Francisco Carlos Vendramel

CanalSolar – Vol. 1, No. 1, Diciembre/2020 La tecnología de película delgada no es nueva en el mercado solar brasileño. Sin embargo, todavía es poco conocida y ha sido muy poco explorada. Una de las aplicaciones interesantes de las películas delgadas es la fabricación de tejas fotovoltaicas. Un ejemplo de ello es Hantile, una teja fotovoltaica fabricada con tecnología CIGS (cobre, indio, galio y selenio) y distribuida en Brasil por L8 Energy. Las losetas de película CIGS tienen ventajas sobre otros tipos de losas introducidas en el mercado, que se basan en células cristalinas convencionales. La tecnología de películas permite un mejor aprovechamiento del área de colocación, proporciona inmunidad contra sombras, presenta una mejor estética y además tiene la ventaja del reducido coeficiente térmico de las películas delgadas en relación al silicio cristalino, entre otras ventajas que mencionaremos a continuación. El uso de tejas fotovoltaicas con película CIGS es una evolución que se presenta como una mejor solución para algunas aplicaciones que los módulos de silicio tradicionales. Las principales ventajas de la película CIGS incluyen: Su apariencia es homogénea y estéticamente atractiva; Es muy ligera y fácil de instalar; Es flexible: se adapta a superficies curvas, permitiendo la generación de energía solar en superficies no aptas para los tradicionales paneles rígidos de silicio; Las altas temperaturas y el sombreado de los árboles y otras obstrucciones tienen menos impacto en el rendimiento de la película delgada; No tiene una gran pérdida en la producción de energía debido al ángulo de incidencia de los rayos del sol. Las tejas fabricadas con películas son resistentes a desastres naturales (vientos, granizadas e impactos de escombros); no sufren microfisuras, un problema común que afecta a las celdas cristalinas. A pesar de su mayor costo y menor eficiencia, los módulos fotovoltaicos y las tejas de película CIGS están ganando participación en el mercado debido a su versatilidad y rendimiento superior en algunas situaciones. Los módulos de silicio cristalino no funcionan bien en lugares con mucha radiación difusa (donde no hay incidencia directa de la luz), en fachadas de edificios y en tejados muy afectados por las sombras. Además, el coste relativamente mayor de los dispositivos CIGS puede compensarse mediante el uso de mosaicos y módulos integrados en la arquitectura, eliminando la necesidad de revestimientos y elementos arquitectónicos convencionales. Como todavía es un producto nuevo en Brasil, existen muchas dudas sobre el desempeño de las tejas fotovoltaicas de película CIGS: ¿Hasta qué punto la eficiencia es realmente menor que la de un módulo cristalino? ¿Cómo es la generación de energía de un tejado cubierto con película CIGS en comparación con un tejado con módulos convencionales? ¿Y las ventajas que aportan las tejas CIGS, como el bajo impacto a altas temperaturas y la cuestión del sombreado? En general, ¿cómo funciona un mosaico CIGS? Para responder a muchas de estas preguntas, construimos dos cocheras (estacionamientos cubiertos) con las mismas dimensiones, cada una con dos espacios para vehículos. Uno de ellos estaba cubierto con módulos tradicionales de silicio cristalino, mientras que el otro recibió placas fotovoltaicas de película CIGS. Llamaremos marquesina 1 a la que tiene los módulos tradicionales. Se utilizaron 15 módulos monocristalinos de 375 kWp del fabricante QCELLS y un inversor UNO DM 5.0 del fabricante ABB. La potencia total es de 5,625 kWp. La cochera 2 es la que recibió las tejas solares CIGS. Se utilizaron 98 tejas solares de 30 Wp cada una y un inversor UNO DM 3.3 del fabricante ABB. La potencia total de este es de 2,94 kWp. A priori no existe ninguna interferencia en relación a la potencia de corte de los inversores en la producción de energía. Ningún conjunto de módulos o mosaicos alcanza el límite de potencia del inversor. Las dos cubiertas miran al noroeste, con una pendiente de 10 grados. Lo que podemos observar inicialmente es que la película delgada tiene una potencia por área reducida. Esto es un reflejo de la menor eficiencia, es decir, se necesita mucho más área para tener la misma potencia con la película CIGS que con los dispositivos cristalinos. Al mismo tiempo, podemos destacar una de las ventajas de la película delgada: la estética. Sin duda el tejado de tejas queda muy bonito, además de proporcionar una perfecta impermeabilización frente al agua de lluvia. Sin embargo, lo que más nos interesa en este estudio es la producción de energía. En este punto, queremos evaluar el rendimiento de un techo fotovoltaico con película CIGS en condiciones reales de funcionamiento, especialmente en lo que respecta a la influencia del ángulo de incidencia de los rayos solares y la cuestión del sombreado. Operación bajo radiación difusa y sombreado Figura 1: Gráficas de potencia el día 12/04/2020 con fuerte nubosidad durante todo el día (poca radiación directa y mucha radiación difusa). Línea morada: sistema de 5,625 kWp con módulos cristalinos. Línea rosa: Sistema de 2,94 kWp con tejas CIGS Figura 2: Gráficos de potencia el 17/07/2020 con fuerte nubosidad por la tarde. Línea morada: sistema de 5,625 kWp con módulos cristalinos. Línea rosa: sistema de 2,94 kWp con tejas CIGS Podemos ver claramente el problema del sombreado cuando verificamos la producción de energía en días nublados o en lugares con mucha sombra. En sistemas que utilizan la misma tecnología y con diferentes potencias, esperamos que el sombreado se sienta proporcionalmente en ambos sistemas. Los resultados obtenidos revelan, sin embargo, que los módulos cristalinos sufren un impacto mucho mayor cuando no hay incidencia de irradiación solar directa. En las gráficas siguientes podemos observar que, a pesar de tener casi el doble de potencia nominal, en las condiciones de estudio los módulos cristalinos presentaron prácticamente el mismo rendimiento que las tejas CIGS, que tienen una potencia mucho menor. En los gráficos presentados se puede observar que las losetas de película CIGS mantienen su desempeño en cualquier tipo de condición nubosa y hora del día. Hubo una reducción significativa en la incidencia de la irradiación solar debido a fuertes nubes los días 12/04 y 17/07. Las tejas CIGS vieron reducida su potencia en proporción a la intensidad de la luz solar, mientras que los módulos cristalinos sufrieron una reducción brutal y tuvieron su potencia operativa prácticamente igual a la potencia de las tejas. Comportamiento de las tejas fotovoltaicas de película CIGS Este estudio, a pesar de no ser de naturaleza científica, demostró resultados muy interesantes sobre el comportamiento de las tejas fotovoltaicas de película CIGS. La principal observación de este estudio es que un conjunto de mosaicos CIGS de 2,94 kWp puede generar tanta energía como un conjunto de módulos cristalinos de 5,625 kWp en determinadas condiciones. Tener un sistema fotovoltaico cristalino de alta potencia no siempre es garantía de un rendimiento óptimo. Las tejas fotovoltaicas de film CIGS, a pesar de su reducida eficiencia (lo que se traduce en menor potencia por área) pueden presentar una alta generación a lo largo del tiempo. Esto es especialmente cierto en tejados sujetos a sombras, fachadas que no reciben luz directa o sistemas instalados en lugares con alta nubosidad durante todo el año. No podemos olvidar que la temperatura también es un punto a considerar en la producción de energía, que no fue evaluado en este estudio. Se sabe que los módulos de película delgada funcionan mejor a altas temperaturas en comparación con los módulos cristalinos. Esto puede explicar en parte los rendimientos superiores de las tejas fotovoltaicas observados en los gráficos presentados, especialmente por la tarde. Nuestro objetivo en este estudio fue demostrar que el uso de películas delgadas tiene ventajas y que estas ventajas son ciertas. Aunque tienen una potencia nominal y una eficiencia reducidas, su rendimiento real puede sorprender. Los módulos fotovoltaicos, al igual que las tejas, se prueban y especifican en condiciones de laboratorio que no reflejan la multitud de condiciones reales de funcionamiento de temperatura, irradiación solar y ángulo de incidencia de los rayos solares. Sin embargo, no podemos decir que las ventajas de los mosaicos CIGS sean suficientes para proporcionar rendimientos financieros superiores al comparar las tecnologías de película delgada y de silicio cristalino. Lo que hay que tener en cuenta es que la película fina aporta enormes ventajas en algunos tipos de sistemas donde el uso de módulos tradicionales resulta inviable, como las tejas fotovoltaicas. La película delgada no vino a sustituir al módulo de silicio cristalino, sino a ser una opción adicional para el mercado, demostrando ser atractiva para muchas aplicaciones en las que los módulos cristalinos pueden no ser la mejor opción desde un punto de vista estético y arquitectónico.

Francisco Carlos Vendramel

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Evaluación del rendimiento de losetas fotovoltaicas de película CIGS