Características de los materiales de un módulo fotovoltaico.

En un módulo, las células son por lo general están dispuestos en serie.

Después de terminar la célula, cintas de cobre estañado (pestañas) están

soldados a las barras bus en la parte delantera (Figura 7.17a). Los contactos

se solapan para soldarse, e incorporan dos contactos por celda en caso de

algún fallo.

Figura 1. Conexiones: (a) celda; (b) dos celdas en serie y (c) vista de 36 celdas conectadas en serie.

El conjunto de células se debe encapsular adecuada para el funcionamiento

fiable en exterior más de 20 años, prestando atención a factores como la

rigidez para soportar las cargas mecánicas, protección frente a los agentes

atmosféricos y la humedad, protección contra impactos, aislamiento eléctrico

para la seguridad de las personas y así sucesivamente.

Las diferentes capas que el módulo se compone de se apilan y cada uno de

ellos tiene una función específica, una estructura común es esbozada en la

Figura,

Figura 2. Materiales apilados que conforman un laminado fotovoltaico.

En general, la placa superior de vidrio proporciona rigidez mecánica y

protección al módulo al tiempo que permite pasar la luz. La matriz de células

se intercala entre dos capas de agente encapsulante. El encapsulante más

popular es el copolímero de etileno-vinil-acetato (EVA).

La placa posterior suele llevar usualmente una película de fluoruro de polivinilo

comercialmente llamado Tedlar.

Los módulos pueden ser incorporados a un edificio en una serie de formas y

productos especiales se están desarrollando para que el módulo típico

enmarcado ya no es el único producto PV, es decir, los módulos pueden ser

modificados geométricamente. [1]

[1] Handbook of Photovoltaic Science and Engineering Edited by Antonio Luque Steven Hegedus.

Figura 3.a. Fuente The Fraunhofer Centro de Energía Sustentable. [2]

[2] Dynamic mechanical load testing. Solar Power International Workshops on

Bankability Chicago, IL October 21, 2013

Las figuras 2 y 3 muestran una de las combinaciones más simples de capas de

polímeros que conforman una celda tenemos la placa de vidrio, eva, la celda

fotovoltaica, nuevamente eva y posteriormente tedlar.

Los cambios en la selección de materiales, componentes, y proceso de

fabricación de las células pueden afectar al rendimiento eléctrico, la seguridad

y la fiabilidad de los módulos. Los cambios significativos en la estructura,

materiales, componentes y/o transformación de la célula requieren una

declaración del proveedor, ya que estos cambios pueden justificar un nuevo

análisis de los módulos por módulo de calificación del diseño y la norma de

homologación como IEC 61215 que se titula “Módulos fotovoltaicos (FV) de

silicio cristalino para aplicación terrestre. Cualificación del diseño y aprobación

de tipo”.

Cambios significativos en el proceso de fabricación de células deben ser

declarados a los fabricantes de módulos y acordadas con anterioridad a las

modificaciones que se hicieron. Esta declaración se hará por cada envío al

fabricante del módulo. Estas modificaciones incluyen, pero no se limitan a lo

siguiente:

• Parámetros de rendimiento nominales, incluida la eficiencia celular, Pmax, Isc,

Voc y FF en condiciones de prueba estándar, y baja irradiación;

• Los materiales y / o proceso de metalización;

• El material de revestimiento antirreflectante y el grosor y la ubicación en la

estructura celular (antes o después de la metalización);

• Cambios en el tipo de proceso de difusión;

• Materiales de las capas de semiconductores;

• Orden de proceso de la célula si el cambio implica el sistema de metalización;

• El cambio del lugar de fabricación de las células solares que no están bajo el

mismo sistema de control de calidad;

• Suministro de células a partir de un fabricante diferente;

• Reducción de espesor de la celda nominal en más de un 25%;

• Número de células por serie recomendadas;

• Tipo y la concentración de dopantes para las capas activas de la célula;

• Resistencia mínima de derivación para la clasificación de células;

• Variación de espesor total;

• La forma de la célula (cuadrado, pseudo-cuadrado, etc.);

• Fuerza de adhesión de todas las capas de la superficie, incluyendo

revestimiento antirreflejo y metalización, si el proceso ha cambiado;

• Grado de deformación, si el proceso ha cambiado;

• Manchas y grietas visibles, si el proceso ha cambiado;

• Elevado (la distancia entre el centro del círculo y el centro de la plaza en las

células seudo-cuadrado);

• Método de crecimiento de cristales de las obleas; y

• Los materiales de grabado de la superficie de la oblea, la composición y

proceso. [3]

[3]Crystalline Silicon Terrestrial Photovoltaic Cells – Supply Chain Procurement Specification Guideline. Govindasamy TamizhMani Arizona State University Photovoltaic Reliability Laboratory

Propiedades de la cubierta de vidrio:

[4] A thermal model for photovoltaic panels under varying atmospheric conditions. S.

Armstrong*, W.G. Hurley. Applied Thermal Engineering 30 (2010)

La cubierta de cristal del panel fotovoltaico es de vidrio templado, que a través

de un proceso de calentamiento y rápido enfriamiento mejora su resistencia

mecánica. El vidrio fotovoltaico difiere de vidrio convencional, tiene una alta

tasa de transmisión y bajo contenido de hierro para aprovechar tanta energía

solar como sea posible.

El bajo contenido de hierro entre 100-200 PPM es frecuentemente utilizado en

paneles solares y colectores térmicos debido a su alta tasa de transmisividad

(~91.6%). Los espesores de son de 3mm; 3,2mm; y 4mm. [5]

[5]http://es.jceco-tech.com/a32mm-normal-tempered-glass-for-solar-panel

Figura 3.b. Fabricación de vidrio templado de bajo contenido de hierro. [5]

Figura 3.c. Vidrio de bajo y alto contenido de hierro se indican arriba y abajo respectivamente. [6]

[6]https://www.guardian.com/es/GuardianVidrio/ProductosVidrio/UltraWhite/index.htm

Finalmente las propiedades térmicas y ópticas que utilizaremos para el vidrio

son de la referencia [7] Low-iron-rolled 3mm., y el calor específico [8]

[7] Glass for Low-Cost Photovoltaic Solar Arrays F.L. Bouquet[8] Specific Heat Table http://physics.tutorvista.com/heat/specific-heat.html

Propiedades del silicioDurante el proceso de obtención del cristal del silicio, se forman los lingotes

que se cortan en un primer paso para obtener una sección transversal y en un

segundo paso la obtención de la oblea (wafer en inglés). El corte se realiza con

alambre de acero inoxidable en conjunto a un proceso de abrasión utilizando

un lodo de carburo de silicio suspendido en etilenglicol para facilitar su posterior

limpieza.

El primer corte determina por el tamaño final de la sección y los tamaños de

células grandes estándar de 10×10 cm2 o 12,5×12,5 cm2 son preferidos por la

industria, y llegan hasta 15×15 cm2. Una célula más grande significa que más

pérdidas por efecto Joule crecen: la resistencia longitudinal de las líneas de

metal aumenta cuadráticamente con su espesor.

En el segundo corte es un corte múltiple del lingote que permite obtener las

delgadas obleas de 250 a 350 μm, se ha calculado que es el espesor óptimo

de espesor por razones de estabilidad mecánica, un espesor de sólo 60 a 100

μm. En este régimen óptimo espesor el silicio monocristalino se vuelve muy

frágil, las técnicas de manipulación y procesamiento son de suma importancia

para un buen rendimiento global de fabricación.

Las propiedades eléctricas de la oblea como producto final dependen del

dopaje, es decir incorporar impurezas, el silicio multicristalino es dopado con

boro para obtener el material de tipo p, el fósforo difundido se utiliza para la n-

contactos. Los contactos son estructuras construidas sobre una superficie de

semiconductores que permiten a los portadores de carga que fluyen entre el

semiconductor y el circuito externo. Se utiliza pasta de plata para fijar los

contactos [1]. No indicamos en detalle en la electrónica de semiconductores

debido a que nuestro propósito se ajusta al modelo físico planteado.

[1] Handbook of Photovoltaic Science and Engineering Edited by Antonio Luque Steven Hegedus.

Figura 3.d. Contactos impresos en la superficie de la celda fotovoltaica [9].

[9]. [http://www.pveducation.org/pvcdrom/manufacturing/screen-printed]

Las propiedades térmicas que utilizaremos se basan en la referencia [4].

[4] A thermal model for photovoltaic panels under varying atmospheric conditions S. Armstrong*, W.G.

Hurley. Applied Thermal Engineering 30 (2010)

Propiedades del encapsulado EVA

Las células fotovoltaicas se encapsulan en una capa de etileno-acetato de

vinilo (EVA) para fijar las células fotovoltaicas a la cubierta de vidrio y el

material de encapsulación posterior, proporcionando resistencia a la humedad

y el aislamiento eléctrico. [1]

Principales Funciones y Requisitos del EncapsulanteFunciones: Requisitos:• Índice de refracción de acoplamiento óptico (n) coincidente al vidrio.

• Alto porcentaje de transmitancia.• Coincidencia índice de refracción

• Aislamiento Eléctrico • Ruptura dieléctrica alta• Fijación de las celdas. • Alta resistividad eléctrica y térmica• Separación de las celdas. • Mecánicamente resistente y buena

adhesión a la celda.• Protección contra la intemperie inducida por daños (impactos) y ambientales

• Baja absorción de humedad

• La conducción térmica • Alta resistencia a la radiación UV-inducida amarillo-pardeamiento• Alta resistencia y delaminación toUV inducido por la humedad

Tabla 3.a Principales funciones y requisitos del encapsulante [10]

[10] Module encapsulation materials, processing and testing. John Pern Ph.D. National Center for Photovoltaics (NCPV). National Renewable Energy Laboratory (NREL).

Los módulos en el campo están sometidos a cargas mecánicas estáticas y

dinámicas, ciclos térmicos, exposición a la radiación, humedad ambiental,

impacto de granizo, la acumulación de suciedad, sombreado parcial y así

sucesivamente. Modos de fallo común están relacionadas con la acción de los

agentes atmosféricos en combinación con deficiencias en la fabricación.

También se observa la ubicación dependiente de la degradación constante de

salida del módulo, con la corriente de cortocircuito y el factor de llenado siendo

los parámetros más afectados. En muchos casos, esto se ha demostrado que

se correlaciona con la degradación de EVA encapsulación. EVA, como la

mayoría de los polímeros, se someten a la degradación foto-térmica: la

radiación ultravioleta rompe las cadenas moleculares. La difusión de las

especies químicas también es relativamente fácil a través de él, por lo que la

humedad y los agentes corrosivos pueden entrar [1].

Figura 3.e. Lámina de eva en una celda.[11]

[11] Laminado superior EVA [http://www.bridgestone.com/products/diversified/evasky/]

Color amarillo o pardo de EVA reduce su transmisión óptica. Por esta razón,

EVA incorpora los absorbentes de UV en su formulación. Vidrios que contiene

cerio aliviar este problema. La degradación también disminuye la fuerza del

encapsulante, que conduce a la pérdida de adhesión a las células e incluso el

desprendimiento de la capa (delaminación). Esta es promovida por el esfuerzo

cortante que acompaña a diferentes coeficientes de dilatación térmica de los

ciclos diurnos. La delaminación provoca degradación óptica y térmica. Además,

el encapsulante degradado puede ser penetrado más fácilmente por la

humedad y los productos químicos. Entre estos, el vidrio de sodio y fósforo

desde el emisor de células son conocidos para precipitar en la superficie

celular, corroyendo juntas de soldadura y el aumento de la resistencia en serie.

Formulaciones encapsulantes se están mejorando continuamente para hacer

frente a estos problemas [1].

Las propiedades térmicas de EVA se obtienen de la referencia [50]

[1] Handbook of Photovoltaic Science and Engineering Edited by Antonio Luque Steven Hegedus.

Figura 3.f. Degradación del encapsulado [12].

[10] Module encapsulation materials, processing and testing. John Pern Ph.D. National Center for Photovoltaics (NCPV). National Renewable Energy Laboratory (NREL).

[12] Las propiedades térmicas para EVA Thermally conductive and electrically insulating. EVA composite encapsulants for solar photovoltaic (PV) cell. B. Lee1,2*, J. Z. Liu3, B. Sun1, C. Y. Shen1, G. C. Dai1

[50]http://www.makeitfrom.com/material-properties/10-Percent-Vinyl-

Acetate-Eva/

Propiedades del Tedlar

El Tedlar es fluoruro de polivinilo (PVF). Una vez obtenido el conjunto de

células encapsuladas en EVA, se recubren, por encima (transparente) o debajo

(blanco), con láminas de Tedlar dependiendo del fabricante. El fin de estas

láminas es proteger a las células fotovoltaicas de los efectos degradantes de la

radiación ultravioleta y, sirve como aislante eléctrico.

Figura 3.g. Lámina de tedlar. [14].

Una forma de reducir el costo de la lámina posterior mantenimiento de un buen

comportamiento y la durabilidad es utilizando una sola capa de fluoruro de

polivinilo. En este caso, la estructura de capas está formada principalmente por

TEDLAR® o KYNAR®. Esta capa es foto estable y proporciona aislamiento

adicional y protección contra la humedad para las capas FV.

En general, con el fin de hacer un mejor uso de la luz que incide sobre ellos y

debido a su reflectancia superior, la lámina posterior fotovoltaica tienen un color

blanco [13].

Figura 3.h. Fijación del tedlar en el módulo [15].

[10] Module encapsulation materials, processing and testing. John Pern Ph.D. National Center for Photovoltaics (NCPV). National Renewable Energy Laboratory (NREL).[13] Optical characterization of backsheets to improve the power of photovoltaic modules. S. Ponce-Alcántara1,a, A. Vivas2,b and G. Sánchez3,c

[14] DuPont™ Tedlar® Polyvinyl Fluoride (PVF) Films General Properties

[4] A thermal model for photovoltaic panels under varying atmospheric conditions. S. Armstrong*, W.G. Hurley. Applied Thermal Engineering 30 (2010)[15] Fabricación de módulos solares fotovoltaicos. Situación actual y perspectivas. Ander Muelas López de Aberasturi

Materiales del Sistema de enfriamiento

Los materiales que componen nuestro sistema de enfriamiento son cobre para

los tubos y una placa absorbente aislados con poliuretano, sus datos se

encuentran comúnmente en catálogos comerciales y tablas de manuales

técnicos. Sus características y funciones se describen a continuación

Propiedades del cobre para los tubos

Las tuberías de cobre al ser fabricadas por extrusión y estiradas en frío. Su

fabricación por extrusión que permite tubos de una sola pieza, sin costura y de

paredes lisas, asegura la resistencia a la presión de manera uniforme y un

mínimo de pérdidas de presión por fricción en la conducción de fluidos.

Utilizaremos una tubería de cobre tipo M rígido para instalaciones hidráulicas

de agua fría y caliente, para casas, edificios y aplicaciones en general donde

las presiones de servicio sean bajas.

Las tuberías de cobre y su uso en las instalaciones sanitarias presentan las

siguientes características [16]:

Resistencia a la corrosión:

Resistencia mecánica a las presiones internas de trabajo al ser sin costura.

Alta conductividad térmica.

Facilidad de unión y sencillez del proceso para montaje de los tubos y

acoplamiento.

[16] Manual técnico Nacobre.

http://www.nacobre.com.mx/download/ayudas/manual_tecnico_cobre.pdf

Figura 3.i. Montaje de la unión de tubos de cobre por soldadura [17].

[17] Copper Tube Handbook. Industry Standard Guide for the Design and Installation of Copper Piping Systems

La placa de cobre.

La finalidad de incorporar una placa de cobre entre el laminado fotovoltaico y

los tubos es para aumentar el área de transferencia de calor y de esta manera

obtener una distribución de calor homogénea. Las propiedades térmicas de la

placa y tubos son obtenidas directamente de la biblioteca de materiales Fluent.

El espesor a utilizar es 1.2 mm y en su superficie se fijará el módulo

fotovoltaico.

Poliuretano

La mezcla de los dos componentes POLIOL e ISOCIANATO, que son líquidos

a temperatura ambiente, produce una reacción química exotérmica. De esta

reacción se consigue una estructura sólida, uniforme y muy resistente. Si el

calor que desprende la reacción se utiliza para formar espuma, se obtiene un

producto rígido que posee una estructura celular, con un volumen muy superior

al que ocupaban los productos líquidos. Es lo que denominamos espuma rígida

de poliuretano, o PUR.

Figura 3.h. Formación de la espuma de poliuretano [18].

El poliuretano es un material aislante con un valor de conductividad térmica

muy bajo. Una de las muchas ventajas del aislamiento con Poliuretano es su

capacidad para ser cortado o conformado y mantener la forma elegida. El

bloque es simplemente aislamiento de espuma de Poliuretano fabricado de tal

manera que puede ser cortado al tamaño y forma elegidos para las

necesidades específicas y que se puede utilizar en todos los elementos

constructivos, incluyendo las tuberías [18].

Las propiedades térmicas que utilizaremos para el poliuretano se obtienen de

la referencia [19].

[18] Libro Blanco del poliuretano proyectado e inyectado. Guía de ventajas y soluciones de espuma rígida de poliuretano proyectado e inyectado para aislamiento térmico, acústico e impermeabilización, conforme al CTE.

[19] Properties of solids. Departamento de motopropulsión y termo-fluido-dinámica de la escuela técnica superior de ingenieros aeronáuticos de la universidad politécnica de madrid

Tabla de materiales

Hemos visto los requerimientos de todos los materiales que componen nuestro

sistema, teniendo en cuenta la diversidad de materiales hemos fijado como

datos de entrada a nuestro modelo las propiedades térmicas como la densidad,

el calor específico, la conductividad térmica, y el espesor de cada capa que se

muestran en la Tabla 1.

Propiedades de los materiales

 Densida

d

Calor especifico

Conductividad térmica Emisividad Espeso

r

MaterialKg/m3 J/kg-K W/m2-K

térmica[KREIGH

T]-

mm

Vidrio [7] [8] 2500 837 0,81 0,9 3.2Poliuretano rígido (PUR) [19]

35 1400 0,024 0,95*

Etileno vinil acetato (EVA) [50]

930 1400 0,36 -0.5-1**

Fluoruro de polivinilo (TEDLAR) [14]

1370 1010 0,23 -

Silicio [4] 2330 677 148 - 0.3Cobre [51] 8978 381 400 - 1.2*Espesor mínimo alrededor del tubo.**Espesor superior e inferior a la celda 1mm 0.5mm respectivamente.

Vidrio [7] [8] [7] Glass for Low-Cost Photovoltaic Solar Arrays F.L. Bouquet[8] Specific Heat Table http://physics.tutorvista.com/heat/specific-heat.htmlSilicio [4]. [4] A thermal model for photovoltaic panels under varying atmospheric conditions. S. Armstrong*, W.G. Hurley. Applied Thermal Engineering 30 (2010) PUR [19]. [19] Properties of solids. Departamento de motopropulsión y termo-fluido-dinámica de la escuela técnica superior de ingenieros aeronáuticos de la universidad politécnica de madridEVA [50]http://www.makeitfrom.com/material-properties/10-Percent-Vinyl-Acetate-Eva/TEDLAR [14] DuPont™ Tedlar® Polyvinyl Fluoride (PVF) Films General Properties

Cobre [51] The Effect of Seasonal Variation on Thermal Performance of Horizontal Slinky‐Loop Ground Heat Exchanger The Effect of Seasonal Variation on Thermal Performance of Horizontal Slinky‐Loop Ground Heat Exchanger. Salsuwanda Selamat Graduate School of Science and Engineering Saga University, Japan

Referencias sección de materiales.

[1] Handbook of Photovoltaic Science and Engineering Edited by Antonio Luque Steven Hegedus.[2] Dynamic mechanical load testing. Solar Power International Workshops on Bankability Chicago, IL October 21, 2013[3]Crystalline Silicon Terrestrial Photovoltaic Cells – Supply Chain Procurement Specification Guideline. Govindasamy TamizhMani Arizona State University Photovoltaic Reliability Laboratory[4] A thermal model for photovoltaic panels under varying atmospheric conditions. S. Armstrong*, W.G. Hurley. Applied Thermal Engineering 30 (2010)[5] Fabricación del vidriohttp://es.jceco-tech.com/a32mm-normal-tempered-glass-for-solar-panel[6]Vidrio comun y fotovolico https://www.guardian.com/es/GuardianVidrio/ProductosVidrio/UltraWhite/index.htm [7] Glass for Low-Cost Photovoltaic Solar Arrays F.L. Bouquet[8] Specific Heat Table http://physics.tutorvista.com/heat/specific-heat.html[9]. [http://www.pveducation.org/pvcdrom/manufacturing/screen-printed][10] Module encapsulation materials, processing and testing. John Pern Ph.D. National Center for Photovoltaics (NCPV). National Renewable Energy Laboratory (NREL).[11] Laminado superior EVA [http://www.bridgestone.com/products/diversified/evasky/][12] Las propiedades térmicas para EVA Thermally conductive and electrically insulating. EVA composite encapsulants for solar photovoltaic (PV) cell. B. Lee1,2*, J. Z. Liu3, B. Sun1, C. Y. Shen1, G. C. Dai1

[13] Optical characterization of backsheets to improve the power of photovoltaic modules. S. Ponce-Alcántara, A. Vivas2,b and G. Sánchez[14] DuPont™ Tedlar® Polyvinyl Fluoride (PVF) Films General Properties[15] Fabricación de módulos solares fotovoltaicos. Situación actual y perspectivas. Ander Muelas López de Aberasturi[16] Manual técnico Nacobre. http://www.nacobre.com.mx/download/ayudas/manual_tecnico_cobre.pdf[17] Copper Tube Handbook. Industry Standard Guide for the Design and Installation of Copper Piping Systems[18] Libro Blanco del poliuretano proyectado e inyectado. Guía de ventajas y soluciones de espuma rígida de poliuretano proyectado e inyectado para aislamiento térmico, acústico e impermeabilización, conforme al CTE.[19] Properties of solids. Departamento de motopropulsión y termo-fluido-dinámica de la escuela técnica superior de ingenieros aeronáuticos de la universidad politécnica de madrid[50]http://www.makeitfrom.com/material-properties/10-Percent-Vinyl-Acetate-Eva/[51] Biblioteca integrada ANSYS FLUENT.