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degradación de módulos fotovoltaicos de silicio cristalino tras 12 ...

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IV Conferencia Latino Americana <strong>de</strong> Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano <strong>de</strong> Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, 1 -5.11.2010DEGRADACIÓN DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS DE SILICIOCRISTALINO TRAS <strong>12</strong> AÑOS DE OPERACIÓN EN ESPAÑAMariano Sidrach-<strong>de</strong>-Cardona – msidrach@ctima.uma.esPaula Sánchez-Friera – paulasanchez@ctima.uma.esMichel Piliougine – michel@ctima.uma.esJavier Peláez – javier_pelaez@hotmail.comJesús Carretero –jecarretero@ctima.uma.esDpto. <strong>de</strong> Física Aplicada II. Universidad <strong>de</strong> Málaga. Málaga, España.Llanos Mora-López – llanos@lcc.uma.esDpto. <strong>de</strong> Lenguajes y Ciencias <strong>de</strong> la Computación. Universidad <strong>de</strong> Málaga. Málaga, España.3. Conversión fotovoltaica <strong>de</strong> la energía solarResumen. La fiabilidad a largo plazo <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong> <strong>fotovoltaicos</strong> es crucial para asegurar la viabilidad técnica yeconómica <strong>de</strong> los sistemas <strong>fotovoltaicos</strong>. Un sistema fotovoltaico tiene una vida útil superior a 25 años. Este trabajopresenta los resultados <strong>de</strong> las investigaciones llevadas a cabo sobre los mecanismos <strong>de</strong> <strong><strong>de</strong>gradación</strong> <strong>de</strong> una instalaciónFV <strong>de</strong> <strong>silicio</strong> <strong>cristalino</strong> <strong>de</strong> 2 kWp <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> <strong>12</strong> años <strong>de</strong> exposición en Málaga, España. El análisis se realizó medianteinspección visual, la termografía infrarroja y evaluación <strong>de</strong> los parámetros eléctricos. Por inspección visual, los<strong>de</strong>fectos más relevantes en los <strong>módulos</strong> fueron i<strong>de</strong>ntificados y clasificados según su frecuencia. Se han comparado losparámetros eléctricos característicos <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong> individuales, obtenidos por las mediciones a Sol real al principioy al final <strong>de</strong>l período <strong>de</strong> exposición. Los resultados presentados muestran que la erosión <strong>de</strong> vidrio, <strong>de</strong>laminación en lainterfase célula-EVA y la oxidación <strong>de</strong> la capa antirreflectiva y la red <strong>de</strong> metalización fueron los <strong>de</strong>fectos másfrecuentes encontrados. La pérdida <strong>de</strong> potencia máxima total, incluida la <strong><strong>de</strong>gradación</strong> inicial, fue <strong>de</strong> 11,6%, que secorrespon<strong>de</strong> casi totalmente con la pérdida observada en la corriente <strong>de</strong> cortocircuito.Palabras clave: <strong>módulos</strong> <strong>fotovoltaicos</strong>, <strong><strong>de</strong>gradación</strong>, fiabilidad1 INTRODUCCIÓNLa fiabilidad a largo plazo <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong> <strong>fotovoltaicos</strong> es importante para asegurar el éxito futuro <strong>de</strong> estatecnología y su implementación como fuente <strong>de</strong> energía eléctrica. Los periodos <strong>de</strong> garantía <strong>de</strong>ben ser fijadosconociendo la fiabilidad <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong>, <strong>de</strong> la misma manera que los cálculos <strong>de</strong> la energía producida al cabo <strong>de</strong> su vidaútil <strong>de</strong>be hacerse teniendo en cuenta esta información.El estudio <strong>de</strong> la <strong><strong>de</strong>gradación</strong> y los mecanismos <strong>de</strong> fallo están a menudo basados en experimentos <strong>de</strong> <strong><strong>de</strong>gradación</strong>acelerados. Estas pruebas han sido muy útiles para reproducir y cuantificar los efectos <strong>de</strong>l fallo. Sin embargo, hayalgunos mecanismos <strong>de</strong> <strong><strong>de</strong>gradación</strong> que se producen a sol real que no son i<strong>de</strong>ntificados durante los procedimientos <strong>de</strong>prueba acelerados usuales.El presente trabajo <strong>de</strong>scribe los mecanismos <strong>de</strong> <strong><strong>de</strong>gradación</strong> que han sido observados en un instalaciónfotovoltaica <strong>de</strong> <strong>silicio</strong> <strong>cristalino</strong> <strong>de</strong> 2 kWp <strong>de</strong> potencia <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> las <strong>12</strong> años <strong>de</strong> exposición al sol en la terraza <strong>de</strong>llaboratorio <strong>de</strong> sistemas <strong>fotovoltaicos</strong> <strong>de</strong> la universidad <strong>de</strong> Málaga, en el sur <strong>de</strong> España.El generador fotovoltaico objeto <strong>de</strong>l estudio está compuesto <strong>de</strong> 42 <strong>módulos</strong> PV con una potencia nominal <strong>de</strong> 53Wp. Este tipo <strong>de</strong> módulo está constituido por 36 células solares <strong>de</strong> <strong>silicio</strong> <strong>de</strong> mono-<strong>cristalino</strong> tipo-p, <strong>de</strong> 103 mm y unos200 micrómetros <strong>de</strong> grosor, conectadas en serie. Las células son texturadas, tienen una capa antirreflectante <strong>de</strong> TiO x yestán interconectadas mediante cintas <strong>de</strong> cobre. Las células están encapsuladas con acetato <strong>de</strong> etileno-vinilo (EVA)entre un vidrio templado <strong>de</strong> alta transmitancia y una lámina <strong>tras</strong>era compuesta <strong>de</strong> Tedlar® (PVF) y poliéster (PET), conuna configuración <strong>de</strong> PVF/PET/PVF. Cada módulo contiene dos cajas <strong>de</strong> conexiones IP65 protegidas con diodos bypassen serie con 18 células y tiene un marco <strong>de</strong> aluminio anodizado.Los <strong>módulos</strong> fueron adquiridos por la Universidad en 1996. Los <strong>módulos</strong> se montaron en una configuraciónhorizontal sobre una estructura metálica, tal y como pue<strong>de</strong> verse en la figura 1. Los <strong>módulos</strong> están orientados hacia elsuroeste con un acimut <strong>de</strong> 9º y una inclinación <strong>de</strong> 54º sobre la horizontal. La conexión inicial constaba <strong>de</strong> dos ramas enparalelo <strong>de</strong> 21 <strong>módulos</strong> conectados en serie. Esta generador ha sido utilizado para la realización <strong>de</strong> ensayos <strong>de</strong>pequeños inversores <strong>de</strong> conexión a red, por lo que han estado conectados a la red eléctrica durante la mayor parte <strong>de</strong>ltiempo <strong>de</strong> exposición. En una publicación previa (Sidrach-<strong>de</strong>-Cardona y Mora-López 1999) <strong>de</strong>scriben la instalación yel rendimiento durante los primeros dos años <strong>de</strong> operación.Antes <strong>de</strong> la instalación, y como parte <strong>de</strong> las investigaciones <strong>de</strong>l laboratorio, se realizó la caracterización eléctrica<strong>de</strong> los <strong>módulos</strong>, por medio <strong>de</strong> la medida en condiciones <strong>de</strong> Sol real <strong>de</strong> las curvas I-V <strong>de</strong> todos los <strong>módulos</strong>. Estas curvas


IV Conferencia Latino Americana <strong>de</strong> Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano <strong>de</strong> Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, 1 -5.11.2010se <strong>tras</strong>ladaron a condiciones estándar.Figura 1. Vista general <strong>de</strong> la instalaciónLos objetivos específicos <strong>de</strong>l trabajo son: i) i<strong>de</strong>ntificar los <strong>de</strong>fectos más frecuentes que han aparecido en los<strong>módulos</strong> en este tiempo y ii) correlacionarlos con cualquier posible variación en el comportamiento eléctrico <strong>de</strong> los<strong>módulos</strong> y compren<strong>de</strong>r el posible impacto <strong>de</strong> los mismos.Para conseguir estos objetivos se han realizado las siguientes tareas: a) medida <strong>de</strong> las curvas I-V <strong>de</strong> cada módulo ycomparación con las medidas iniciales b) la inspección visual <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong> y c) termografía infrarroja.2 INSPECCIÓN VISUALTras una inspección visual minuciosa <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong>, se <strong>de</strong>tectaron varias clases <strong>de</strong> <strong>de</strong>fectos. Estos <strong>de</strong>fectosfueron agrupados y clasificados <strong>de</strong> acuerdo con la frecuencia <strong>de</strong> aparición. Los <strong>de</strong>fectos más importantes se resumen enla Tabla 1. En esta tabla se incluyen <strong>de</strong>fectos comúnmente observados en los trabajos anteriores <strong>de</strong> Wohlgemuth et al.(2005) y Dunlop et al. (2005).2.1 Suciedad <strong>de</strong>l vidrioTabla 1: Defectos visuales más significativos y porcentaje <strong>de</strong> <strong>módulos</strong> y células afectados.Tipo <strong>de</strong> <strong>de</strong>fecto Módulos afectados (%) Células afectadas (%)Suciedad <strong>de</strong>l vidrio 100 33Patrón lechoso 93 13Oxidación <strong>de</strong> la rejilla frontal 100 100Oxidación <strong>de</strong> la capa AR 100 100Células rotas 60 2,5Puntos calientes 7 0,2Delaminación <strong>de</strong> la lámina <strong>tras</strong>era 7 NADefectos en el marco 5 NADefectos en la caja <strong>de</strong> conexión 100 NADiodos <strong>de</strong> by-pass <strong>de</strong>fectuosos 0 NACorrosión <strong>de</strong>l bus 0 NADecoloración <strong>de</strong>l EVA 0 NANA: No AplicablePor suciedad <strong>de</strong>l vidrio representamos la apariencia borrosa u oscura <strong>de</strong>l vidrio que ocurre típicamente en el bor<strong>de</strong>más bajo <strong>de</strong>l módulo PV y es normalmente irreversible. La simple acumulación <strong>de</strong> suciedad sobre el vidrio no esconsi<strong>de</strong>rada como un <strong>de</strong>fecto visual y su impacto no ha sido analizado en este trabajo, don<strong>de</strong> todos los <strong>módulos</strong> PVfueron limpiados antes <strong>de</strong> la inspección visual y la caracterización eléctrica <strong>de</strong> los mismos.La erosión <strong>de</strong>l vidrio se <strong>de</strong>be <strong>de</strong> acuerdo con lo propuesto por Lombardo et al. (2005) a la <strong>de</strong>posición <strong>de</strong> partículastransportadas por el aire, a la sedimentación <strong>de</strong> <strong>de</strong>pósitos <strong>de</strong> agua <strong>de</strong> lluvia y al lixiviado <strong>de</strong> los mismos o al intercambioiónico entre los álcalis <strong>de</strong>l vidrio y el ion H + iones <strong>de</strong>l agua. El proceso se intensifica en ambientes contaminados ytambién por el uso <strong>de</strong> marcos que pue<strong>de</strong>n conservar una cantidad pequeña <strong>de</strong> agua sobre el bor<strong>de</strong> <strong>de</strong> módulo. Comoresultado <strong>de</strong> todo ello, se produce una pérdida irreversible <strong>de</strong> transmitancia óptica a lo largo <strong>de</strong>l bor<strong>de</strong> inferior <strong>de</strong>lmódulo.


IV Conferencia Latino Americana <strong>de</strong> Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano <strong>de</strong> Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, 1 -5.11.2010En los <strong>módulos</strong> estudiados, el 100% <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong> PV presentaban este efecto en la ca<strong>de</strong>na inferior,correspondiendo a 33% <strong>de</strong>l número total <strong>de</strong> la células. El área <strong>de</strong> las células afectadas varía entre 3% y <strong>12</strong>%, con unvalor medio <strong>de</strong> 8% para el total <strong>de</strong> la instalación. Más a<strong>de</strong>lante se <strong>de</strong>scribe la existencia <strong>de</strong> una correlación entre este<strong>de</strong>fecto visual y el rendimiento eléctrico <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong>.2.2 Delaminación frontalSe observa un dibujo blanco o lechoso en áreas muy pequeñas sobre las células solares, principalmente en lasproximida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> las cintas <strong>de</strong> interconexión y en el perímetro <strong>de</strong> la célula. Este efecto se observa en la casi la totalidad<strong>de</strong> los <strong>módulos</strong>. En algunos casos afecta una única célula sola en el módulo mien<strong>tras</strong> que en otros afecta,aproximadamente, al 50% <strong>de</strong> las células. En total, aproximadamente el 13% <strong>de</strong>l total <strong>de</strong> la células <strong>de</strong> la planta <strong>de</strong> PVpresenta este <strong>de</strong>fecto.Este tipo <strong>de</strong> patrón es atribuible a lo <strong>de</strong>laminación en la interfase <strong>de</strong> la célula-EVA y ha sido observadofrecuentemente en instalaciones fotovoltaicas por otros autores Bernreuter J. et al. (2001), Tsuda I. et al. (2003) y KangG.H. et al. (2005), especialmente en los climas cálidos y húmedos. También pue<strong>de</strong> aparecer <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la <strong><strong>de</strong>gradación</strong>acelerada en las condiciones <strong>de</strong> calor-humedad. El origen <strong>de</strong>l <strong>de</strong>fecto podría ser una reacción química entre la capaantirreflectante <strong>de</strong> la célula (TiO x ) y ciertos aditivos en el encapsulante <strong>de</strong>l módulo, tal y como está <strong>de</strong>scrito en DhereN.G. et al. (2005). Este tipo <strong>de</strong> <strong>de</strong>fecto se encuentra siempre en la misma ubicación <strong>de</strong> las células solares: entre los<strong>de</strong>dos <strong>de</strong> metalización en las proximida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> las cintas <strong>de</strong> interconexión y en el perímetro <strong>de</strong> las células. Sin embargo,no hay ninguna concentración adicional <strong>de</strong> fósforo o sodio en estas áreas. La particular ubicación <strong>de</strong> este <strong>de</strong>fecto estárelacionada con factores geométricos, ya que se han encontrado discontinuida<strong>de</strong>s en el grosor <strong>de</strong>l dispositivo en estasáreas.2.3 Rejilla frontal y oxidación <strong>de</strong> capa antirreflectanteLa pérdida <strong>de</strong> la fuerza <strong>de</strong> adhesión entre la célula y el encapsulante reduce la protección <strong>de</strong> la célula y facilitaoxidación y corrosión la capa antirreflectante (AR) y <strong>de</strong> los metales <strong>de</strong> la célula.Este efecto se observa en todas las células <strong>de</strong> la instalación. Los <strong>de</strong>dos <strong>de</strong> metalización <strong>de</strong> la rejilla frontal y elTiO x <strong>de</strong> la capa AR presentan un cambio <strong>de</strong> color hacia el negro, indicando la oxidación. El <strong>de</strong>fecto empieza en elcentro <strong>de</strong> la célula y se extien<strong>de</strong> hacia los bor<strong>de</strong>s, creando un cuadrado oscuro en medio <strong>de</strong> cada célula. Es probable quese produzca una acumulación <strong>de</strong> humedad en las áreas <strong>de</strong>laminadas. Como el EVA es un copolímero amorfo, ladifusividad <strong>de</strong>l oxígeno y <strong>de</strong>l vapor <strong>de</strong> agua es alta por lo que la oxidación pue<strong>de</strong> exten<strong>de</strong>rse a o<strong>tras</strong> áreas rápidamente.A<strong>de</strong>más, se sabe que el ácido acético que resulta <strong>de</strong> la hidrólisis <strong>de</strong>l EVA acelera la corrosión <strong>de</strong> los metales.2.4 Roturas en la célulaUno pequeño porcentaje <strong>de</strong> células presentan rajas visibles, que en ningún caso <strong>de</strong>sconectan alguna parte <strong>de</strong> lacélula <strong>de</strong>l circuito principal. Estas rajas podrían haberse formado por estrés mecánico o térmico sobre las célulasdurante el período <strong>de</strong> exposición.2.5 Delaminación <strong>de</strong> la lámina <strong>tras</strong>eraSe ha observado este <strong>de</strong>fecto en 3 <strong>de</strong> los 42 <strong>módulos</strong>. Esta <strong>de</strong>laminación ocurre en la interfase entre el PVFexterior y el PET, y entre el PET y el PVF interior. El PVF interior está bien pegado al EVA, lo que <strong>de</strong>muestra unproblema <strong>de</strong> estabilidad <strong>de</strong>l utilizado por el proveedor <strong>de</strong> la lámina <strong>tras</strong>era.2.6 Marco y <strong>de</strong>fectos <strong>de</strong> la caja <strong>de</strong> conexiónLa mayoría <strong>de</strong> los marcos <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong> están en las condiciones excelentes, aunque <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong> presentanuna corrosión galvánica leve en un esquina <strong>de</strong> la unión. En el momento <strong>de</strong> las observaciones esto no tiene ningún efectosobre estabilidad mecánica <strong>de</strong>l módulo.Las 84 cajas <strong>de</strong> conexión <strong>de</strong> la instalación (2 por el módulo) muestran un correcto funcionamiento. Las cajas estánbien fijadas a la lámina <strong>tras</strong>era con la silicona en las buenas condiciones. Todos los diodos <strong>de</strong> by-pass estánfuncionando. Sin embargo, se ha observado que el 100 % <strong>de</strong> las cajas presentan un <strong>de</strong>sprendimiento <strong>de</strong> la tarjeta <strong>de</strong>conexión interna <strong>de</strong> la lámina <strong>tras</strong>era. Esto quiere <strong>de</strong>cir que tirones <strong>de</strong> los cables <strong>de</strong> conexión se transfieren directamentea los terminales <strong>de</strong>l módulo; lo que podría causar daños o abrir circuitos si no se tiene especial cuidado cuando semanejan los <strong>módulos</strong>.2.7 Puntos calientes


IV Conferencia Latino Americana <strong>de</strong> Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano <strong>de</strong> Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, 1 -5.11.2010Tres células solares <strong>de</strong> la instalación, <strong>de</strong> tres <strong>módulos</strong> diferentes, han estado afectadas por puntos calientes,causando la rotura <strong>de</strong> la célula y el quemado <strong>de</strong> la lámina <strong>tras</strong>era. Este es un fenómeno bien conocido causado porsombras, suciedad localizada o graves <strong>de</strong>sigualda<strong>de</strong>s en las ca<strong>de</strong>nas <strong>de</strong>l módulo PV. La ca<strong>de</strong>na con una corriente <strong>de</strong>cortocircuito reducida es forzada a trabajar con la polaridad invertida, consumiendo la energía eléctrica generada por laso<strong>tras</strong> ca<strong>de</strong>nas, pudiendo alcanzar temperaturas muy elevadas. Se ha realizado un análisis infrarrojo <strong>de</strong> la instalación <strong>de</strong>PV para investigar el posible origen posible <strong>de</strong> los puntos calientes.3. ANÁLISIS INFRARROJOEl sistema fue analizado con una cámara infrarroja Flir ThermaCam S65 <strong>de</strong> 320x240 pixeles. Los <strong>módulos</strong> seconectaron a la red eléctrica durante las medidas y fueron llevados a su punto <strong>de</strong> máxima potencia.Las imágenes se tomaron <strong>de</strong> la parte frontal <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong> cuando la estructura no nos <strong>de</strong>jó el espacio suficientepara hacerlo por la parte <strong>tras</strong>era. Se tuvo especial cuidado en no incluir reflexiones <strong>de</strong> los objetos cercanos.Uno <strong>de</strong> los hallazgos más importantes <strong>de</strong>l análisis infrarrojo es el hecho <strong>de</strong> que todas células solares situadas sobrelas cajas <strong>de</strong> conexión estaban a una temperatura 3ºC superior al resto <strong>de</strong> las células. En esas células, la <strong><strong>de</strong>gradación</strong>térmica podría ocurrir a una velocidad más alta. Se ha observado en algunos <strong>módulos</strong> <strong>de</strong>sigualda<strong>de</strong>s en las temperaturas<strong>de</strong> las células <strong>de</strong> cada una <strong>de</strong> las ca<strong>de</strong>nas. Desafortunadamente, no es posible concluir si este <strong>de</strong>fecto es atribuible a la<strong><strong>de</strong>gradación</strong> o ya estaba presente al principio <strong>de</strong>l período <strong>de</strong> exposición. Los <strong>módulos</strong> con daños <strong>de</strong> puntos calientesvisibles no muestran picos relevantes <strong>de</strong> temperatura en las imágenes infrarrojas.4. PARÁMETROS ELÉCTRICOSSe han medido las curvas I-V <strong>de</strong> todos y cada uno <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong> y se han comparado con las medidas inicialmente conobjeto <strong>de</strong> analizar la variación <strong>de</strong> los parámetros.4.1 Dispositivo experimentalTodas las curvas I-V se han medido con los <strong>módulos</strong> expuestos a sol real en la terraza <strong>de</strong>l Laboratorio Fotovoltaico <strong>de</strong> laUniversidad <strong>de</strong> Málaga, siguiendo las recomendaciones <strong>de</strong>l estándar IEC 60904 (2006).Las medidas se han realizado empleando instrumentos comerciales controlados por un or<strong>de</strong>nador que usa el protocolo<strong>de</strong> GPIB. Los <strong>módulos</strong> se han medido con una configuración <strong>de</strong> cuatro hilos, usando una fuente <strong>de</strong> energía <strong>de</strong> energía<strong>de</strong> cuatro cuadrantes para cambiar el voltaje. Se han usado multímetros digitales para adquirir las señales <strong>de</strong> tensión ycorriente y se han medido todas las variables meteorológicas antes y <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la adquisición <strong>de</strong> cada curva. Tambiénse ha registrado la temperatura <strong>de</strong> cada módulo usando sensores térmicos RTD Pt100 con un acoplamiento térmicoapropiado en la parte posterior <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong>. Asimismo, se ha medido la irradiancia global con un piranómetro Kipp& Zonen CMP21 <strong>de</strong>bidamente calibrado.Para minimizar los errores <strong>de</strong> cada medida y los <strong>de</strong> conversión a condiciones estándar, se han impuesto las siguientescondiciones: las medidas se han tomado en un intervalo <strong>de</strong> una hora alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong>l mediodía solar; la irradiancia globalen el plano <strong>de</strong> paneles es mayor que 800 W/m 2 ; variación máxima <strong>de</strong> la irradiancia durante el tiempo <strong>de</strong> la mediciónmenor que el 1%; variación máxima <strong>de</strong> la temperatura <strong>de</strong> módulo durante el tiempo <strong>de</strong> la medida menor que 1ºC; yvelocidad <strong>de</strong>l viento menor que 1 m/s. A<strong>de</strong>más, ambos conjuntos <strong>de</strong> medidas fueron realizados durante el mes <strong>de</strong> junio,en 1996 y 2008 respectivamente, para que las diferencias espectrales <strong>de</strong> la luz solar puedan ser minimizadas.Hay que <strong>de</strong>stacar que las medidas iniciales fueron llevadas a cabo directamente a la llegada <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong>, por lo quela posible <strong><strong>de</strong>gradación</strong> inicial <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong> inducida por la luz está incluida en el valor total <strong>de</strong> las pérdidas.4.2 Resultados y análisisLas curvas fueron <strong>tras</strong>ladadas a condiciones estándar usuales (STC) siguiendo el procedimiento <strong>de</strong>scrito enIEC891 (2009), con los parámetros <strong>de</strong> <strong>tras</strong>lación dados por el fabricante.Las curvas <strong>tras</strong>ladadas fueron ajustadas al mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong> un diodo, con el factor <strong>de</strong> i<strong>de</strong>alidad como variable, usando elsoftware IVFIT, Burgers A.R. et al. (1996) proporcionado por el Centro <strong>de</strong> Investigación <strong>de</strong> la Energía <strong>de</strong>l Países Bajos(ECN). Esto nos permite calcular los valores <strong>de</strong> la resistencia serie (R s ) y paralelo (R sh ) <strong>de</strong> cada módulo antes y <strong>de</strong>spués<strong>de</strong> la <strong><strong>de</strong>gradación</strong>, así como sus parámetros característicos: corriente <strong>de</strong> corto circuito (I sc ), tensión en circuito abierto(V oc ), factor <strong>de</strong> relleno (FF) y corriente <strong>de</strong>l punto <strong>de</strong> máxima potencia (I m ), tensión <strong>de</strong> dicho punto (V m ) y la potenciaeléctrica (P m ).Se ha realizado un análisis estadístico <strong>de</strong> los parámetros característicos antes y <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la <strong><strong>de</strong>gradación</strong>. Se haobservado que los datos se ajustan bien a una distribución normal.En la Tabla 2 se muestran la media y la <strong>de</strong>sviación típica <strong>de</strong> cada parámetro característico <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong> antes y<strong>de</strong>spués <strong>de</strong>l período <strong>de</strong> exposición <strong>de</strong> <strong>12</strong> años. Pue<strong>de</strong> observarse en dicha tabla que la potencia-pico total <strong>de</strong> lainstalación se ha reducido un 11,6% en los <strong>12</strong> años. Esto se <strong>de</strong>be, principalmente, a una caída <strong>de</strong>l 9,2% en la corriente<strong>de</strong> cortocircuito. En media, el FF y la tensión en circuito abierto presenta muy poca variación.


IV Conferencia Latino Americana <strong>de</strong> Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano <strong>de</strong> Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, 1 -5.11.2010Tabla 2: Parámetros característicos <strong>de</strong> la instalación PV en condiciones estándarantes y <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> <strong>12</strong> años <strong>de</strong> exposiciónMedidas iniciales Medidas finales VariaciónMedia Desviación Media Desviaciónestándarestándar (%)Isc (A) 3,<strong>12</strong> 0,04 2,83 0,04 -9,2Voc (V) 21,5 0,2 21,1 0,2 -1,8Im (A) 2,77 0,04 2,49 0,04 -10,1Vm (V) 17,3 0,2 17,0 0,2 -1,7Pm (W) 48,0 1,0 42,5 0,8 -11,6FF (%) 71,5 0,8 71,0 1,5 -0,7Rs (!) 0,35 0,10 0,34 0,<strong>12</strong> -4Rsh (!) 130 47 137 40 5La <strong><strong>de</strong>gradación</strong> anual <strong>de</strong> la potencia-pico es <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong>l 1%. Sin embargo, si tenemos en cuenta que las medidasiniciales <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong> se realizaron sin condicionantes, es probable que una <strong><strong>de</strong>gradación</strong> inicial típica <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong>3% tuvo lugar durante las primeras horas <strong>de</strong> la exposición a la luz <strong>de</strong> acuerdo con el trabajo <strong>de</strong> Chianese D. et al.(2003). Esto <strong>de</strong>ja una pérdida 0.7% adicional por año durante los <strong>12</strong> años <strong>de</strong> exposición, lo que está en la concordanciacon conclusiones previamente <strong>de</strong>scritas por otros autores, King D.L. et al. (2000), Reis A.M. et al. (2002), Osterwald C.R. et al. (2006) y Skoczek A. Et al. (2009).En la Figura 2 se muestran las diferencias en cada uno <strong>de</strong> los parámetros característicos para los 42 <strong>módulos</strong> <strong>de</strong> lainstalación. Despreciando los efectos <strong>de</strong> segundo or<strong>de</strong>n, la variación en la potencia máxima es la suma <strong>de</strong> la variaciónen la corriente <strong>de</strong> cortocircuito, la tensión en circuito abierto y el factor <strong>de</strong> llenado. Como pue<strong>de</strong> apreciarse en dichafigura, la mayor parte <strong>de</strong> las pérdidas se <strong>de</strong>be a la caída <strong>de</strong> la corriente <strong>de</strong> cortocircuito.Figura 2- Variación <strong>de</strong> los parámetros característicos <strong>de</strong> cada módulo fotovoltaico <strong>de</strong> la instalación.Las figuras 3, 4, 5 y 6 muestran las distribuciones en frecuencia <strong>de</strong> los principales parámetros eléctricoscaracterísticos antes y <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> la <strong><strong>de</strong>gradación</strong> con las correspondientes distribuciones gaussianas. Es <strong>de</strong>stacable quelas <strong>de</strong>sviaciones típicas <strong>de</strong> la potencia máxima, <strong>de</strong> la corriente <strong>de</strong> cortocircuito y las resistencias serie y paralelo nocambian significativamente entre las medidas iniciales y finales, encontrándose <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> ±15% <strong>de</strong> los valores iniciales.Esto es contrario a nues<strong>tras</strong> expectativas, ya que hay pruebas, Vazquez M. et al. (2008) que la <strong>de</strong>sviación típica <strong>de</strong> lapotencia máxima generalmente se incrementa con tiempo.Una posible explicación está en las mejoras realizadas en el dispositivo experimental <strong>de</strong> medida en estos años.Esto también explicaría la reducción <strong>de</strong> 30% <strong>de</strong> la <strong>de</strong>sviación típica <strong>de</strong> la tensión en circuito abierto. Con el nuevosistema experimental, el tiempo <strong>de</strong> barrido es muy reducido, lo que minimiza las variaciones en la temperatura <strong>de</strong>módulo durante las medidas.


IV Conferencia Latino Americana <strong>de</strong> Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano <strong>de</strong> Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, 1 -5.11.2010Figura 3- Distribución normal <strong>de</strong>l I sc al inicio y al final <strong>de</strong>l período <strong>de</strong> <strong><strong>de</strong>gradación</strong>. Las curvas N_Inicial y N_Finalmuestran las correspondientes distribuciones gaussianas.Figura 4- Distribución normal <strong>de</strong>l V oc al inicio y al final <strong>de</strong>l período <strong>de</strong> <strong><strong>de</strong>gradación</strong>. Las curvas N_Inicial y N_Finalmuestran las correspondientes distribuciones gaussianas.Figura 5- Distribución normal <strong>de</strong>l P mp al inicio y al final <strong>de</strong>l período <strong>de</strong> <strong><strong>de</strong>gradación</strong>. Las curvas N_Inicial y N_Finalmuestran las correspondientes distribuciones gaussianas.


IV Conferencia Latino Americana <strong>de</strong> Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano <strong>de</strong> Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, 1 -5.11.2010Figura 6- Distribución normal <strong>de</strong>l FF al inicio y al final <strong>de</strong>l período <strong>de</strong> <strong><strong>de</strong>gradación</strong>. Las curvas N_Inicial y N_Finalmuestran las correspondientes distribuciones gaussianas.5. CORRELACIÓN ENTRE LOS DEFECTOS VISUALES Y LAS MEDIDASEl factor <strong>de</strong> llenado y los valores medios <strong>de</strong> las resistencias características no han cambiado significativamente alo largo <strong>de</strong> los <strong>12</strong> años <strong>de</strong> exposición <strong>de</strong> la instalación. Esto indica que la oxidación <strong>de</strong> la rejilla <strong>de</strong> metalizaciónobservada en la inspección visual no tiene, <strong>de</strong> momento, impacto en el rendimiento <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong> PV.Para investigar el impacto <strong>de</strong> la suciedad <strong>de</strong>l vidrio sobre el rendimiento eléctrico a<strong>de</strong>más, se preparó una muestraretirando fragmentos <strong>de</strong> la lámina <strong>tras</strong>era en áreas afectadas y no afectadas por la suciedad <strong>de</strong>l vidrio. Se ha medido latransmitancia óptica usando un espectrorradiómetro Avaspec 2048 SPU2 que mi<strong>de</strong> en el 300-1100 nm. Se constata unapérdida <strong>de</strong> transmitancia en el bor<strong>de</strong> sucio <strong>de</strong>l 10%. Teniendo en cuenta el porcentaje <strong>de</strong> área afectada por la suciedad,esto representa a una pérdida <strong>de</strong>, aproximadamente, 1-2 % en la corriente <strong>de</strong> cortocircuito <strong>de</strong> las ca<strong>de</strong>nas afectadas.Esto se ha confirmado midiendo las curvas I-V <strong>de</strong> ca<strong>de</strong>nas in<strong>de</strong>pendientes en una selección <strong>de</strong> <strong>módulos</strong>. Se haencontrado una caída <strong>de</strong>l 2 % en la corriente <strong>de</strong> cortocircuito en las ca<strong>de</strong>nas <strong>de</strong>l bor<strong>de</strong> inferior con respecto a las <strong>de</strong>lbor<strong>de</strong> superior. Esto se traduce en una pérdida menor que el 0,3% en la potencia máxima con respecto a la ca<strong>de</strong>na quepresenta la mejor potencia máxima. Por ello, llegamos a la conclusión <strong>de</strong> que el la suciedad <strong>de</strong>l vidrio tiene un impactomenor sobre el rendimiento <strong>de</strong> la instalación en el momento <strong>de</strong> la realización <strong>de</strong>l presente estudio.La principal pérdida principal en el rendimiento <strong>de</strong>l sistema correspon<strong>de</strong> a la corriente <strong>de</strong> cortocircuito <strong>de</strong> los<strong>módulos</strong>, con una caída media <strong>de</strong>l 9,2%. Esta pérdida <strong>de</strong> la corriente <strong>de</strong> cortocircuito podía estar parcialmenterelacionada con la pérdida <strong>de</strong>l acoplamiento óptico en la interfase <strong>de</strong> célula-encapsulante originada por <strong>de</strong>laminaciónfrontal. Las áreas afectadas por este <strong>de</strong>fecto, sin embargo, correspon<strong>de</strong>n a unos porcentajes muy pequeños <strong>de</strong> lascélulas, lo que indica que este efecto no pue<strong>de</strong> por sí solo explicar la pérdida total en la corriente <strong>de</strong> cortocircuito. Comono se ha observado amarilleamiento en el encapsulante y la acción <strong>de</strong> la intemperie sobre vidrio tiene solamente unpapel menor, creemos que la pérdida <strong>de</strong> la corriente <strong>de</strong> cortocircuito pue<strong>de</strong> ser <strong>de</strong>bido a i) la <strong>de</strong>laminación frontal, ii) la<strong><strong>de</strong>gradación</strong> <strong>de</strong> la capa AR y la iii) una <strong><strong>de</strong>gradación</strong> inherente <strong>de</strong> la unión p-n, relacionado con el proceso <strong>de</strong> fabricación<strong>de</strong> las células, que ha sido <strong>de</strong>scrito en trabajos realizados por Osterwald et al. (2002, 2005) en NREL.6. CONCLUSIONESSe ha realizado un análisis <strong>de</strong> los mecanismos <strong>de</strong> <strong><strong>de</strong>gradación</strong> en una instalación fotovoltaica <strong>de</strong> 2 kWp <strong>de</strong> <strong>silicio</strong><strong>cristalino</strong> <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> <strong>12</strong> años <strong>de</strong> funcionamiento. Los principales <strong>de</strong>fectos visuales encontrados en la casi totalidad <strong>de</strong>los <strong>módulos</strong> son: suciedad irreversible <strong>de</strong>l vidrio en el bor<strong>de</strong> inferior <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong>; oxidación <strong>de</strong> la rejilla <strong>de</strong>metalización y la capa AR <strong>de</strong> las células y <strong>de</strong>laminación localizada en la interfase <strong>de</strong> célula-encapsulante. Unosporcentajes pequeños <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong> también presentan <strong>de</strong>laminación en la lámina <strong>tras</strong>era en las interfases <strong>de</strong>PVF/PET, y la formación <strong>de</strong> puntos calientes con el agrietamiento <strong>de</strong> la célula y el quemado <strong>de</strong> la lámina <strong>tras</strong>era.Se ha analizado el rendimiento <strong>de</strong> la instalación midiendo las curvas <strong>de</strong> I-V <strong>de</strong> los 42 <strong>módulos</strong> <strong>fotovoltaicos</strong> antesy <strong>de</strong>spués <strong>de</strong>l período <strong>de</strong> exposición. La pérdida <strong>de</strong> la potencia pico <strong>de</strong> la instalación ha sido <strong>de</strong>l 11,6%. Estas pérdidasincluyen la <strong><strong>de</strong>gradación</strong> inicial inducida por la luz, ya que las medidas iniciales se realizaron a la llegada <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong>al laboratorio. Por término medio, los <strong>módulos</strong> han <strong>de</strong>gradado, aproximadamente, un 1 % anual.Se ha realizado un análisis <strong>de</strong> las pérdidas en cada parámetro eléctrico característico <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong>. Las pérdidasen la potencia máxima se <strong>de</strong>ben, casi en su totalidad, a las pérdidas en la corriente <strong>de</strong> cortocircuito.Pue<strong>de</strong> concluirse que la acción <strong>de</strong> la intemperie sobre el vidrio no tiene un impacto gran<strong>de</strong> sobre el rendimiento <strong>de</strong>los <strong>módulos</strong>. Asimismo, la oxidación <strong>de</strong> la rejilla <strong>de</strong> metalización no parece tener impacto sobre el rendimiento, ya queno se ha observado incrementos significativos <strong>de</strong> la resistencia <strong>de</strong> serie o pérdidas en el FF.


IV Conferencia Latino Americana <strong>de</strong> Energía Solar (IV ISES_CLA) y XVII Simposio Peruano <strong>de</strong> Energía Solar (XVII- SPES), Cusco, 1 -5.11.2010Los puntos calientes son un efecto aislado causado, probablemente, por sombras externas a la instalación. Elimpacto sobre el rendimiento eléctrico <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong> tampoco es importante.Los <strong>de</strong>fectos i<strong>de</strong>ntificados como más relevantes en la instalación son la pérdida <strong>de</strong> fuerza <strong>de</strong> adherencia en lainterfase <strong>de</strong> célula-encapsulante y la <strong><strong>de</strong>gradación</strong> <strong>de</strong> la capa AR. Ellos explican parcialmente la pérdida en la corriente<strong>de</strong> cortocircuito <strong>de</strong> los <strong>módulos</strong>.Es <strong>de</strong>stacable que a pesar <strong>de</strong> los <strong>de</strong>fectos visuales observados en los <strong>módulos</strong> <strong>fotovoltaicos</strong>, el rendimientoeléctrico <strong>de</strong> la instalación es bueno y <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la garantía ofrecida por el fabricante.Agra<strong>de</strong>cimientosEste trabajo ha estado parcialmente financiado por el Ministerio español <strong>de</strong> Ciencia e Innovación (proyectoENE07-67248) y por la Junta <strong>de</strong> Andalucía (proyecto P07 RNM-02504).También agra<strong>de</strong>cemos las valiosas contribuciones <strong>de</strong> Fermín Ropero y Blanca Lalaguna.REFERENCIASBernreuter J, Schmela M. 2001. Blue turns milky white. Photon International: 16-18.Burgers AR, Eikelboom JA, Schoenecker A, Sinke WC. 1996. 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