Cómo funcionan los paneles solares

La estructura del panel solar y el principio de su funcionamiento dependen de los materiales y la tecnología con los que se fabrica. Por lo tanto, es necesario conocer las características de las principales opciones para entender cuáles son sus diferencias y elegir la solución adecuada para su uso. Todos los datos son relevantes para los productos de calidad, las baterías baratas pueden no cumplir los parámetros indicados, ya que a menudo se fabrican con irregularidades en la tecnología.

Diseño estándar de un panel solar rígido.

Terminología

Los principales términos utilizados en este campo son:

1. Energía solar: electricidad que se obtiene del sol cuando se utilizan paneles.
2. Insolación solar: indica la cantidad de luz solar que se recibe por metro cuadrado de superficie perpendicular a los rayos.
3. Células fotovoltaicas: módulos capaces de convertir la luz solar en energía eléctrica. Suelen producir de 1 a 2 vatios de energía, pero existen opciones de mayor rendimiento.
4. Sistema fotovoltaico: conjunto de equipos que convierten la luz solar en electricidad.
5. Las células o paneles solares son un grupo de células fotovoltaicas agrupadas en un gran módulo y conectadas en serie o en serie-paralelo. Normalmente, una sola batería contiene entre 36 y 40 segmentos.
6. Conjunto: varios paneles solares conectados para obtener la cantidad de corriente necesaria.
7. Módulos enmarcados: estructuras en un marco de aluminio que son robustas y herméticas.
8. Elementos sin marco - versiones flexibles, se utilizan en aplicaciones con cargas menores.
9. Kilovatio-hora (kW): medida estándar de la potencia eléctrica.
10. Eficiencia (rendimiento) - de los paneles solares. Indica la cantidad de energía solar que llega a la superficie y se convierte en electricidad. Normalmente la cifra es del 15-24%.
11. Degradación: reducción de la capacidad de las células solares que se produce por causas naturales. Medido en porcentaje de los valores originales.
12. Los picos de carga son los momentos en los que se requiere la mayor cantidad de electricidad.
13. El silicio cristalino es la materia prima de los paneles solares. La opción más común y duradera en la actualidad.
14. Silicio amorfo: composición aplicada a la superficie por evaporación y sellada con una capa protectora.
15. Semiconductores: sustancias que pueden conducir una corriente en determinadas condiciones. Esto incluye la mayoría de los nuevos materiales utilizados en la fabricación de células solares.
16. Inversor: dispositivo que convierte la corriente continua en corriente alterna.
17. Controlador: regula la tensión de salida de los módulos solares para cargar correctamente las baterías.

Mapa de la insolación en Rusia.

Estos son sólo los términos más comunes, hay opciones adicionales. Pero incluso conocer lo básico le ayudará a entender el tema mucho mejor.

Categorías de calidad

Para evaluar la calidad de un panel solar, lo primero que hay que hacer es averiguar el grado de la materia prima utilizada para producir las células fotovoltaicas. Esto determina la eficiencia y la vida útil del producto terminado. Hay cuatro clases principales:

1. Grado A - El mejor grado, que está libre de cualquier daño y grietas. La homogeneidad del relleno y la suavidad de la superficie garantizan un alto rendimiento, que a menudo es incluso superior al indicado en la documentación. Además, esta variante tiene el menor índice de degradación y mantiene un buen rendimiento durante un largo periodo de tiempo.
2. Grado B es de una calidad ligeramente inferior y puede presentar defectos superficiales. Sin embargo, a menudo se utiliza para producir un producto comparable en rendimiento al Grado A. El coeficiente de degradación es mucho menor y, por lo tanto, pierde sus características iniciales más rápidamente.
3. Grado C - una opción en la que puede haber defectos bastante graves, desde grietas hasta astillas y otros daños. Estos módulos son mucho más baratos en precio, pero también su eficiencia nunca es superior al 15%. Una solución económica y adecuada para cargas pequeñas.
4. Grado D - Básicamente, se trata de material de desecho que sobra de la fabricación de células fotovoltaicas y que no debería utilizarse para fabricar baterías. Pero muchos fabricantes poco honestos, especialmente en Asia, los utilizan en la producción. El rendimiento de esta opción es extremadamente pobre.

Es mejor elegir la primera opción, en un apuro la segunda servirá. Sólo ellos serán capaces de proporcionar una eficiencia normal y durarán mucho tiempo.

La película protectora de los paneles solares también debe ser de alta calidad.

El material de laminación EVA es una película especial que se coloca en el anverso y puede utilizarse en el reverso. El objetivo principal es proteger los elementos de funcionamiento de las influencias adversas sin interferir con la luz solar. Las variantes de calidad duran unos 25 años, las de mala calidad entre 5 y 10 años. Es imposible definir una clase a ojo, por eso es más fácil juzgar por el precio: las buenas variantes no tendrán precios bajos.

En el vídeo se explica gráficamente la corriente eléctrica con el ejemplo de la exposición a la luz solar.

Cómo funciona

Explicar cómo funciona un panel solar es difícil, pero se pueden hacer algunos comentarios generales:

1. Cuando la luz solar incide en las células fotovoltaicas, comienzan a formarse en ellas pares electrón-hueco que no están en equilibrio.
2. El exceso de electrones hace que se desplacen a la capa inferior del semiconductor.
3. Se crea una tensión en el circuito externo. El polo positivo surge en el contacto de la capa p y el negativo aparece en el contacto de la capa n.
4. Si se conecta un paquete de baterías a las células fotovoltaicas, se crea un círculo vicioso y los electrones en constante movimiento proporcionan una carga gradual a la batería.
5. Los módulos de silicio convencionales son células de transición única que sólo pueden generar energía a partir de un espectro específico de luz solar. Por ello, la eficiencia de los equipos es baja.
6. Para resolver el problema, los fabricantes han desarrollado versiones en cascada; pueden extraer energía de diferentes rayos del espectro solar. Aumenta la eficiencia, pero debido al alto coste de producción, el precio de estos paneles es mucho mayor.
7. La energía que no se convierte en electricidad se convierte en calor, por lo que los paneles solares se calientan hasta 55 grados y los semiconductores hasta 180 grados en el proceso. Y a medida que se calienta, la eficiencia del panel solar disminuye.

El diagrama más sencillo de un panel solar.

¡Por cierto! Los paneles solares son más eficaces en los días claros de invierno, cuando hay mucha luz y las bajas temperaturas enfrían la superficie.

De qué están hechos los paneles solares

Para estudiar la construcción de un panel solar, es necesario entender las principales variedades, ya que la tecnología de producción tiene diferencias significativas en función de las materias primas utilizadas:

1. Baterías de CdTe. El teluro de cadmio se utiliza en la fabricación de módulos de película. Una capa de unos cientos de micrómetros es suficiente para lograr una eficiencia de aproximadamente el 11% o ligeramente superior. Pero en términos de vatios por vatio, es al menos un 30% más barato que las alternativas tradicionales de silicio. Y es una alternativa mucho más fina y ligera.
2. El tipo CIGS. La abreviatura significa que contiene cobre, indio, galio y selenio. El semiconductor resultante también se aplica en una pequeña capa, pero a diferencia de la primera variante, la eficiencia aquí es un orden de magnitud mayor, del 15%.
3. GaAs e InP son capaces de depositar una capa fina de 5-6 μm y tienen una eficiencia de alrededor del 20%. Se trata de una nueva palabra en tecnologías para generar electricidad a partir de la luz solar. Gracias a sus elevadas temperaturas de funcionamiento, las baterías pueden calentarse hasta un alto nivel sin perder su rendimiento. Pero debido a que se utilizan materiales de tierras raras en la producción, el coste de este tipo es elevado.
4. Baterías de puntos cuánticos (QDSC). Utilizan puntos cuánticos en lugar de los materiales tradicionales a granel como material absorbente para la conversión de la energía solar. Al ajustar las brechas de banda, es posible fabricar módulos de múltiples uniones que absorben la energía solar de forma más eficiente.
5. Silicio amorfo se aplica por evaporación y tiene una estructura heterogénea. No es muy eficiente, pero la superficie homogénea es muy buena para absorber incluso la luz dispersa.
6. Policristalino variantes realizadas fundiendo silicio y enfriándolo en determinadas condiciones para obtener cristales unidireccionales. Una de las soluciones más comunes debido a lo barato de su producción y a su buena eficiencia.
7. Monocristalino Las células consisten en cristales individuales cortados en placas finas y aleados con fósforo. La solución más duradera, que tiene un bajo índice de degradación y una vida útil de al menos 30 años, pero más a menudo de 10 a 15 años.

Las baterías de teluro de cadmio se encuentran entre las más rentables en términos de coste por kilovatio de electricidad.

¡Por cierto! La eficacia de una u otra variante depende de la tecnología de producción, por lo que es necesario aclararla.

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Tipos y métodos de instalación de los paneles solares

 

Ventajas y desventajas de los paneles solares

Cada tipo tiene sus propias características que conviene tener en cuenta a la hora de elegir cuál es el más adecuado:

1. Los paneles monocristalinos tienen la mayor eficiencia y, por tanto, ahorran espacio en los módulos. Tienen una vida útil de al menos 25 años y su pérdida de potencia es lenta. Al mismo tiempo, la superficie es muy sensible a la suciedad y debe limpiarse con frecuencia. Y el precio es el más alto de todas las variantes basadas en el silicio.
2. Las variantes policristalinas no absorben los rayos del sol con tanta eficacia, pero funcionan mejor con luz difusa. Tienen una mejor relación calidad-precio, pero ocupan más espacio debido a su menor eficiencia.
3. Las baterías de silicio amorfo pueden colocarse en cualquier lugar, incluso en las paredes de los edificios, porque absorben bien la luz difusa. Con su baja eficiencia, tienen un precio bajo, por lo que pueden utilizarse como una opción económica. Al mismo tiempo, duran mucho tiempo y no tienen tanto miedo a la contaminación superficial.
4. Las variantes de las tierras raras tienen ventajas y desventajas similares, por lo que pueden considerarse conjuntamente. Son superiores a los paneles clásicos en términos de eficacia y pueden aplicarse en forma de película, lo cual es conveniente. Tienen un mayor rango de temperatura, por lo que el calentamiento no afecta al rendimiento. Pero debido al elevado precio y a la rareza de los metales, estas opciones no se utilizan masivamente.

La opción de montaje en pared simplifica el trabajo de instalación.

Dónde utilizarlo

Todas las opciones consideradas pueden instalarse en el sector privado para obtener electricidad del sol y ahorrar en costes energéticos, o incluso para conseguir una autonomía total. En cuanto al uso, hay que tener en cuenta algunas pautas sencillas:

1. Las variantes monocristalinas y policristalinas se instalan mejor en el tejado o en el suelo, con un marco construido previamente en el ángulo adecuado. Preferiblemente, el ángulo debe ser ajustable, para que pueda ajustarse al sol.
2. Los módulos de película pueden colocarse en cualquier lugar, tanto en paredes como en techos. Funcionan bien aunque los rayos no lleguen a la superficie en el ángulo correcto, lo cual es muy importante.
3. La industria prefiere los radiadores de lámina porque son más baratos y fáciles de instalar.

Las versiones de película son más fáciles de instalar para grandes volúmenes de trabajo.

Existen diversas variedades de paneles solares, pero cerca del 90% del mercado lo ocupan los modelos tradicionales de silicio debido a su bajo precio y buen rendimiento. También puede elegir una de las soluciones de semiconductores, pero entonces tendrá que gastar entre una vez y media y dos veces más dinero.