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Por qué el vidrio de los paneles solares es texturizado, no liso
Índice
Respuesta rápida: El vidrio del módulo solar está texturizado en lugar de ser liso porque una superficie de vidrio plana refleja demasiada luz. Una interfaz pulida vidrio-aire refleja alrededor del 4% de la luz incidente en cada superficie, y un módulo tiene dos, por lo que una cubierta frontal sin tratar rechazaría una parte significativa de la luz antes de que llegara a una célula. La textura está grabada en el vidrio como un patrón de pequeñas características que redirige la luz reflejada de vuelta hacia el módulo en lugar de fuera de él. Esto funciona junto con el recubrimiento antirreflectante de la célula y el índice de refracción del encapsulante, por lo que los tres se especifican como un conjunto y no de forma independiente. La textura también tiene un beneficio secundario en la apariencia óptica: difumina los reflejos para que el módulo se lea como una superficie uniforme en lugar de un espejo, lo cual es importante para instalaciones en tejados donde el deslumbramiento es una queja.
Observe de cerca la parte frontal de un módulo solar y el vidrio no es la lámina lisa que encuentra en una ventana. Está cubierto de fosas irregulares. La mayoría de la gente asume que esto es un defecto de fabricación. Es una de las superficies más cuidadosamente diseñadas de todo el módulo.
Materiales fotovoltaicos · Vidrio de módulo · por Jerry, Ooitech
1. Una superficie diseñada, no un defecto
Fig. 1: El vidrio frontal de un módulo bajo luz reflejada. El área resaltada muestra las fosas irregulares que dan a la superficie su aspecto característico. El patrón es deliberado, y es lo que convierte un espejo en un colector de luz.
La estructura tiene dos caras con especificaciones diferentes. La superficie exterior, la que está en contacto con el aire, es una cara texturizada de fosas irregulares a escala micrométrica. La superficie interior, la que está unida al encapsulante, lleva un patrón en relieve regular. Juntas son la razón por la que la parte frontal de un módulo parece ligeramente brumosa en lugar de vidriosa, y ambas están ahí por razones ópticas.
2. Razón uno: reducir la pérdida por reflexión
El vidrio liso se comporta como un espejo parcial. Alrededor del 8 por ciento de la luz solar que llega a una superficie pulida se refleja directamente de vuelta al cielo y nunca alcanza la célula. En un módulo eso es el 8 por ciento de la energía que pagó por generar, perdida en la capa más externa antes de que ocurra cualquier otra cosa.
La superficie exterior texturizada rompe eso. Las protuberancias a escala micrométrica dispersan el haz entrante de modo que la luz que llega en un ángulo poco profundo se redirige en lugar de rebotar, y una parte se desvía hacia la célula en lugar de alejarse de ella. El mismo mecanismo alarga el camino óptico dentro del módulo, lo que da al silicio más oportunidad de absorber lo que ya ha entrado.
Fig. 2: Una vista cercana de la superficie del vidrio. A esta escala, las fosas se resuelven en un micropatrón denso y regular. Tanto la dispersión como la transmisión dependen de la geometría de estas características, por lo que el patrón se especifica en lugar de dejarse al azar.
3. Razón dos: distribuir la luz por toda la célula
Una segunda función es la uniformidad. Si la luz llega de forma desigual, algunas regiones de la célula trabajan más que otras y el módulo opera por debajo de la suma de sus partes. La combinación de una cara exterior texturizada y una cara interior con patrón distribuye la luz entrante de manera más uniforme sobre la superficie de la célula, por lo que el área iluminada se aprovecha más completamente y mejora la eficiencia de conversión.
Esto importa más de lo que parece en formatos multicorte y shingled, donde las células se dividen en piezas más pequeñas. La iluminación desigual interactúa con cómo se interconectan esas piezas, y la razón por la que los módulos multicorte se comportan de manera diferente bajo sombra parcial se cubre en nuestro análisis de la resistencia a la sombra multicorte.
4. Razón tres: la luz que llega en ángulo
La luz solar es perpendicular a un módulo solo durante una pequeña parte del día. Por la mañana, por la tarde y durante el invierno, la luz llega en un ángulo pronunciado, y ahí es donde una superficie en relieve se diferencia de una plana.
A medida que crece el ángulo de incidencia, la transmisión del vidrio en relieve aumenta en relación con el vidrio liso en lugar de disminuir tan bruscamente. En términos prácticos, el módulo recupera rendimiento en los momentos del día y del año en que una superficie plana lo estaría perdiendo. Dado que un módulo pasa la mayor parte de su vida fuera de la irradiancia perpendicular máxima, esto no es un efecto marginal.
5. Cómo se fabrican realmente las fosas
Dos procesos producen las dos caras.
| Cara | Proceso | Estructura resultante |
|---|---|---|
| Interior (lado del encapsulante) | Calandrado a medida que el vidrio sale del horno: la cinta fundida pasa entre rodillos, uno de los cuales lleva un patrón en relieve de precisión presionado en la superficie semirfundida | Matrices regulares de formas definidas, comúnmente patrones de pirámide, tronco de pirámide hexagonal y tronco de pirámide cuadrangular |
| Exterior (lado del aire) | Grabado químico para crear fosas aleatorizadas, seguido de un recubrimiento antirreflectante a nanoescala — algunos productos antirreflejo forman la cara exterior mediante calandrado en su lugar | Textura irregular a escala micrométrica bajo una capa antirreflectante porosa |
El patrón interior es determinista: la geometría del rodillo se transfiere al vidrio, por lo que la forma y el espaciado de las fosas están determinados por el utillaje y no por el azar. La superficie exterior es deliberadamente aleatoria, porque una textura aleatorizada dispersa ampliamente en lugar de difractar en direcciones específicas. Sobre esa textura exterior se asienta un recubrimiento antirreflectante, típicamente a base de sílice porosa, que utiliza una estructura de poros controlada para reducir aún más la reflexión y aumentar la transmisión.
Fig. 3: El patrón en relieve del vidrio en detalle. Como se transfiere desde un rodillo con patrón, la geometría es repetible de lámina a lámina — lo que permite que una especificación de vidrio indique un patrón en lugar de una rugosidad.
6. El mismo truco en otras partes del módulo
Una vez que sabes qué buscar, el mismo principio de diseño aparece en varios lugares.
- Backsheets de doble vidrio. El vidrio trasero de un módulo de doble vidrio lleva un tratamiento superficial comparable, por la misma razón: la luz que llega a la parte posterior de un módulo bifacial debe dejarse entrar, no reflejarse.
- Módulos flexibles y plegables. Los paneles portátiles y plegables utilizan una textura superficial con hoyuelos en su hoja frontal para obtener un efecto de dispersión similar sin vidrio rígido.
- Hojas frontales de ETFE. Las hojas frontales de fluoropolímero se suministran con una superficie mate que desempeña el mismo papel antirreflectante en módulos ligeros.
- Películas de pasivación frontal. Las funciones ópticas y de pasivación también se están combinando a nivel de célula, como en el caso de SiNx de película frontal para TOPCon, donde la elección de una película se traduce directamente en vatios del módulo.
7. Qué comprobar al especificar el vidrio del módulo
Dado que el beneficio óptico proviene de la superficie y no del volumen, una especificación de vidrio que solo indique el espesor y el templado está incompleta. Cinco atributos determinan el rendimiento.
| Atributo | Why it matters |
|---|---|
| Contenido de hierro | El vidrio con bajo contenido de hierro eleva la transmisión de referencia. El vidrio flotado ordinario absorbe en el rango visible y te cuesta potencia antes de aplicar cualquier tratamiento superficial. |
| Textura exterior | Determina el comportamiento de reflexión y dispersión y, por lo tanto, cuánta luz incidente llega a la célula. |
| Patrón grabado interior | Afecta la distribución de la luz a través de la célula y el comportamiento de laminación. La geometría del patrón se transfiere desde el utillaje, por lo que es reproducible y debe especificarse. |
| Recubrimiento antirreflectante | Proporciona el último incremento de transmisión. La durabilidad del recubrimiento importa tanto como su rendimiento inicial, ya que se enfrenta a la intemperie durante 25 años. |
| Calidad del templado | Es estructural más que óptico, pero un vidrio que falla mecánicamente se lleva consigo el rendimiento óptico. Consulte cómo saber si el agrietamiento del vidrio semitemplado es una rotura espontánea. |
Ooitech suministra vidrio para módulos junto con el resto de la lista de materiales, incluidos películas encapsulantes EVA, POE y EPE, cintas, selladores y marcos, lo que significa que el vidrio y el encapsulante pueden combinarse en lugar de adquirirse por separado. La especificación del vidrio en sí se detalla en nuestra página de producto de vidrio solar, y la lista completa de materiales se desglosa en materiales principales de los módulos de paneles solares.
Preguntas frecuentes
¿Es un defecto la superficie rugosa del vidrio del panel solar?
No. Es una estructura óptica diseñada. La cara exterior es una superficie texturizada de hoyuelos irregulares a escala micrométrica y la cara interior lleva un patrón grabado regular. Ambas están especificadas para aumentar la cantidad de luz que llega a la célula en lugar de reflejarse.
¿Cuánta luz refleja el vidrio liso?
Una superficie de vidrio pulido refleja aproximadamente el 8 por ciento de la luz solar incidente. En un módulo, esa pérdida se produce en la capa más externa, antes de que la luz llegue a la célula, por lo que se dedica tanto esfuerzo de ingeniería a la superficie en lugar del volumen del vidrio.
¿Cómo se produce la superficie interior con patrón?
Mediante calandrado. A medida que la cinta de vidrio sale del horno, pasa entre rodillos y uno de ellos lleva un patrón en relieve de precisión que se presiona sobre la superficie aún semisólida. Las geometrías comunes son matrices de pirámide, tronco de pirámide hexagonal y tronco de pirámide cuadrangular. Dado que el patrón proviene del rodillo, es repetible de hoja a hoja.
¿De qué está hecho el recubrimiento antirreflectante?
Normalmente, una capa porosa a base de sílice depositada después de que se haya grabado la superficie exterior. Su estructura porosa es lo que reduce la reflexión, por lo que tanto el material como la geometría de los poros importan. La durabilidad frente a los ciclos de UV, humedad y temperatura es tan importante como la ganancia de transmisión inicial.
¿Ayuda la textura en invierno y con ángulos solares bajos?
Sí, y ese es uno de sus argumentos más sólidos. Con ángulos de incidencia grandes, el vidrio grabado transmite proporcionalmente mejor que el vidrio liso, por lo que el módulo resiste mejor por la mañana, por la tarde y durante los meses de invierno, cuando la luz rara vez llega perpendicular a la superficie.
¿Utilizan los módulos bifaciales y flexibles el mismo enfoque?
Sí. Los módulos de doble vidrio aplican un tratamiento comparable al vidrio trasero para que la luz que llega a la parte posterior pueda entrar. Los módulos flexibles y plegables utilizan una textura frontal con hoyuelos, y las hojas frontales de ETFE se suministran con una superficie mate que cumple el mismo propósito antirreflectante sin vidrio rígido.
Reflexiones finales
La superficie con hoyuelos del vidrio del módulo es un buen recordatorio de que, en la fabricación de módulos, las ganancias más económicas suelen ser ópticas más que eléctricas. Reflejar el 8 por ciento de la luz entrante no cuesta nada de corregir en la etapa de especificación del vidrio y no puede recuperarse en ninguna etapa posterior. Cuando especifique vidrio, indique juntos el contenido de hierro, la textura exterior, el patrón interior, el recubrimiento antirreflectante y el grado de templado, y combine el encapsulante con él en lugar de comprar los dos por separado. Si está configurando una lista de materiales para una nueva línea, envíenos el formato del módulo y el vidrio que está considerando, y le diremos qué debe incluir la especificación óptica.
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Lecturas adicionales y datos de contexto
Material de referencia público sobre este tema, publicado por las organizaciones que mantienen la hoja de ruta tecnológica y los datos de mercado del sector:
