Existe consenso en el mercado en que la introducción de módulos de alta eficiencia puede mejorar la potencia fotovoltaica instalada en un espacio limitado, reduciendo tanto la inversión necesaria en materiales y equipos del sistema como el uso de recursos como el vidrio o el EVA (plástico que encapsula el , que enfatiza por qué optimizar la eficiencia de conversión sigue siendo un objetivo a largo plazo para el desarrollo de la tecnología de módulos fotovoltaicos.
En los últimos años, además de las mejoras en la eficiencia de las celdas, la eficiencia de conversión de los módulos fotovoltaicos también se ha incrementado mediante tecnologías como la media celda y la multibarra colectora (MBB). Esta mejora en la eficiencia de los módulos se ha basado principalmente en tres elementos: la mejora de la eficiencia óptica, la reducción de las pérdidas eléctricas y la optimización del tamaño.
Las tecnologías de media celda y MBB pueden reducir la intensidad de la corriente eléctrica en los conductores de interconexión de celdas (cintas), lo que disminuye las pérdidas óhmicas dentro del módulo. La cinta circular utilizada en la tecnología MBB proporciona una mayor eficiencia óptica que la cinta plana, ya que su menor diámetro de sección transversal evita la pérdida del área de captura efectiva de las celdas fotovoltaicas. La tecnología MBB sería ineficiente con las cintas planas utilizadas en los módulos fotovoltaicos tradicionales.
En cuanto al tamaño de los módulos, el espacio entre celdas se reduce continuamente debido a la evolución en la precisión del proceso de fabricación, particularmente con la tecnología de fabricación conocida como “shingle”, que permite eliminar los espacios entre celdas. Sin embargo, se sabe que la tecnología de tejas causa problemas con microfisuras en los extremos de las celdas y requiere el uso de capas más gruesas de EVA (plástico translúcido) para encapsular el módulo, lo que aumenta el costo y reduce la eficiencia óptica.
En lugar de la tecnología de tejas, algunos fabricantes prefieren reducir los espacios entre celdas, manteniendo las celdas ensambladas en el mismo plano y sin bordes superpuestos. Por lo tanto, se puede decir que la combinación de tecnologías de media celda y MBB es la más desarrollada del mercado y se mejora continuamente para reducir o eliminar los espacios entre celdas.
LONGi, fabricante de módulos fotovoltaicos, desarrolló una tecnología denominada “Smart Soldering”, introducida en el mercado con el lanzamiento de los módulos Hi MO 5, con celdas de 182 mm.
Tecnología de “soldadura inteligente”
El uso de una cinta que combina segmentos triangulares y planos maximiza la incidencia de la luz en el módulo fotovoltaico, además de permitir una conexión fiable con un espacio reducido entre celdas. Las pruebas han demostrado que esta tecnología aumenta la eficiencia del módulo fotovoltaico en un 0,3 % en comparación con la tecnología MBB convencional.
Durante el proceso de fabricación de un módulo fotovoltaico, las principales dificultades técnicas para minimizar o eliminar espacios entre células interconectadas están relacionadas con la precisión del proceso y el cuidado para evitar grietas en las células.
La industria tuvo un gran desafío para superar los problemas con la cinta circular convencional en la tecnología MBB. Una evolución de esta tecnología es el uso de una cinta circular deformable en la conexión entre celdas. La cinta se aplana durante el proceso de soldadura, permitiendo montajes como el que se muestra en la Figura 1.
Con la tecnología mostrada en la Figura 1, las celdas pueden interconectarse en un diseño de tejas (celdas con bordes superpuestos), lo que permite una alta densidad celular. Sin embargo, este proceso presenta desventajas. Pueden aparecer microfisuras en las uniones entre celdas durante el proceso de fabricación y estas pueden aumentar a lo largo de la vida útil del módulo.
Para eliminar el problema de las microfisuras, se utiliza una capa más gruesa de EVA, lo que presenta la desventaja de aumentar los costos de fabricación y las pérdidas ópticas, como se mencionó anteriormente. En otras palabras, la tecnología de tejas puede reducir la fiabilidad del módulo, además de que las partes superpuestas de las celdas no pueden recibir luz, lo que reduce su uso.
Una alternativa a la tecnología de tejas es el conjunto MBB con celdas ubicadas en el mismo plano, sin superposición de bordes. La cinta circular deformable proporciona una reducción de espacios entre celdas y facilidad en el proceso de fabricación, en comparación con la cinta circular tradicional.
La Figura 2 muestra células fotovoltaicas con cintas desalineadas, un problema común y difícil de resolver en la fabricación de módulos MBB con cinta circular, que puede contribuir a la tasa de fallos o a una menor vida útil de los módulos fotovoltaicos. La Figura 3 muestra el resultado del uso de una cinta circular con extremo plano, lo que permite conexiones fiables y una alineación perfecta entre las células.
La tecnología de soldadura inteligente es una evolución de la tecnología MBB con cinta circular deformable. Comparada con la tecnología MBB con cinta circular deformable, la tecnología de soldadura inteligente presenta la ventaja de eliminar el proceso de aplanamiento durante el ensamblaje de la celda. La cinta ya está aplanada en los extremos y se fabrica mediante un proceso de anillado, lo que permite una transición fluida entre los segmentos geométricos triangulares y planos.
La presencia de extremos planos en las cintas permite la fabricación de módulos con un espacio reducido entre celdas y reduce la dificultad del proceso de fabricación (en comparación con la cinta circular tradicional). Además de la facilidad de alineación y la reducción del espacio entre celdas, la tecnología de soldadura inteligente utiliza segmentos de cinta triangulares, lo que optimiza la captura directa de luz en comparación con la cinta circular.
La Figura 4 ilustra el efecto de la geometría de la cinta en la captación de luz. La forma circular refleja la luz. Sólo una parte de esta luz volverá a ser reflejada por el cristal del módulo fotovoltaico y llegará a la célula. Por otro lado, la cinta triangular refleja directamente los rayos del sol hacia la superficie de la célula fotovoltaica.
Además de las ventajas ópticas, la cinta triangular es más eficiente energéticamente debido a un mayor contacto con la célula fotovoltaica. Además, el proceso de soldadura de la cinta triangular es más sencillo (con resultados más fiables) que el de la cinta circular.
La Figura 5 resume los beneficios de la tecnología de soldadura inteligente. Los segmentos de sección triangular proporcionan una mayor eficiencia óptica. Los extremos planos evitan los problemas encontrados en las cintas circulares, permitiendo conexiones confiables con espacio reducido entre celdas.
Fiabilidad de la tecnología de soldadura inteligente
La Figura 6 compara la estructura de un módulo fabricado con tecnología Smart Soldering y una cinta circular convencional. A pesar de la segmentación de la cinta en partes triangulares y partes planas, el proceso de Smart Soldering es “todo en uno”, lo que significa que el proceso de soldadura de la cadena de celdas no gana complejidad con esta estrategia de fabricación.
La porción triangular de la cinta ofrece las ventajas mencionadas, mientras que la sección plana permite una conexión fluida con un espacio intercelular reducido, además de evitar deformaciones durante los procesos de soldadura y laminación. Las cintas segmentadas se integran en una sola pieza mediante un proceso de conformado de anillos. Se ha comprobado que este proceso, además de permitir la integración de los segmentos, reduce la tensión causada por la tensión de tracción de las celdas, previniendo así las microfisuras.
En pruebas de flexión, se observaron fracturas en las soldaduras de cintas con Soldadura Inteligente solo después de 20 dobleces de 90 grados, mientras que las soldaduras con cintas tradicionales ya presentaban fracturas tras tan solo 7 dobleces. Los análisis realizados en pruebas de laminación indicaron que las celdas encapsuladas con un espacio intercelular reducido presentaron una mayor incidencia de microfisuras con cintas circulares tradicionales que con la técnica de Soldadura Inteligente.
Para evaluar más a fondo las ventajas de la tecnología Smart Soldering para la confiabilidad de los módulos fotovoltaicos, se realizaron pruebas con tres tipos de módulos ensamblados con celdas de 182 mm: Smart Soldering, cinta circular deformable y cinta circular tradicional. Las pruebas de carga mecánica dinámica, carga mecánica estática y ciclo térmico (calentamiento y enfriamiento severos) se llevaron a cabo secuencialmente.
Las pruebas de carga mecánica (que generan tensiones de flexión y torsión en los módulos encapsulados) mostraron que los módulos fabricados con tecnología de soldadura inteligente presentaron los niveles más bajos de degradación. La tasa de degradación de potencia tras las pruebas fue del 4,95 % para los módulos con cinta circular deformable, del 6,65 % para los módulos con cinta circular tradicional y de tan solo el 2,9 % para los módulos con tecnología de soldadura inteligente.
Conclusión
Los fabricantes de módulos fotovoltaicos buscan estrategias para aumentar la potencia y eficiencia de sus productos. En conjunto, pequeños cambios en los procesos de fabricación proporcionan aumentos en la eficiencia que se pueden sentir en el producto final.
Una de las técnicas utilizadas para aumentar la eficiencia de los módulos es el uso de una mayor cantidad de conductores metálicos (cintas) realizando conexiones entre las celdas. Sin embargo, para evitar reducir el área de captación de luz, los fabricantes emplean conductores de sección circular.
Además, para maximizar el uso del área del panel, los fabricantes intentan reducir los espacios entre celdas tanto como sea posible, lo que tiene el efecto secundario de aumentar la incidencia de microfisuras en los bordes de las celdas. Este efecto se siente ampliamente en la fabricación con cintas circulares.
Este artículo mostró una técnica de fabricación de módulos fotovoltaicos que permite aumentar la captura de luz sobre las células, reducir los espacios entre células y reducir la aparición de microfisuras en los bordes de las células.
Los conductores con geometría triangular proporcionan una mayor captura de luz. La reducción de espacios y microfisuras se debe a los extremos planos de las cintas, que permiten una conexión suave entre las células, con una tensión de tracción reducida en los bordes en comparación con las cintas circulares.
Finalmente, los beneficios de la tecnología Smart Soldering se pueden resumir en los resultados más deseados: mayor eficiencia y reducción de microfisuras. Este último resultado, a su vez, aumenta la fiabilidad y vida útil del módulo fotovoltaico.
Referencia
Tecnología de soldadura inteligente patentada por LONGi, documento técnico
