Deformación de módulos fotovoltaicos por su propio peso

El continuo desarrollo de la industria fotovoltaica y la evolución de los materiales y la tecnología han supuesto avances considerables en los productos. A principios del siglo XXI, la potencia de un solo módulo era de tan solo 21 Wp, pero ahora puede alcanzar los 180 Wp (véase la Figura 700). El aumento de la potencia de los módulos fotovoltaicos ha contribuido a la reducción de... LCOE (coste nivelado de la energía) de las plantas solares y aumentó la importancia de las fuentes fotovoltaicas entre las fuentes de energía actuales.

Desde 2019, el tamaño de las células fotovoltaicas ha cambiado, primero de 156,75 mm a 158,75 mm, luego a 166 mm y ahora alcanza los 210 mm (Figura 2). Con este aumento de células, el tamaño de los módulos también ha aumentado significativamente (véase la Tabla 1).

La estructura constructiva de los módulos fotovoltaicos se realiza por capas (ver Figura 3). Los módulos monofaciales reciben un revestimiento posterior de polímero (hoja posterior), mientras que los módulos bifaciales pueden tener una capa posterior de polímero transparente o vidrio.

En el módulo monofacial, el vidrio representa aproximadamente el 72,3 % del peso total del panel, mientras que en el módulo bifacial, el vidrio (de 2,0 mm de espesor) representa aproximadamente el 82,96 %. Debido al peso propio del vidrio, el centro del módulo fotovoltaico puede hundirse, como se muestra en el resultado de la simulación ilustrado en la Figura 4. La magnitud de este hundimiento depende de muchos factores, siendo los más significativos el área del panel, el tipo (monofacial o bifacial), el ángulo y el método de instalación.

Se realizó un estudio para evaluar el hundimiento del módulo. En primer lugar, buscamos evaluar la influencia del tamaño del módulo. Las condiciones de contorno se muestran en la Tabla 2 y la Figura 5.

Tabla 2: Condiciones de contorno de simulación

En la simulación se utilizó el método de análisis de elementos finitos para simular el fenómeno de hundimiento del centro del módulo, con el algoritmo general de Lagrange para calcular la iteración de convergencia. Los resultados se muestran en la Tabla 3 y la Figura 6.

Tabla 3: Flecha bajo diferentes tamaños de módulos

La simulación demuestra que el hundimiento del centro del módulo debido a su propio peso es un problema real, y cuanto mayor sea el área, mayor será la deformación que sufre. Asimismo, la amplitud del hundimiento del centro también varía con el ángulo de instalación. El módulo de mayor área (tipo C) se utiliza para simular el hundimiento en diferentes ángulos de instalación (0°, 15°, 30° y 40°), como se muestra en la Figura 7.

Mediante simulación se puede concluir que al disminuir el ángulo de instalación, el fenómeno de hundimiento en el centro del módulo se vuelve más intenso. El módulo instalado horizontalmente (ángulo de 0°) sufrió la mayor deformación, como se muestra en la Tabla 4 y la Figura 8.

Tabla 4. Deformaciones observadas con diferentes ángulos de instalación

Para evaluar si el hundimiento central puede afectar la producción de energía del módulo, se adoptan las condiciones de contorno que sufrieron mayor hundimiento, es decir, se selecciona el módulo bifacial tipo C de mayor área, instalado a 0° y se aplica la carga mecánica estática de prueba. llevado a cabo de acuerdo con IEC 61215, como se muestra en la Figura 8.

Según IEC 61215, la secuencia de prueba de carga mecánica estática se realizó con 3 ciclos, cada uno realizado con una presión positiva de 5400 Pa y una presión negativa de 2400 Pa, como se muestra en la Fig. 10.

Se probaron dos muestras de acuerdo con la norma IEC 61215 y luego se evaluó la degradación de energía (con prueba de flash) y se obtuvieron imágenes EL (electroluminiscencia) para verificar si se produjeron microfisuras en las células fotovoltaicas después de las pruebas. Cabe mencionar que las caídas medidas en la prueba fueron incluso mayores que las evaluadas inicialmente mediante análisis de elementos finitos.

A partir de la comparación de las imágenes EL, no se observaron microfisuras ni se encontraron otros defectos visibles, como se ilustra en las Figuras 11 y 12.

Se realizaron pruebas de potencia con luz de flash para comparar la tasa de degradación de potencia y los resultados también fueron satisfactorios, como se muestra en la Tabla 5.

Tabla 5: Degradación de potencia después de la prueba de carga mecánica estática

A través de los resultados del análisis realizado se pudieron obtener las siguientes conclusiones:

1. Es un hecho que los módulos sufren hundimiento, especialmente en la región central, debido a su propio peso;
2. El hundimiento central del módulo está relacionado principalmente con el tipo de módulo (monofacial – lámina posterior polimérica o bifacial – lámina posterior de vidrio), el área del módulo y su ángulo de instalación;
3. Es más evidente el hundimiento del módulo bifacial con dos láminas de vidrio (delantera y trasera);
4. Cuanto mayor sea el área del módulo, más pronunciado será el fenómeno de hundimiento;
5. Cuanto menor sea el ángulo de instalación, mayor será el fenómeno de hundimiento;
6. Un módulo con la mayor superficie fue sometido a pruebas de carga mecánica estática de acuerdo con IEC 61215, lo que proporciona una mayor flexión que la que se puede lograr con el propio peso del módulo. Después de esta prueba, no se encontraron problemas de confiabilidad en las dos muestras analizadas;
7. La deformación provocada por el peso propio no afecta a la fiabilidad de los módulos fotovoltaicos, siendo inferior a la observada en los ensayos de carga estática de las dos muestras analizadas.