Tipos de paneles solares: reseña comparativa de las estructuras y consejos para la selección de paneles

La energía alternativa se desarrolla al máximo en Europa, mostrando con sus resultados su gran potencial. Aparecen nuevos tipos de paneles solares y aumenta su eficiencia.

Si se desea abastecer el funcionamiento de un edificio industrial o una vivienda mediante la energía solar, es necesario informarse previamente sobre las diferencias del equipo y entender qué paneles solares son adecuados para las condiciones climáticas de una región determinada.

Le ayudaremos a aclarar esta cuestión. En el artículo se analiza el principio de funcionamiento de los convertidores fotovoltaicos, se presenta una comparativa de los diferentes tipos de paneles solares con sus características, ventajas y desventajas. Al familiarizarse con el material, podrá tomar la decisión correcta para instalar un sistema solar eficiente.

Principio de funcionamiento de los paneles solares

La gran mayoría de los paneles solares son, en sentido físico, convertidores fotovoltaicos. El efecto de generación eléctrica se produce en la unión semiconductora p-n.

Las placas de silicio constituyen la base del costo de los paneles solares, pero si se utilizan como fuente de electricidad las 24 horas, será necesario comprar adicionalmente costosas baterías de almacenamiento.

El panel consta de dos placas de silicio con propiedades diferentes. Bajo la acción de la luz, en una de ellas se produce una falta de electrones, y en la otra, un exceso. Cada placa tiene tiras de cobre para la conducción de corriente, que se conectan a los convertidores de voltaje.

Un panel solar industrial está compuesto por múltiples celdas fotovoltaicas laminadas, unidas entre sí y fijadas sobre un sustrato flexible o rígido.

La eficiencia del equipo depende en gran medida de la pureza del silicio y de la orientación de sus cristales. Estos son precisamente los parámetros que los ingenieros han intentado mejorar en las últimas décadas. El principal problema es el alto costo de los procesos de purificación del silicio y de alineación de los cristales en una misma dirección en todo el panel.

Cada año, las eficiencias máximas de varios paneles solares cambian al alza, porque se invierten miles de millones de dólares en la investigación de nuevos materiales fotovoltaicos (+)

Los semiconductores de los convertidores fotovoltaicos pueden fabricarse no solo de silicio, sino también de otros materiales – el principio de funcionamiento de la batería no cambia.

Tipos de convertidores fotovoltaicos

Los paneles solares industriales se clasifican según sus características constructivas y el tipo de capa fotovoltaica activa.

Se distinguen los siguientes tipos de baterías según el tipo de dispositivo:

• paneles flexibles;
• módulos rígidos.

Los paneles flexibles de capa fina están ganando cada vez más cuota de mercado gracias a su versatilidad de instalación, ya que pueden montarse en la mayoría de superficies con diversas formas arquitectónicas.

Las características reales de los paneles solares suelen ser inferiores a las indicadas en el manual. Por lo tanto, antes de instalarlos en casa, es recomendable ver un proyecto similar ya realizado.

Según el tipo de capa fotovoltaica activa, las baterías solares se dividen en las siguientes variedades:

1. De silicio: monocristalino, policristalino, amorfo.
2. De telururo de cadmio.
3. Basados en seleniuro de indio-cobre-galio.
4. Poliméricos.
5. Orgánicos.
6. Basados en arseniuro de galio.
7. Combinados y multicapa.

No todos los tipos de paneles solares son de interés para el consumidor general, solo los dos primeros subtipos cristalinos.

Aunque algunos otros tipos de paneles tienen mayores eficiencias, debido a su alto costo no han tenido una amplia difusión.

Los elementos fotovoltaicos de silicio son bastante sensibles al calor. La temperatura base para medir la generación eléctrica es de 25 °C. Al aumentar un grado, la eficiencia de los paneles disminuye entre un 0,45 y un 0,5%.

A continuación, se examinarán en detalle los paneles solares que presentan el mayor interés para los consumidores.

Características de los paneles basados en silicio

El silicio para las baterías solares se fabrica a partir de polvo de cuarzo – cristales de cuarzo molidos. En Siberia Occidental y en los Urales Medios existen yacimientos muy ricos de materia prima, por lo que las perspectivas de esta área de la energía solar son prácticamente ilimitadas.

Incluso ahora, los paneles de silicio cristalino y amorfo ya ocupan más del 80 % del mercado. Por lo tanto, vale la pena examinarlos con más detalle.

Paneles de silicio monocristalino

Las modernas obleas de silicio monocristalino (mono-Si) tienen un color azul oscuro uniforme en toda su superficie. Para su producción se utiliza el silicio más puro. Entre todas las obleas de silicio, las células fotovoltaicas monocristalinas tienen el precio más alto, pero también ofrecen la mejor eficiencia.

Los grandes paneles solares monocristalinos con mecanismos de giro se integran perfectamente en los paisajes desérticos. Allí se dan las condiciones para un rendimiento máximo.

El alto costo de producción se debe a la dificultad de orientar todos los cristales de silicio en una sola dirección. Debido a estas propiedades físicas de la capa activa, la máxima eficiencia solo se logra cuando los rayos solares inciden perpendicularmente sobre la superficie de la oblea.

Las baterías monocristalinas requieren equipos adicionales que las giren automáticamente durante el día para que el plano de los paneles esté lo más perpendicular posible a los rayos solares.

Las capas de silicio con cristales orientados en una dirección se cortan a partir de un lingote cilíndrico de metal, por lo que los bloques fotovoltaicos terminados tienen forma de cuadrado con esquinas redondeadas.

Entre las ventajas de las baterías de silicio monocristalino se incluyen:

1. Alta eficiencia con un valor del 17 al 25%.
2. Compacidad – menor área de instalación del equipo por unidad de potencia, en comparación con los paneles de silicio policristalino.
3. Durabilidad – se garantiza una eficiencia suficiente en la generación de electricidad durante hasta 25 años.

Estas baterías tienen solo dos desventajas:

1. Alto costo y largo período de amortización.
2. Sensibilidad a la suciedad. El polvo dispersa la luz, por lo que en los paneles solares cubiertos de polvo la eficiencia se reduce drásticamente.

Debido a la necesidad de rayos solares directos, los paneles solares monocristalinos se instalan principalmente en áreas abiertas o en altura. Cuanto más cerca esté el terreno del ecuador y cuantos más días soleados tenga, más preferible es la instalación de este tipo de elementos fotovoltaicos.

Paneles solares policristalinos

Los paneles de silicio policristalino (multi-Si) tienen un color azul de intensidad desigual debido a la orientación diversa de los cristales. La pureza del silicio utilizado en su fabricación es ligeramente inferior a la de sus homólogos monocristalinos.

La diversidad de orientación de los cristales proporciona una alta eficiencia en luz difusa: 12-18%. Es inferior a la de los cristales unidireccionales, pero en condiciones de tiempo nublado, estos paneles resultan más eficaces.

La heterogeneidad del material también conduce a una reducción del coste de producción del silicio. El metal purificado para los paneles solares policristalinos se vierte en moldes sin mayor complicación.

En la fabricación se utilizan técnicas especiales para la formación de cristales, sin embargo, su orientación no se controla. Tras el enfriamiento, el silicio se corta en capas y se procesa según un algoritmo especial.

Los paneles policristalinos no requieren una orientación constante hacia el sol, por lo que para su instalación se utilizan activamente los techos de casas y edificios industriales.

Durante el día, con nubes ligeras, las ventajas de los paneles solares de silicio amorfo no serán notables; sus virtudes se revelan solo bajo nubes densas o en la sombra (+)

Entre las ventajas de los paneles solares con cristales multidireccionales se encuentran:

1. Alta eficiencia en condiciones de luz difusa.
2. Posibilidad de instalación fija en techos de edificios.
3. Menor costo en comparación con los paneles monocristalinos.
4. Larga vida útil – la caída de la eficiencia después de 20 años de uso es solo del 15-20%.

Los paneles policristalinos también tienen desventajas:

1. Menor eficiencia con un valor del 12-18%.
2. Relativa voluminosidad – requiere más espacio de instalación por unidad de potencia en comparación con los homólogos monocristalinos.

Los paneles solares policristalinos están ganando una creciente cuota de mercado entre otras baterías de silicio. Esto se debe a las amplias posibilidades potenciales para reducir el costo de su producción. Cada año también aumenta la eficiencia de dichos paneles, acercándose rápidamente al 20% en los productos comerciales.

Paneles solares de silicio amorfo

El mecanismo de producción de los paneles solares de silicio amorfo difiere fundamentalmente de la fabricación de elementos fotovoltaicos cristalinos. Aquí no se utiliza el no metal puro, sino su hidruro, cuyos vapores calientes se depositan sobre un sustrato.

Como resultado de esta tecnología, no se forman cristales clásicos y los costos de producción se reducen drásticamente.

Las fotocélulas de silicio amorfo depositado se pueden fijar tanto sobre un sustrato polimérico flexible como sobre una lámina de vidrio rígida.

Actualmente ya existen tres generaciones de paneles de silicio amorfo, en cada una de las cuales se incrementa notablemente el rendimiento. Si los primeros módulos fotovoltaicos tenían una eficiencia del 4-5%, ahora se venden masivamente en el mercado modelos de segunda generación con un rendimiento del 8-9%.

Los paneles amorfos de último desarrollo tienen una eficiencia de hasta el 12% y ya comienzan a aparecer a la venta, pero aún son bastante caros.

Debido a las particularidades de esta tecnología de fabricación, se puede crear una capa de silicio tanto sobre un sustrato rígido como sobre uno flexible. Por ello, los módulos de silicio amorfo se utilizan activamente en módulos solares flexibles de película delgada. Pero las versiones con sustrato elástico son mucho más caras.

La estructura fisicoquímica del silicio amorfo permite absorber al máximo los fotones de luz difusa débil para generar electricidad. Por lo tanto, estos paneles son adecuados para su uso en regiones septentrionales con grandes áreas libres.

La eficiencia de las baterías basadas en silicio amorfo no disminuye ni siquiera a altas temperaturas, aunque en este aspecto son inferiores a los paneles de arseniuro de galio.

Con el mismo costo del equipo, los paneles solares de hidruro de silicio muestran un mayor rendimiento que sus homólogos mono y policristalinos (+)

Resumiendo, se pueden señalar las siguientes ventajas de los paneles solares amorfos:

1. Versatilidad – posibilidad de fabricar paneles flexibles y delgados, montaje de baterías en cualquier forma arquitectónica.
2. Alto rendimiento con luz difusa.
3. Funcionamiento estable a altas temperaturas.
4. Simplicidad y fiabilidad de la construcción. Estos paneles prácticamente no se rompen.
5. Mantenimiento de la funcionalidad en condiciones difíciles – menor caída de rendimiento cuando la superficie está polvorienta en comparación con los análogos cristalinos

La vida útil de estos elementos fotovoltaicos, a partir de la segunda generación, es de 20-25 años con una caída de potencia del 15-20%. A las desventajas de los paneles de silicio amorfo solo se puede atribuir la necesidad de mayores áreas para ubicar el equipo de la potencia requerida.

Comparativa de dispositivos sin silicio

Algunos paneles solares fabricados con metales raros y costosos tienen un rendimiento superior al 30%. Son varias veces más caros que sus homólogos de silicio, pero aún así han ocupado un nicho comercial de alta tecnología gracias a sus características especiales.

Paneles solares de metales raros

Existen varios tipos de paneles solares de metales raros, y no todos tienen un rendimiento superior al de los módulos de silicio monocristalino.

Sin embargo, la capacidad de trabajar en condiciones extremas permite a los fabricantes de dichos paneles solares producir productos competitivos y realizar investigaciones adicionales.

Los paneles de telururo de cadmio se utilizan activamente en el revestimiento de edificios en países ecuatoriales y arábigos, donde su superficie se calienta durante el día hasta 70-80 grados.

Las principales aleaciones utilizadas para fabricar células fotoeléctricas son telururo de cadmio (CdTe), seleniuro de indio-cobre-galio (CIGS) y seleniuro de indio-cobre (CIS).

El cadmio es un metal tóxico, mientras que el indio, el galio y el teluro son bastante raros y costosos, por lo que la producción en masa de paneles solares basados en ellos es incluso teóricamente imposible.

La eficiencia de estos paneles se sitúa entre el 25 y el 35%, aunque en casos excepcionales puede alcanzar el 40%. Anteriormente se utilizaban principalmente en la industria espacial, pero ahora ha surgido una nueva dirección prometedora.

Debido al funcionamiento estable de las células fotoeléctricas hechas de metales raros a temperaturas de 130-150°C, se utilizan en centrales solares térmicas. Los rayos del sol de decenas o cientos de espejos se concentran en un panel pequeño, que simultáneamente genera electricidad y transfiere energía térmica a un intercambiador de calor de agua.

Como resultado del calentamiento del agua, se genera vapor que hace girar una turbina y genera electricidad. De este modo, la energía solar se convierte en energía eléctrica simultáneamente por dos vías con la máxima eficiencia.

Análogos poliméricos y orgánicos

Los módulos fotoeléctricos basados en compuestos orgánicos y poliméricos comenzaron a desarrollarse solo en la última década, pero los investigadores ya han logrado avances significativos. El mayor progreso lo demuestra la empresa europea Heliatek, que ya ha equipado varios edificios altos con paneles solares orgánicos.

El grosor de su construcción de película en rollo tipo HeliaFilm es de solo 1 mm.

En la producción de paneles poliméricos se utilizan sustancias como fullerenos de carbono, ftalocianina de cobre, polifenileno y otros. La eficiencia de estas células fotoeléctricas ya alcanza el 14-15%, y el costo de producción es varias veces menor que el de los paneles solares cristalinos.

El tema de la vida útil de degradación de la capa activa orgánica es crítico. Por ahora, no es posible confirmar de manera confiable su nivel de eficiencia después de varios años de operación.

Las ventajas de los paneles solares orgánicos son:

• posibilidad de eliminación ecológicamente segura;
• bajo costo de producción;
• estructura flexible.

Entre las desventajas de estas células fotoeléctricas se pueden mencionar la eficiencia relativamente baja y la falta de información fiable sobre la vida útil de funcionamiento estable de los paneles. Es posible que en 5-10 años todas las desventajas de las células solares orgánicas desaparezcan y se conviertan en serios competidores de las obleas de silicio.

¿Qué panel solar elegir?

La elección de paneles solares para casas de campo en latitudes 45-60° no es difícil. Aquí solo vale la pena considerar dos opciones: paneles de silicio policristalino y monocristalino.

En caso de escasez de espacio, es mejor dar preferencia a modelos más eficientes con orientación unilateral de los cristales; si el área es ilimitada, se recomienda adquirir baterías policristalinas.

No vale la pena guiarse por los pronósticos de las empresas analíticas sobre el desarrollo del mercado de paneles solares, ya que quizás sus mejores modelos aún no se han inventado.

Es mejor elegir un fabricante específico, la potencia requerida y el equipo adicional con la participación de los gerentes de empresas que se dedican a la venta e instalación de dicho equipo. Se debe saber que la calidad y el precio de los módulos fotovoltaicos de los mayores fabricantes difieren poco.

Se debe tener en cuenta que al pedir un paquete de equipos «llave en mano», el costo de los propios paneles solares será solo del 30-40% del total. Los períodos de recuperación de tales proyectos son de 5 a 10 años y dependen del nivel de consumo de energía y la posibilidad de vender el excedente de electricidad a la red urbana.

Algunos artesanos prefieren ensamblar las baterías solares por su cuenta. En nuestro sitio web hay artículos con una descripción detallada de la tecnología de fabricación de dichos paneles, su conexión y la instalación de sistemas solares de calefacción.

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Conclusiones y video útil sobre el tema

Los videos presentados muestran el funcionamiento de varios paneles solares en condiciones reales. También ayudarán a comprender las cuestiones de selección del equipo complementario.

Reglas para la selección de paneles solares y equipo complementario:

Tipos de paneles solares:

Prueba de paneles monocristalinos y policristalinos:

Para la población y pequeños objetos industriales, todavía no existe una alternativa real a los paneles de silicio cristalino. Pero el ritmo de desarrollo de nuevos tipos de baterías solares permite esperar que pronto la energía solar se convierta en la principal fuente de electricidad en muchas casas de campo.

A todos los interesados en la selección y uso de baterías solares, les ofrecemos dejar comentarios, hacer preguntas y participar en discusiones. El formulario de contacto se encuentra en el bloque inferior.