Conceptos básicos de fabricación de energía solar fotovoltaica

La fabricación solar abarca la producción de productos y materiales a lo largo de la cadena de valor solar. Si bien existe cierta fabricación termosolar de concentración, la mayor parte de la fabricación solar en los Estados Unidos está relacionada con sistemas fotovoltaicos (PV). Esos sistemas se componen de módulos fotovoltaicos, bastidores y cableado, electrónica de potencia y dispositivos de monitoreo del sistema, todos ellos fabricados.

Fabricación de módulos fotovoltaicos

SILICIO FV

La mayoría de los módulos fotovoltaicos disponibles comercialmente se basan en silicio cristalino como material absorbente. Estos módulos tienen varios pasos de fabricación que normalmente ocurren por separado unos de otros.

• Producción de polisilicio : el polisilicio es un producto de silicio cristalino de grano fino y alta pureza, normalmente en forma de varillas o perlas, según el método de producción. El polisilicio se fabrica comúnmente utilizando métodos que dependen de gases altamente reactivos, sintetizados principalmente utilizando silicio de grado metalúrgico (obtenido de arena de cuarzo), hidrógeno y cloro. En un proceso, llamado proceso Siemens, el gas compuesto de silicio, hidrógeno y cloro pasa sobre un filamento de silicio calentado, rompiendo los enlaces moleculares y depositando el átomo de silicio en el filamento, que finalmente crece hasta convertirse en una gran varilla de polisilicio en forma de U. Los átomos de hidrógeno y cloro se reutilizan en un ciclo cerrado. Para evitar que el filamento contamine el poliéster de alta pureza, el filamento también está hecho de silicio puro. En otro método, pequeñas perlas de silicio se colocan en el fondo de un recipiente en forma de cono invertido donde se bombea un gas compuesto de silicio e hidrógeno, lo que hace que las pequeñas perlas floten cerca de la superficie. Calentar el recipiente hace que los enlaces silicio-hidrógeno se rompan, lo que hace que los átomos de silicio se depositen en las pequeñas perlas hasta que sean demasiado pesadas para flotar y caigan al fondo del recipiente donde se recolectan, listas para su uso.

• Producción de lingotes y obleas : para convertir el polisilicio en obleas, el polisilicio se coloca en un recipiente que se calienta hasta que el polisilicio forma una masa líquida. En un proceso, llamado proceso de Czochralski, se cultiva un gran lingote cilíndrico de silicio monocristalino tocando la superficie del líquido con una pequeña semilla cristalina y tirando lentamente de ella hacia arriba. En otro proceso, llamado solidificación direccional, la masa líquida se enfría lentamente hasta que solidifica de abajo hacia arriba, formando un lingote de silicio multicristalino de grano grande. A continuación, los lingotes de silicio se cortan en obleas muy finas utilizando sierras de hilo recubiertas de diamante. El aserrín de silicio que se crea se llama corte. Aunque es menos común, la producción de obleas sin cortes se puede lograr extrayendo capas enfriadas de un baño de silicio fundido o usando compuestos de silicio gaseosos para depositar una capa delgada de átomos de silicio sobre una plantilla cristalina con forma de oblea.

• Fabricación de células : luego se fabrican obleas de silicio para formar células fotovoltaicas. El primer paso es texturizar químicamente la superficie de la oblea, lo que elimina el daño de la sierra y aumenta la cantidad de luz que ingresa a la oblea cuando se expone a la luz solar. Los procesos posteriores varían significativamente según la arquitectura del dispositivo. La mayoría de los tipos de células requieren que la oblea se exponga a un gas que contiene un dopante eléctricamente activo y que se recubran las superficies de la oblea con capas que mejoran el rendimiento de la célula. La serigrafía de metalización de plata para contactos eléctricos también es muy común entre los tipos de celdas.

• Ensamblaje de módulos : en una instalación de ensamblaje de módulos, cintas de cobre recubiertas con soldadura conectan las barras colectoras de plata en la superficie frontal de una celda con la superficie trasera de una celda adyacente en un proceso conocido como lengüeta y encadenamiento. El conjunto de celdas interconectadas está dispuesto boca abajo sobre una lámina de vidrio cubierta con una lámina de polímero encapsulante. Se coloca una segunda lámina de encapsulante encima de las celdas boca abajo, seguida de una lámina posterior de polímero resistente u otra pieza de vidrio. Toda la pila de materiales se lamina en un horno para hacer que el módulo sea impermeable, luego se le coloca un marco de aluminio, sellador de bordes y una caja de conexiones en la que las cintas se conectan a diodos que evitan cualquier flujo inverso de electricidad. Los cables eléctricos desde la caja de conexiones conducen la corriente producida por el módulo a un módulo adyacente o a la electrónica de potencia del sistema.

Sistemas de estanterías

• Las estructuras de soporte que se construyen para soportar módulos fotovoltaicos en un techo o en un campo se denominan comúnmente sistemas de estanterías. La fabricación de sistemas de estanterías fotovoltaicas varía significativamente dependiendo de dónde se realizará la instalación. Las estanterías montadas en el suelo están hechas de acero, que generalmente está recubierto o galvanizado para protegerlo de la corrosión y requiere cimientos de concreto. Los grandes sistemas montados en el suelo suelen utilizar un mecanismo de seguimiento de un eje, que ayuda a los paneles solares a seguir el sol mientras se mueve de este a oeste. El seguimiento requiere piezas mecánicas como motores y rodamientos. También se pueden utilizar estanterías fijas (denominadas “inclinación fija”). Las estanterías de tejado dependen del tipo de tejado. Para tejados planos, como los de grandes edificios comerciales o industriales, se utilizan estanterías de acero con inclinación fija. Por lo general, se fija a bloques pesados ​​que se asientan en el techo. Para techos residenciales inclinados, las estanterías están diseñadas para sujetarse de forma segura a las vigas y sostener los módulos a unos cuantos centímetros por encima del techo. Esto permite que el flujo de aire enfríe la parte posterior de los módulos, mejorando su rendimiento.

Electrónica de potencia

• La electrónica de potencia de los módulos fotovoltaicos, incluidos los optimizadores de potencia y los inversores, se monta en placas de circuitos electrónicos. Este hardware convierte la electricidad de corriente continua (CC), que es la que genera un panel solar, en electricidad de corriente alterna (CA), que utiliza la red eléctrica. Obtenga más información sobre cómo funcionan los inversores.

• El montaje comienza con una plantilla de placa de circuito. Se imprime una pasta de soldadura donde se colocan componentes pequeños, como transistores y diodos, mediante robótica. A veces, los componentes más grandes, como condensadores y transformadores, se colocan manualmente en la placa. Una vez que todos los componentes están en su lugar, la placa pasa por un baño de soldadura en un horno para conectar los componentes. Toda la placa está recubierta con laca y sellada en una carcasa impermeable con puertos para conexiones externas.