Puntos calientes en paneles solares: por qué importa la temperatura

Respuesta rápida: Un punto caliente se forma cuando una célula de un módulo se ve forzada a polarización inversa por sombreado, desajuste o una grieta, y disipa como calor la potencia que está produciendo el resto de la cadena. La temperatura que alcanza es lo que decide si se trata de una molestia o de una reclamación de garantía: el calor concentrado en una célula puede ascender hacia los 160 °C mientras el módulo circundante se mantiene cerca de los 90 °C. El calor ataca entonces los materiales en un orden fijo: primero el encapsulante, después la lámina posterior y luego el vidrio y las uniones de interconexión. Los diodos de derivación existen para limitar esto dando a la corriente una trayectoria de baja resistencia alrededor del grupo de células afectado, y por eso el fallo del diodo es el verdadero peligro: una célula sombreada es recuperable, un módulo con un diodo de derivación averiado no lo es. Lo que importa en la práctica es si el diodo conduce antes de que la temperatura de la célula alcance el umbral de daño.

El sombreado parcial es inevitable en instalaciones reales. Lo que decide si se convierte en una reclamación de garantía no es el sombreado en sí, sino la temperatura que produce dentro de una célula y cuánto tiempo se pide a los materiales del módulo que la soporten.

Fiabilidad de módulos fotovoltaicos · Puntos calientes y seguridad · por Jerry, Ooitech

1. Qué es un punto caliente, en un párrafo

Las células de un módulo están conectadas en serie, por lo que la misma corriente tiene que pasar por todas ellas. Cuando una célula se sombrea, su propia fotocorriente disminuye, pero la cadena sigue empujando corriente a través de ella. La célula sombreada se ve forzada a polarización inversa y deja de generar: se convierte en una carga. La potencia que disipa es aproximadamente la tensión inversa que cae en ella multiplicada por la corriente de desajuste que la atraviesa.

Como esa potencia se concentra en una sola célula en lugar de repartirse por el módulo, la temperatura local aumenta. Ese aumento local es el punto caliente, y es un problema de materiales antes que eléctrico.

Fig. 1: Curvas I-V normalizadas para células PERC, HJT e IBC bajo sombreado parcial. Las curvas divergen bruscamente una vez que la célula sombreada se ve forzada a polarización inversa, que es la región donde se decide la potencia disipada — y, por tanto, la temperatura del punto caliente.

2. La temperatura es el margen de diseño

Dos módulos pueden perder la misma cantidad de potencia bajo la misma sombra y soportar riesgos muy distintos, porque el daño lo causa la temperatura, no los vatios. Una célula sombreada que disipa su potencia de desajuste a 90 °C es una condición manejable. Esa misma célula a 160 °C está acelerando todos los materiales que la rodean.

Estas cifras son indicativas, no garantías. La temperatura real del punto caliente depende del área sombreada, la temperatura ambiente, la velocidad del viento, el encapsulado del módulo, el tamaño del vidrio, el diseño de la célula y el método de ensayo utilizado. Lo que importa de la tabla es la dirección de la tendencia, no las cifras exactas: una temperatura más baja es un margen de seguridad mayor, y un margen de seguridad mayor es lo que separa una molestia de un fallo.

3. Qué daña realmente el calor

Un punto caliente es un evento térmico localizado, y cada material del apilamiento tiene su propia vulnerabilidad.

Lea la tabla como una lista de exposiciones de garantía más que como una lección de física. El envejecimiento del encapsulante y la degradación de la lámina posterior se manifiestan como pérdida de potencia años después. La rotura del vidrio se manifiesta de inmediato. La fatiga de las soldaduras se manifiesta como un aumento gradual de la resistencia en serie. Ninguno de ellos se repara eliminando la sombra después.

4. Por qué la arquitectura de la célula cambia la temperatura

La razón por la que dos células pueden estar a temperaturas muy distintas bajo un sombreado idéntico se reduce a cómo se distribuye su corriente inversa.

En una célula convencional, la ruptura inversa tiende a concentrarse en puntos débiles locales: sitios con defectos, bordes de la célula, irregularidades en la metalización, microfisuras, áreas contaminadas o regiones con pasivación más débil. Concentrar la misma potencia en un área pequeña produce una alta densidad de potencia local, y la temperatura sube rápidamente. La analogía es calentar una placa de metal frente a calentar la punta de una aguja con la misma energía: la punta se calienta más.

Fig. 2: Sección transversal de una célula de contacto posterior, con el espacio entre regiones de polaridad opuesta marcado. Ese espacio, y la densidad de regiones p y n intercaladas en la parte trasera, determinan con qué uniformidad puede distribuirse la corriente inversa y, por lo tanto, cuán baja se mantiene la temperatura local.

Una célula de contacto posterior invierte eso. Su parte trasera contiene un gran número de regiones p y n intercaladas, lo que desde el punto de vista de circuito se comporta menos como un gran diodo y más como muchos diodos pequeños en paralelo. Cuando la célula se lleva a polarización inversa, la conducción puede distribuirse a través de muchas de esas uniones distribuidas en lugar de concentrarse en un único punto débil. La densidad de potencia local disminuye, y la temperatura también.

El segundo factor es la propia tensión de ruptura inversa. Dado que la potencia disipada escala con la tensión inversa, una estructura que limita la tensión inversa a un nivel más bajo disipa menos. Esto es inusual en el sentido de que una tensión de ruptura baja, normalmente una debilidad, se convierte en un mecanismo de protección bajo sombreado. El razonamiento eléctrico completo, incluida la corriente de desajuste y las condiciones de activación del diodo de derivación, se expone en por qué las células solares BC soportan mejor el sombreado.

Aquí es importante una aclaración, porque se malinterpreta ampliamente: un mejor comportamiento frente a puntos calientes no es lo mismo que inmunidad al sombreado. Toda célula pierde rendimiento cuando se sombrea. Si el área sombreada en una subcadena se vuelve lo suficientemente grande, o varias células quedan completamente sombreadas, el diodo de derivación externo se activará y derivará toda la subcadena — incluidas las células no sombreadas que contiene. Bajo sombreado intenso, la ventaja desaparece en gran medida. Lo que la arquitectura BC aporta es un mejor comportamiento en el sombreado parcial y localizado que realmente producen las azoteas reales.

Fig. 3: Caja de conexiones abierta para mostrar sus diodos de derivación. Estos son dispositivos pasivos: solo conducen cuando la tensión de la subcadena a través de ellos se vuelve suficientemente negativa. Son la última línea de defensa, y solo se activan una vez que el comportamiento a nivel de célula ya ha fallado en mantener la tensión baja.

5. Dónde es mayor el riesgo de puntos calientes

Los puntos calientes son función del sombreado, y el sombreado es función de la instalación. Algunas configuraciones producen sombreado parcial como condición habitual en lugar de como evento ocasional.

Por esto el rendimiento frente a puntos calientes importa más en la generación distribuida de lo que sugiere la cifra de eficiencia destacada. Un módulo en campo abierto pasa la mayor parte de su vida bajo irradiancia uniforme. Un módulo en un tejado doméstico puede estar parcialmente sombreado cada tarde durante años.

6. Reducir el riesgo en la práctica

Cinco medidas, aproximadamente en orden de cuánto control tiene usted sobre ellas.

• Seleccione la arquitectura de célula para la aplicación, no solo por eficiencia. Cuando el sombreado parcial es una condición de diseño y no una excepción, la capacidad de mantener una temperatura de punto caliente más baja es un elemento de especificación por derecho propio.
• Verifique la configuración del diodo de derivación. Más subcadenas significan secciones derivadas más pequeñas cuando se activa un diodo, pero también significan más diodos y más conexiones. La disposición de la caja de conexiones del módulo es parte del comportamiento frente a puntos calientes, como se describe en nuestra página de cajas de conexiones solares.
• Diseñe la disposición en torno a las sombras fijas. Las chimeneas, los postes, los petos y los equipos de HVAC proyectan sombras predecibles. Posicionar las cadenas para reducir el número de subcadenas afectadas es más barato que cualquier mejora de módulo.
• Mantenga limpio el arreglo. Los excrementos de aves, las hojas, las acumulaciones de nieve y las bandas de suciedad son eventos de sombreado de área pequeña y alta consecuencia. Un solo excremento sobre una célula es exactamente la condición que produce la peor temperatura local.
• Inspeccione térmicamente. Los puntos calientes son visibles en infrarrojo mucho antes de que sean visibles a simple vista. El método se cubre en termografía para paneles solares.

Preguntas frecuentes

¿Qué es un punto caliente en un panel solar?

Es una región localizada de alta temperatura en una célula causada por sombreado parcial. La célula sombreada es forzada a polarización inversa por el resto de la cadena en serie, deja de generar y en su lugar disipa potencia, lo que eleva su temperatura por encima de las células circundantes.

¿Cuánto puede calentarse un punto caliente en un panel solar?

Varía ampliamente según el área sombreada, la temperatura ambiente, la velocidad del viento, la encapsulación y el diseño de la célula. Las cifras reportadas van desde alrededor de 90 °C para arquitecturas con conducción inversa bien distribuida, hasta 160 °C y más para células donde la ruptura inversa se concentra en puntos débiles locales. La dirección importa más que cualquier cifra individual.

¿Un punto caliente daña permanentemente un módulo?

Puede hacerlo. La temperatura elevada sostenida acelera el envejecimiento del encapsulante y la degradación del backsheet, fatiga las uniones soldadas, tensiona el vidrio y puede dañar permanentemente la unión de la célula afectada. Debido a que el daño se acumula, los eventos de sombreado repetidos son más consecuentes que un solo evento.

¿Son los módulos BC inmunes al sombreado?

No. Cada célula pierde rendimiento cuando se sombrea, y bajo un sombreado intenso el diodo de derivación externo se activa y deriva toda la subcadena independientemente de la arquitectura de la célula. Lo que mejora la arquitectura BC es el comportamiento bajo sombreado parcial y localizado: menor tensión inversa, corriente inversa más uniformemente distribuida y, por tanto, una temperatura de punto caliente más baja.

¿Cuándo entra en acción el diodo de derivación?

Cuando la tensión inversa total a través de las células sombreadas de una subcadena supera la tensión directa combinada de las células no sombreadas restantes más la propia caída directa del diodo. Hasta ese punto, el módulo depende del propio comportamiento inverso de las células. Una vez que el diodo conduce, toda la subcadena — tanto las células sombreadas como las no sombreadas — queda derivada y deja de contribuir.

¿Cómo sé si mi instalación tiene puntos calientes?

La inspección por infrarrojos es el método práctico. Un punto caliente aparece como una zona cálida diferenciada frente a las células circundantes mucho antes de que produzca cualquier daño visible. Los estudios térmicos periódicos bajo carga, combinados con una revisión de la curva I-V en busca de un aumento inesperado de la resistencia en serie, detectan la mayoría de los problemas en desarrollo.

¿Qué es más importante, la temperatura de punto caliente o la eficiencia del módulo?

No son alternativas, y la respuesta correcta depende de la instalación. En un campo abierto con irradiancia uniforme, domina la eficiencia. En un tejado doméstico sombreado o en una instalación de balcón con espacio limitado, un módulo que mantiene una temperatura de punto caliente más baja normalmente tendrá un mejor resultado de vida útil y una menor exposición de garantía que uno que simplemente tiene la mayor potencia nominal.

Reflexiones finales

El sombreado no se puede eliminar por diseño en la mayoría de las instalaciones distribuidas, así que la pregunta práctica no es si un módulo experimentará sombreado parcial, sino cómo se comporta cuando lo hace. La temperatura de punto caliente es la variable que determina si esa experiencia te cuesta algo de generación o te cuesta el módulo, porque la temperatura es lo que envejece el encapsulante, degrada el backsheet, tensiona el vidrio y fatiga las interconexiones. Cuando especifiques módulos para un tejado con obstrucciones fijas, trata el comportamiento de punto caliente como una especificación de rendimiento y seguridad, no como una nota a pie de página de la ficha técnica. Si estás planificando una línea para módulos destinados a aplicaciones distribuidas sombreadas, indícanos el mercado objetivo y el formato del módulo y analizaremos qué debería cubrir la especificación de la célula y la caja de conexiones.