dejan de trabajar mientras que las otras siguen funcionando normalmente. Esto es equivalente a tener celdas de diferentes características corriente voltaje presente momentáneamente en el panel solar, lo cual podría llevar a la degradación de la celdas por las mismas razones que mencioné anteriormente. Un fenómeno similar ocurre en la noche cuando el panel solar fotovoltaico no está trabajando pero se encuentra conectado con una batería. Para evitar todo esto se colocan unos dispositivos electrónicos llamados diodos de bloqueo, cuya función unicamente es bloquear la corriente cuando se produce una de las situaciones descritas.

¿El panel solar fotovoltaico es de 12 voltios?

Una de las cosas que más tienden a confundir a las personas es que un panel solar de 12 voltios nunca produce 12 voltios, sino que por lo general produce entre 18 y 22 voltios. Resulta que si usted va a cargar una batería de 12 voltios va a necesitar colocar un voltaje que oscila entre 13.8 y 14.4 voltios dependiendo del tipo de baterías. Si usted tiene un panel solar que es capaz de producir los 14.4 voltios entonces la batería en principio comenzará a cargarse extrayendo del panel solar corriente eléctrica que es lo que realmente carga a la batería. Entre más descargada esté la batería más corriente le exigirá al panel solar. Si usted ha entendido las celdas solares fotovoltaicas, cuando la celda genera más corriente su voltaje se reduce, y si llega a reducirse por debajo del voltaje mínimo para cargar la batería entonces cesa el proceso de carga. Por ello, es que los paneles solares tienen voltajes del orden de los 21 voltios para que cuando las baterías requieran corriente el panel pueda suplir dicha corriente sin caer el voltaje por debajo del voltaje mínimo necesario para la carga de dicha batería. En otras palabras, normalmente el panel solar se pone a trabajar en un voltaje por ejemplo de 14.4 voltios, y la diferencia entre 21 y 14.4 voltios se ha transformado en corriente para cargar a la batería.

De igual forma si usted tiene un panel solar de 24 voltios, entonces este panel solar tendrá un voltaje entre 36 y 42 voltios porque para cargar una batería de 24 voltios requiere un voltaje mínimo de 28.8 voltios aproximadamente. La diferencia la utilizará para generar la corriente eléctrica de carga de la batería.

De aquí puede obtener uno de los detalles técnicos más importantes en el diseño de su sistema fotovoltaico. Resulta que el voltaje ideal al que usted debe poner a trabajar su panel solar fotovoltaico es en el voltaje de máxima potencia o Vmp, porque justo a ese voltaje es cuando el panel solar generá la máxima potencia posible y usted obtiene el máximo de su panel solar. Si usted coloca una batería muy grande, que requiere de mucha corriente para cargarse, puede que esta batería pida tanta corriente que pone a su panel solar cerca de la corriente de corto circuito, y en esta zona el panel solar prácticamente no genera potencia eléctrica y por tanto no puede carga a la batería. Si por el contrario usted pone una batería muy pequeña entonces esta batería casi no pide corriente al panel solar y este estará trabajando muy cerca de su voltaje de circuito abierto, que tampoco produce mucha potencia. En este caso la batería se carga porque no requiere mucha corriente pero su panel solar está siendo subutilizado. El diseño óptimo consiste en colocar un banco de baterías que cuando pida la máxima carga extraiga un valor de corriente lo más cercano posible del Imp o corriente de máxima potencia. Entre más lejos se encuentre del Imp menos eficiente es el sistema que usted ha instalado. Suponga por ejemplo que está un 20% por encima o por debajo de la corriente de máxima potencia, eso significa que ha diseñado su sistema solar fotovoltaico para aprovechar digamos sólo el 80% de la potencia del panel solar en todo momento. Muchos sistemas por error están diseñados y funcionando en estas circunstancias y la persona cree que está contando con el 100% de la energía que producen sus paneles solares fotovoltaicos, cuando la realidad es que por diseño u error sólo es posible aprovechar una porción que muchas veces está muy por debajo del total que el sistema fotovoltaico puede generar.

Hoy día existen equipos que se llaman controladores de carga cuya objetivo es colocar casi siempre al panel solar fotovoltaico muy cerca del punto de máxima potencia. Hay incluso algunos controladores con tecnología MPPT (de las sigla en inglés de Maximum Power Point Tracking) que significa que buscan los puntos de máxima potencia del arreglo fotovoltaico. Este es el tipo de controladores más recomendable para su sistema fotovoltaico, pero al mismo tiempo son los más costosos.

Este artículo es una introducción sencilla sobre qué son los paneles solares fotovoltaicos en los que se presentan algunas definiciones básicas que son fundamentales para poder diseñar y dimensionar los sistemas solares fotovoltaicos. Existen muchas otras cosas que se requieren para entender plenamente el funcionamiento de los paneles solares fotovoltaicos como por ejemplo los tipos de paneles solares fotovoltaicos o la irradiancia solar. Resulta que un panel solar fotovoltaico no produce la misma cantidad de energía en cualquier parte del planeta, ya que depende de la irradiancia local, de la temperatura, del número de horas equivalentes de sol, y otros factores que podrá encontrar en los artículos relacionados que se muestran más abajo.

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