Los sistemas fotovoltaicos (FV) son esenciales para la transición a las fuentes de energía renovables que se está produciendo en todo el mundo. Las células fotovoltaicas, que son los elementos esenciales de los paneles solares, se utilizan en estos sistemas para convertir la luz solar en electricidad. Sin embargo, al igual que cualquier otra tecnología, las células fotovoltaicas se degradan con el tiempo, lo que repercute en su eficiencia y rendimiento. Este proceso, que suele denominarse envejecimiento y atenuación, tiene importantes implicaciones para la eficacia, fiabilidad y viabilidad económica generales de los sistemas fotovoltaicos (FV). En este artículo se investigan los efectos del envejecimiento y la atenuación en los módulos de células fotovoltaicas desde diversos ángulos, como el rendimiento técnico, las consideraciones económicas, las medidas de mantenimiento y las preocupaciones medioambientales.

Mecanismos de degradación del rendimiento en el ámbito técnico

La degradación del rendimiento de los módulos de células fotovoltaicas puede atribuirse a una amplia gama de mecanismos, que pueden clasificarse a grandes rasgos en dos categorías: procesos químicos y procesos físicos.

El calentamiento y enfriamiento repetidos de los módulos fotovoltaicos provoca dilataciones y contracciones térmicas que, en última instancia, provocan fatiga del material y microfisuras en las células y las interconexiones. Este fenómeno se conoce como ciclo térmico.

Exposición a la radiación UV: Los materiales encapsulantes, como el etilvinilacetato (EVA), pueden degradarse por la exposición prolongada a la radiación ultravioleta (UV), lo que puede provocar decoloración y una reducción de la cantidad de luz que puede pasar a través de ellos.

Entrada de humedad: La entrada de humedad puede provocar la corrosión de los contactos metálicos y también la delaminación, que es cuando las capas del interior del módulo empiezan a separarse, lo que se traduce en una pérdida considerable de rendimiento.

En el proceso conocido como degradación inducida por el potencial (DIP), las grandes diferencias de tensión entre las células fotovoltaicas y el bastidor conectado a tierra pueden provocar la migración de iones, lo que a su vez provoca mayores pérdidas de eficiencia.

La reducción de la eficacia

En general, el índice de degradación de los módulos fotovoltaicos oscila entre el 0,5% y el 1% anual, dependiendo de la tecnología y de las circunstancias del entorno. Como consecuencia de ello, la potencia puede disminuir entre 12,5% y 25% a lo largo de una vida útil de 25 años. En comparación con las tecnologías más antiguas, como las células solares de capa fina, las tecnologías más recientes, como el silicio monocristalino, tienen tendencia a presentar menores índices de degradación.

Las métricas del rendimiento

Entre los principales parámetros de rendimiento que se ven afectados por el envejecimiento figuran los siguientes:

Tanto la menor absorción de luz como la mayor resistencia contribuyen a disminuir la corriente de cortocircuito, también conocida como Isc.
Un aumento de la recombinación de portadores de carga provoca una disminución de la tensión en circuito abierto, a menudo conocida como Voc.
El factor de llenado (FF) disminuye a medida que aumentan las pérdidas resistivas internas, lo que repercute en la eficiencia global del módulo.

Preocupaciones relacionadas con la economía

Si se compara con el rendimiento a largo plazo, la inversión inicial

El equilibrio entre la inversión inicial y el rendimiento energético a largo plazo es un factor crítico para determinar si los sistemas fotovoltaicos (FV) son económicamente viables o no. El proceso de atenuación y envejecimiento tiene un impacto directo en este equilibrio porque reduce la cantidad de energía que se produce con el tiempo. Esto, a su vez, repercute en el rendimiento de la inversión (ROI).

LCOE significa "coste nivelado de la energía".

El coste nivelado de la energía (LCOE) es un indicador importante que evalúa el coste de producir una unidad de electricidad a lo largo de la vida útil del sistema. El coste nivelado de la energía (LCOE) se incrementa como resultado de la degradación, ya que el sistema genera menos electricidad mientras que los gastos de funcionamiento y mantenimiento permanecen iguales o aumentan. A la hora de elaborar modelos financieros y asegurar las inversiones, es muy necesario disponer de una proyección precisa de las tasas de deterioro.

Garantía y seguro

En circunstancias normales, los fabricantes ofrecerán garantías que aseguren un determinado nivel de rendimiento, normalmente entre el 80 y el 90 por ciento de la potencia inicial al cabo de 25 años. Conocer los patrones de degradación es beneficioso a la hora de negociar garantías y pólizas de seguros, lo que ayuda a reducir los riesgos financieros.

Estrategia de mantenimiento y reparación

Técnicas de observación y diagnóstico

Es esencial realizar diagnósticos y controles periódicos para identificar los primeros indicadores de deterioro. Es posible detectar fallos y módulos que no funcionan al máximo de su potencial utilizando sofisticadas tecnologías de diagnóstico como la termografía infrarroja, las imágenes de electroluminiscencia y el trazado de curvas IV.

Mantenimiento preventivo y reparaciones

La aplicación de medidas de mantenimiento preventivo tiene el potencial de paliar algunos de los efectos negativos del envejecimiento. Entre ellas se incluyen las siguientes:

Para garantizar que se absorba la máxima cantidad de luz, sobre todo en lugares propensos al polvo y la contaminación, es necesaria una limpieza periódica.
El objetivo de volver a aplicar sellador es evitar que entre humedad y mantener intacta la integridad del encapsulado.
Comprobaciones eléctricas: Comprobación de que todas las conexiones y el cableado son seguros para reducir las pérdidas resistivas.
Sustituir y reciclar son métodos.
En algún momento, los módulos que se hayan deteriorado más allá de un cierto umbral requerirán finalmente su sustitución. Reciclar los módulos fotovoltaicos que han llegado al final de su vida útil no sólo es responsable con el medio ambiente, sino que también ayuda a minimizar el coste de los nuevos componentes. Es posible recuperar materiales preciosos como el silicio, la plata y el aluminio mediante procedimientos de reciclaje eficaces, lo que a su vez reduce la huella medioambiental que deja la industria fotovoltaica.

Utilizar aditivos antienvejecimiento y acidificantes para películas fotovoltaicas

Cuando se trata de mejorar la longevidad, el rendimiento y la fiabilidad de los módulos solares, la introducción de productos químicos antienvejecimiento y antiacidificación en los encapsulantes fotovoltaicos es absolutamente necesaria. Estos aditivos ofrecen diversas ventajas, como una mayor resistencia a la luz ultravioleta, estabilidad térmica, protección contra la infiltración de humedad y estabilidad química. El rendimiento a largo plazo, la reducción de los costes de mantenimiento, la maximización del rendimiento energético, la protección de las inversiones, el respaldo de las garantías y la contribución a la sostenibilidad medioambiental son razones necesarias para su existencia. A medida que la industria fotovoltaica (FV) siga expandiéndose, la utilización de materiales encapsulantes de vanguardia que contengan estos aditivos será cada vez más importante para garantizar la rentabilidad y durabilidad de los sistemas de energía solar. El masterbatch orgánico antiacidificación conocido como RM208 es fabricado por la COACE. Además, a diferencia de las formas inorgánicas, no tiene ninguna incidencia en la transmitancia. También presenta cierta acción anti-PID, además de su capacidad para atrapar cationes al tiempo que bloquea el ácido. El R2320 es un aditivo anti-PID de EVA funcionalizado con epoxi, y una serie de aditivos para películas fotovoltaicas que pueden aliviar eficazmente los problemas de envejecimiento y acidez de los módulos solares, ¡aumentando así el rendimiento de los fotovoltaicos y alargando su vida útil!

Consecuencias para el medio ambiente

Evaluación del ciclo de vida

Las fases de fabricación, funcionamiento y eliminación se incluyen en una evaluación completa del ciclo de vida (ECV) para valorar los sistemas fotovoltaicos (FV). Tanto el tiempo de amortización de la energía (EPBT) como la huella de carbono global se ven alterados como resultado de la degradación, que repercute en la fase operativa. A medida que pasa el tiempo, los módulos producen menos energía, lo que hace que el EPBT se alargue, lo que se traduce en una modesta reducción de las ventajas medioambientales.

Gestión de residuos

Los residuos electrónicos son el resultado de la degradación de los módulos fotovoltaicos. El reciclaje y la gestión de la basura llevados a cabo correctamente son absolutamente necesarios para impedir que los artículos nocivos dañen el medio ambiente. La cantidad cada vez mayor de módulos fotovoltaicos que han llegado al final de su vida útil exige la aplicación de estrategias y políticas de reciclaje novedosas.

Avances en innovación tecnológica

El objetivo de la investigación y el desarrollo en tecnología fotovoltaica es fabricar módulos más duraderos y eficientes. Innovaciones como las células bifaciales, que captan la luz solar por ambas caras, y las células en tándem, que utilizan varias capas para absorber distintas longitudes de onda de luz, pueden reducir los índices de deterioro y mejorar el rendimiento a largo plazo. Ambos tipos de células son ejemplos de avances tecnológicos recientes.

En general

En el ámbito de los sistemas fotovoltaicos, los elementos técnicos, económicos, de mantenimiento y medioambientales se ven muy afectados por el envejecimiento y la atenuación de los módulos de células solares. Para garantizar la rentabilidad y la sostenibilidad a largo plazo de los sistemas fotovoltaicos (FV), es esencial conocer a fondo estos impactos con el fin de optimizar el diseño, el funcionamiento y el mantenimiento de estos sistemas. Con el avance de la tecnología y el desarrollo de materiales y métodos mejorados, será posible reducir los impactos del deterioro, lo que redundará en un aumento de la fiabilidad y la eficiencia de la energía solar como componente significativo del mix energético mundial. Para aprovechar plenamente el potencial de la tecnología fotovoltaica en un futuro sostenible desde el punto de vista energético, la investigación futura deberá concentrarse en mejorar la durabilidad de los módulos, desarrollar herramientas de diagnóstico sofisticadas y mejorar los procedimientos de reciclaje.