En un artículo anterior comenté la Predominio del silicio monocristalino sobre el policristalino en el mercado fotovoltaico, una tendencia que comenzó alrededor de 2018 y que se espera que aumente en los próximos años, según proyecciones de los principales fabricantes mundiales de células y módulos fotovoltaicos (como Jinko, Trina, Longi) y análisis encontrados en el mercado.
El silicio policristalino tendría un comportamiento térmico superior al silicio monocristalino en las condiciones climáticas brasileñas cuando analizamos sólo el material semiconductor.
Pero, cuando analizamos las características de las células y módulos fotovoltaicos comerciales, esto no siempre es cierto.
Ante el escenario de posible desaparición del silicio policristalino del mercado, es importante aclarar para el mercado brasileño que los módulos monocristalinos en nuestro clima cálido tendrán desempeño similar a los módulos policristalinos, pudiendo incluso ser superiores en algunos casos, como lo haremos vea abajo.
Comportamiento térmico de los módulos fotovoltaicos.
Los módulos fotovoltaicos cristalinos comerciales tienen coeficientes térmicos que determinan su rendimiento en relación con la temperatura de funcionamiento.
En algunas referencias encontramos resultados que indican que el policristalino presenta mejor rendimiento (menor reducción de potencia) al aumentar la temperatura, mientras que otros estudios dicen exactamente lo contrario.
Ante esta duda cabe destacar que los coeficientes térmicos de las células y módulos fotovoltaicos, ya sean mono o policristalinos, son muy similares.
Los coeficientes térmicos (de los que hablaremos más adelante) dependen de varios factores, desde el tipo de material utilizado en la celda hasta la forma en que está construido el módulo.
El coeficiente que determina la variación de la potencia con la temperatura depende de factores que afectan la conducción de la corriente eléctrica, incluidas las características constructivas de las celdas, como la resistencia de los contactos eléctricos.
Por tanto, no podemos decir que un tipo de silicio sea mejor que otro desde el punto de vista del comportamiento térmico. A efectos prácticos, lo que importa son las características térmicas de los módulos disponibles comercialmente.
Consultando con el departamento técnico de Jinko Solar, obtuve la siguiente información cuando cuestioné el origen de los bajos coeficientes térmicos de algunos módulos monocristalinos.
"DOon la innovación en la fabricación de células fotovoltaicas (como la capa de pasivación para aumentar la eficiencia y nuevas células de mayor superficie) y la innovación en la fabricación de módulos (como la técnica de la media célula) los coeficientes de temperatura han disminuido drásticamente. Las familias Cheetah y Swan de Jinko tienen los coeficientes térmicos más bajos entre la cartera de productos, con valores iguales a -0,36%/°C. Esto proporciona un buen rendimiento incluso a altas temperaturas”.
La siguiente figura muestra los resultados de las mediciones de eficiencia realizadas con tres tipos de módulos fotovoltaicos en diferentes puntos de operación.
Los resultados muestran cómo la eficiencia de diferentes tecnologías se ve afectada por el aumento de temperatura.
El resultado del estudio, realizado en un país de clima tropical, muestra que en la familia cristalina, el mejor rendimiento lo logró el silicio monocristalino, mientras que el silicio policristalino mostró una reducción ligeramente más pronunciada de la eficiencia al aumentar la temperatura.
Compare las nubes de puntos roja y verde en la figura y observe cómo los puntos descienden a medida que aumenta la temperatura (en el eje horizontal).
En el gráfico siguiente, también encontramos una nube de puntos azules, que hace referencia a la tecnología de Peliculas delgadas – que no se tratará en este artículo.
La conclusión es que los comportamientos térmicos de los dos tipos de módulos cristalinos, mono y poli, son muy similares.
En este estudio en particular, el silicio monocristalino funcionó mejor, ya que los puntos rojos descienden a un ritmo más lento que los puntos verdes a medida que aumenta la temperatura.
Coeficientes térmicos de módulos fotovoltaicos.
A continuación realizaremos un análisis de las características técnicas de los módulos fotovoltaicos comerciales, con información obtenida de las fichas técnicas de los fabricantes.
Entre las características que podemos encontrar en las fichas técnicas, las más importantes desde el punto de vista de la temperatura son los coeficientes térmicos.
Los coeficientes térmicos determinan el comportamiento de las variables de salida de los módulos fotovoltaicos (potencia, tensión y corriente) en función de la temperatura. En las hojas de datos encontramos tres coeficientes. Son ellos:
Alfa
Coeficiente que muestra la variación de la corriente de cortocircuito del módulo Isc con la temperatura. Este coeficiente es muy pequeño, prácticamente insignificante y positivo.
El hecho de que sea positivo indica que la corriente del módulo aumenta con la temperatura. Pero como este coeficiente es muy pequeño, tiene poca o ninguna influencia en los resultados prácticos de los módulos fotovoltaicos.
Beta
Coeficiente que muestra la variación de la tensión en circuito abierto del módulo Voc con la temperatura. Este coeficiente es siempre un número negativo, lo que indica que el voltaje de salida del módulo disminuye al aumentar la temperatura.
Gama
Coeficiente que muestra la variación de la potencia pico del módulo PMPP con la temperatura. Este coeficiente también es un número negativo, lo que significa que la potencia del módulo disminuye a medida que aumenta la temperatura.
Este coeficiente revela uno de los principales problemas prácticos que afectan a los resultados obtenidos con los módulos fotovoltaicos. A altas temperaturas, algunos módulos pueden sufrir una mayor o menor reducción de potencia en función del valor de este coeficiente.
Este coeficiente se puede utilizar como medio de comparación entre módulos de diferentes modelos y diferentes fabricantes. Cuanto menor sea el coeficiente, menor será la influencia de la temperatura en el rendimiento del módulo fotovoltaico (y más energía eléctrica se generará).
Como explicamos anteriormente, los coeficientes Alfa, Beta y Gamma actúan sobre las variables de salida de los módulos fotovoltaicos: ISC, VOC, PMPP. Si aún tienes dudas sobre cuáles son estas variables, lee el artículo Comprender las curvas IV y PV de los módulos fotovoltaicos.
Los coeficientes térmicos se expresan como porcentaje por grado Celsius (%/oC ) o porcentaje por Kelvin (%/K), que es lo mismo.
Es decir, los coeficientes revelan la variación porcentual de alguna variable (corriente, voltaje o potencia) del módulo en relación con la variación de temperatura. En definitiva, los coeficientes muestran la disminución (en el caso de tensión y potencia) o el aumento porcentual que sufre la variable por cada aumento o disminución de 1oC.
A continuación analizaremos un ejemplo de aplicación del coeficiente de potencia térmica (Gamma).
Un módulo fotovoltaico determinado tiene un coeficiente Gamma = -0,37%/oC. Esto significa que la potencia máxima del módulo disminuirá en un 0,37% (en relación con la potencia PMPP nominal) por cada aumento de 1oC a la temperatura de funcionamiento de las células fotovoltaicas.
Considerando que la temperatura de especificación estándar de los módulos es 25oC, un módulo fotovoltaico con una potencia nominal de 330W, por ejemplo, funcionando a una temperatura de 60oC tendría una reducción de potencia calculada de la siguiente manera:
Variación de potencia = (60 – 25) x -0,37% x 330W = -42,735W
Según el resultado anterior, este módulo de silicio cristalino perderá 42,735W de su potencia nominal, una reducción de alrededor del 12%, cuando funcione a una temperatura de 60oC.
Este valor de temperatura se utilizó en el ejemplo porque la temperatura de funcionamiento de las células fotovoltaicas suele ser de alrededor de 30oC por encima de la temperatura ambiente. Este es un buen valor para ejemplificar una operación típica en el clima brasileño.
Comparación de módulos comerciales mono y policristalinos.
Los módulos fotovoltaicos cristalinos que funcionan a altas temperaturas sufren una reducción de eficiencia y potencia.
Esto es inevitable y forma parte del comportamiento del silicio además de los efectos de las características constructivas de las celdas y módulos. Este fenómeno de reducción de temperatura se produce tanto en módulos policristalinos como monocristalinos.
Al analizar la siguiente tabla, nos damos cuenta de que los módulos monocristalinos disponibles actualmente en el mercado tienen coeficientes térmicos Gamma más bajos que los coeficientes de sus rivales policristalinos.
Por lo tanto, los módulos de silicio monocristalino funcionarán muy bien en las condiciones climáticas brasileñas, con un rendimiento ligeramente mejor que el silicio policristalino en algunos casos.
Tabla 1: Características técnicas de algunos módulos fotovoltaicos comerciales
Observando la tabla, compararemos los coeficientes Gamma de los módulos mono y policristalinos de cada uno de los tres fabricantes investigados, recordando que cuanto menor sea el coeficiente, mejor será el rendimiento del módulo.
Trina
Los módulos convencionales monocristalinos (TSM-DE14A) y policristalinos (TSM-PD14) tienen rendimientos similares, con coeficientes Gamma de -0,39%/oCe -0,41%/oC respectivamente.
En este caso, el monocristalino es ligeramente superior desde este punto de vista, ya que tiene un coeficiente térmico menor. Cuando comparamos la familia media celda Notamos una ligera reducción en los coeficientes térmicos, tanto en módulos mono como policristalinos.
Los coeficientes térmicos gamma más bajos se encuentran en módulos monocristalinos. media celda con tecnología de fabricación barra colectora múltiple (MBB), que reduce la resistencia eléctrica interna.
Paréntesis: Estos temas serán tratados en otros artículos, pero ya que estamos hablando de ellos, expliquemos. los modulos barra colectora múltiple Utilice conexiones eléctricas formadas por una gran cantidad de cables conductores.
Se trata de cables de pequeño diámetro que no impiden que la célula quede expuesta a la luz. La gran cantidad de cables reduce la resistencia eléctrica en las conexiones entre las celdas del módulo.
los modulos media celda Son los elaborados con células cortadas por la mitad. Este tipo de módulo se ha vuelto muy común y se encuentra entre los últimos lanzamientos de la mayoría de los fabricantes.
El hecho de tener las celdas cortadas a la mitad también reduce la resistencia eléctrica interna de los módulos, tema que se explicará mejor en otra publicación.
Jinko
En esta tabla no encontramos una comparativa entre módulos convencionales mono y policristalinos, pero podemos ver que el módulo de menor rendimiento ya tiene un coeficiente Gamma considerado bajo, de -0,38%/oC.
Cuando miramos las celdas mono-PERC encontramos coeficientes que van desde -0,37%/oC en -0,36%/oC en módulos media celda.
canadiense
Aquí nuevamente podemos hacer una comparación entre los módulos mono y policristalinos tradicionales. El coeficiente gamma de monocristalino es -0,38%/oC y el de policristalino es -0,40%/oC.
La diferencia es pequeña y debería marcar poca diferencia en la práctica pero, estrictamente hablando, el rendimiento térmico del monocristalino es superior.
Conclusiones
Los módulos monocristalinos son tan adecuados para las condiciones climáticas brasileñas como los módulos policristalinos. Hay varios factores que afectan el rendimiento de un módulo fotovoltaico dependiendo de la temperatura y las diferencias prácticas entre mono y poli son pequeñas.
Al analizar las características de los módulos actualmente disponibles comercialmente, se puede observar que los módulos monocristalinos investigados tienen coeficientes térmicos gamma más bajos, por lo tanto, funcionarán mejor en climas cálidos que sus homólogos policristalinos.
Esta es una buena noticia, ya que los módulos monocristalinos predominarán en el mercado y la tendencia para los próximos años es la desaparición de la tecnología policristalina.
Referencias
- El efecto de la temperatura en la caída de energía en las células solares de silicio cristalino, Energías Renovables, Volumen 28, Número 1, enero de 2003, páginas 1-12
- Física de los coeficientes de temperatura de las células solares, Materiales de Energía Solar y Células Solares, Volumen 140, Septiembre de 2015, Páginas 92-100
- Pruebas comparativas de rendimiento de módulos fotovoltaicos en climas tropicales de Indonesia, Actas de la conferencia AIP 1712, 020004 (2016)
- Investigación experimental de módulos solares monocristalinos y policristalinos con diferentes ángulos de inclinación, Journal of Thermal Engineering, Vol 4, No. 4, Número especial 8, págs. 2137-2148, junio, 2018
- Coeficiente de temperatura dependiente del voltaje de las curvas I – V de módulos fotovoltaicos de silicio cristalino, IEEE Journal of Photovoltaics (Volumen 8, Número 1, enero de 2018)
- Evaluación experimental de teorías de coeficientes de temperatura para células solares de silicio, IEEE Journal of Photovoltaics (Volumen: 6, Número: 1, enero de 2016)
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- Reducción de la temperatura de funcionamiento en módulos fotovoltaicos, IEEE Journal of Photovoltaics (Volumen 8, Número 2, marzo de 2018)
- Análisis de rendimiento de un sistema fotovoltaico en condiciones térmicas, 2016 IEEE 1ª Conferencia Internacional sobre Electrónica de Potencia, Control Inteligente y Sistemas de Energía (ICPEICES)
- Influencia de la temperatura ambiente en la cantidad de energía eléctrica producida por los módulos solares, 2009 MIXDES-16ª Conferencia Internacional Diseño Mixto de Circuitos y Sistemas Integrados
