Definiciones de Celda, Módulo, Panel y Arreglo Fotovoltaico

Estructura básicas

Para entender la diferencia entre qué es una celda, un módulo, un panel y un arreglo fotovoltaico, lo que debemos saber es qué función cumplen cada uno de ellos dentro de la etapa de generación de potencia eléctrica en un sistema fotovoltaico. Cada una de estas definiciones, representan la unidad básica de funcionamiento a diferentes escalas de potencia eléctrica. Así, la unidad de potencia más fundamental de todo sistema solar fotovoltaico es la celda solar fotovoltaica. Muchas celdas solares fotovoltaicas se juntan para formar un módulo fotovoltaico, que es la unidad básica de voltaje con la cual se desea trabajar o establecer como estándar. Los módulos fotovoltaicos se juntan para formar el panel solar fotovoltaico, de tal manera que generen una potencia neta que sea útil para un gran número de aplicaciones. Por último, muchos paneles fotovoltaicos se juntan para formar un arreglo fotovoltaico. A continuación, explico con más detalle cada una de estas definiciones, para lograr comprender más fácilmente la diferencia entre cada uno de ellos.

Celda Solar Fotovoltaica

La celda fotovoltaica es la unidad más pequeña en voltaje que puede ser construida para producir potencia eléctrica a través del efecto fotovoltaico. No nos preocupemos en este momento por el tipo de tecnología, material o estructura con la que se fabrica la celda solar fotovoltaica. Lo que debemos tener claro, es que cuando se construye un tipo particular de celda solar fotovoltaica, siempre se obtiene más o menos los mismos valores de voltaje. Por ejemplo, si fabricamos celdas solares de silicio monocristalino, siempre vamos a obtener un voltaje de trabajo de la celda, que está por el orden de los 0,58 voltios. Este voltaje es diferente para cada tipo de tecnología, material o estructura de celda, pero siempre será el mismo para un proceso particular de fabricación de celda solar.

Así, no importa como fabriquemos una celda, siempre se obtendrá el mismo valor de voltaje para esa celda. Nótese que los valores de corriente que produce dicha celda no son siempre los mismos. La corriente que produce una celda solar, es proporcional al área de la misma. Esto es así, porque la corriente es proporcional a la cantidad de fotones (luz) que absorbe la celda fotovoltaica, y entre mayor sea el área de la celda, mayor será la corriente que produce. Esto significa que si yo construyo una celda cuadrada de silicio monocristalino, con unas dimensiones de 2 mm x 2 mm, entonces lo más probable es que mi celda tenga un valor de voltaje de 0,58 voltios y una corriente del orden de los microamperios. La potencia de esta celda solar minúscula se calcula a través de la siguiente expresión:

Potencia = voltaje x corriente
Potencia = 0,58 voltios x microamperios = microvatios.

Ahora imaginen que decido construir una celda solar de silicio monocristalino cuadrada, con dimensiones de centímetros. En este caso, esta celda solar es mucho más grande en área que nuestra celda anterior; y por ende la cantidad de corriente que producirá será mayor. Al poner a funcionar esta celda solar, deberíamos obtener el mismo voltaje de 0,58 voltios y una corriente que está en el orden de los miliamperios, es decir, una corriente mayor. Así, la potencia de esta celda solar, resultante de multiplicar el voltaje por la corriente producida, debería estar por el orden de los mili vatios. Ahora para poner las cosas en perspectivas, voy a exagerar y fabricar una celda solar de silicio monocristalino con 1 metro de ancho por 1 metro largo, es decir tengo una celda solar de 1 metro cuadrado de área. En esta situación, esta celda solar va a producir un voltaje de 0,58 voltios y una corriente que puede estar por el orden de, digamos 20 amperios. En este caso particular la potencia de esta celda solar fotovoltaica está alrededor de unos 12 vatios.

Como vemos en los ejemplos que he utilizado, no importa el tamaño de la celda solar de silicio monocristalino que fabrique, el voltaje que produce siempre será de 0,58 voltios, y una cantidad de corriente en amperios que depende del área total de la celda. Si se construyen celdas de kilómetros cuadrados de área, tendré voltajes de 0,58 voltios y muchísimos amperios. Creo que con esto ya se capta la idea principal de la definición de lo que son las celdas solares fotovoltaicas. El voltaje siempre será el mismo y sólo varía la potencia de la celda por variación del tamaño del área de la misma.

Lo importante a entender acá es que la celda solar fotovoltaica es el componente más pequeño y esencial a partir del cual se ensamblan los demás componentes del arreglo fotovoltaico.

Módulo Solar Fotovoltaico

Bien, ya hemos entendido qué podemos esperar en términos de voltaje y corriente de una celda solar fotovoltaica. El problema que se nos presenta es que con un voltaje tan pequeño producido por la celda, como es el de 0,58 voltios en el caso de celdas de silicio monocristalino, no es suficiente para que sea útil en aplicaciones eléctricas. Por ello, es que se hace necesario elevar los voltajes de trabajo de estos dispositivos para poder llegar a un voltaje de trabajo que sea útil, como por ejemplo, para cargar una batería. Aquí es donde decidimos construir un módulo solar fotovoltaico.

Un módulo solar fotovoltaico se construye al ensamblar varias celdas fotovoltaicas en serie, para aumentar el voltaje total generado por dichas celdas. Los módulos se ensamblan hasta lograr obtener un voltaje nominal de trabajo típico. Por ejemplo, si se desea que ese módulo sea capaz de cargar un acumulador de 12 voltios , entonces debe producir un voltaje que sea suficiente para dicha tarea. Si utilizamos celdas solares de silicio monocristalino que producen voltajes de 0,58 voltios por cada celda, entonces debemos utilizar, y es el estándar en la industria, 36 de estas celdas conectadas en serie para producir un módulo fotovoltaico de unos 21 voltios aproximadamente. Nótese que el voltaje nominal de este módulo es de 12 voltios. Para más detalles sobre este aspecto de los voltajes nominales de trabajo te recomiendo leer el artículo “¿ Por qué un panel solar de 12 voltios produce 21 voltios ?”.

Así, si deseamos producir un módulo fotovoltaico de silicio monocristalino con un voltaje nominal de 6 voltios debemos ensamblar unas 18 celdas fotovoltaicas en serie. Por supuesto, si se trata de otra tecnología diferente a la del silicio monocristalino, entonces en ese caso podrían necesitarse más o menos celdas fotovoltaicas, dependiendo del voltaje que produzca cada celda fabricada con esa tecnología. Lo importante a tomar en cuenta aquí, es que al conectar las celdas en serie para producir un módulo fotovoltaico, sumamos los voltajes, pero la corriente total sigue siendo la misma que produce la celda fotovoltaica. Esto significa que un módulo fotovoltaico produce mucho más potencia que una celda fotovoltaica por el aumento del voltaje del módulo y no de su corriente. Por ello, un módulo siempre produce una potencia igual a n veces la potencia de la celda fotovoltaica, donde n es el número de celdas conectadas en serie que forman el módulo fotovoltaico.

El módulo fotovoltaico pasa a ser la unidad básica de voltaje de un sistema fotovoltaico. Los módulos fotovoltaicos son ahora los componentes esenciales para fabricar los paneles solares fotovoltaicos.

Panel Solar Fotovoltaico

Ya debemos tener claro que hace una celda fotovoltaica y un módulo fotovoltaico. El primero produce un voltaje inalterable muy pequeño, que es fijado por las propiedades física del material con el cual se construye la celda; y el segundo produce un voltaje de salida total, que se considera nominal para muchas aplicaciones, y que lo podemos ensamblar a voluntad.

A pesar de que los módulos fotovoltaicos son capaces de producir un voltaje de salida que consideramos nominal, y que puede ser utilizado en muchas aplicaciones cotidianas, resulta que en la mayoría de los casos prácticos, las potencias eléctricas totales que producen los módulos fotovoltaicos son muy pequeñas para ser útiles. Es aquí donde entran al escenario los paneles fotovoltaicos.

Un panel solar fotovoltaico se construye al conectar en paralelo varios módulos fotovoltaicos; con la intención de sumar la corriente que produce cada módulo, y así aumentar la potencia total producida por estos componentes, sin variar el voltaje nominal de trabajo. Los fabricantes utilizan módulos de 12 voltios para fabricar paneles de 12 voltios. Y utilizan módulos de 24 voltios para producir paneles fotovoltaicos de 24 voltios.

En el caso de los paneles fotovoltaicos, ya no existen estándares para producción de potencias nominales. Por ello, en el mercado pueden encontrarse paneles fotovoltaicos de casi cualquier valor de potencia nominal. Los paneles fotovoltaicos pueden ir desde potencias de 1 w hasta centenares de vatios.

Sin embargo, la potencia eléctrica que producen los paneles fotovoltaicos tiene un límite físico y está asociado con la corriente máxima que producen. Al ser los paneles fotovoltaicos el resultado de conectar en paralelo varios módulos fotovoltaicos, las corrientes se suman, llegando a producir valores muy altos de corriente que pueden crear problemas en la estabilidad del panel. Tradicionalmente, los paneles solares fotovoltaicos no suelen producir más de 10 amperios de corriente para evitar estos problemas. Así, los paneles fotovoltaicos de 12 voltios no suelen producir potencias superiores a 150 vatios, o los paneles fotovoltaicos de 24 voltios potencias superiores a 300 vatios. Esto impone límites técnicos a la producción de potencia eléctrica por parte de los paneles fotovoltaicos.

Arreglo Fotovoltaico

Como vemos hay límites a la potencia eléctrica que son capaces de producir los paneles fotovoltaicos. Por ello, es que recurrimos a estructuras más grandes que son los arreglos fotovoltaicos. En un arreglo fotovoltaico se conectan paneles fotovoltaicos en serie y/o paralelo para producir cada vez mayores cantidades de voltajes y/o corrientes, y por ende mayores potencias eléctricas. El arreglo fotovoltaico es lo que necesitamos cuando nuestro proyecto intentan abastecer el consumo eléctrico de un hogar u oficina.

En teoría el arreglo fotovoltaico puede manejar valores muy altos de corriente y voltaje, porque todo esto se exterioriza y se lleva a cabo por equipos especializados para estas funciones; como son los cables eléctricos de interconexión, controladores de carga, etc. En principio uno puede armar arreglos fotovoltaicos hasta del orden de los megavatios de potencia eléctrica. Aquí las únicas limitantes que hay son de costos y efectividad de los equipos de alta potencia.

Cuando utilizar estos términos como sinónimos

Muchas personas utilizan estos términos como sinónimos todo el tiempo y esto no es del todo correcto. Sólo en muy pocas ocasiones se pueden utilizar estos términos como sinónimos. Por ejemplo, cuando un arreglo fotovoltaico está compuesto de un solo panel fotovoltaico, entonces en este caso el arreglo fotovoltaico es igual al panel fotovoltaico. De igual manera un panel fotovoltaico puede ser construido con un solo módulo fotovoltaico. En este caso un panel fotovoltaico es un módulo fotovoltaico.

El detalle está en comprender que un arreglo fotovoltaico está compuesto de uno o más paneles fotovoltaicos. Un panel fotovoltaico está compuesto de uno o más módulos. Y un módulo fotovoltaico puede estar compuesto por una o más celdas fotovoltaicas. Sólo en los casos en que el componente está formado por una sola unidad del componente inferior, es que podemos utilizar esos términos como sinónimos.

Un Ejemplo Práctico de Construcción de Paneles Solares

vamos a evaluar un caso práctico para la construcción y diseño de celdas, módulos y paneles fotovoltaicos. Por ejemplo, supongamos que queremos crear un cargador de dispositivos móviles o celulares, que utilicen baterías de iones de litio, que trabajan a 3,7 voltios.

Lo primero, es elegir que tecnología de celdas solares se van a utilizar. Asumamos que utilizaremos celdas solares fotovoltaicas de silicio policristalino, y que cada celda tiene un voltaje, digamos de 0,36 voltios, y una corriente de 10 miliamperios. Evidentemente, si conectamos esa celda solar a la batería de litio, no sólo no va a cargar la batería, sino que más bien va a contribuir a que se descargue. Para poder cargar una batería de litio de 3,7 voltios, se requieren al menos unos 4 a 5 voltios, y una corriente de unos 300 miliamperios. Estos factores dependen de las especificaciones de cada tipo de batería y las impone el fabricante de acuerdo a la tecnología utilizada en su fabricación. Por razones técnicas, digamos que el cargador funcionará a 4,5 voltios. Entonces, debemos construir nuestro módulo fotovoltaico para dicho cargador. Ya vemos que una simple celda solar no puede hacer el trabajo. Por tanto, construiremos nuestro módulo solar fotovoltaico para lo cual conectaremos 12 celdas solares en serie. Con ésto obtendremos un voltaje final de 4,32 voltios. Debes recordar, que cuando los voltajes se colocan en serie se suman; por tanto, 12 celdas * 0,36 voltios = 4,32 Voltios. Ahora, ya disponemos de un módulo solar fotovoltaico que tiene el voltaje suficiente para iniciar la carga de las baterías de litio de 3,7 voltios. Pero tenemos un pequeño problema, y es que al conectar en serie las celdas solares, las corrientes se mantienen iguales, y por tanto, el módulo solar apenas y nos genera unos 10 miliamperios de corriente eléctrica. Como la batería requiere de unos 300 miliamperios para poder ser cargada rápidamente, con ese valor de 10 miliamperios, puede tardar días, sino semanas en cargarse. Por supuesto, ésto no es nada práctico para un cargador de celular, por tanto debemos aumentar su corriente. Para ello, debemos construir un panel solar que sea capaz de generar esos 300 miliamperios que requiere la batería. Eso implica, que debemos conectar unos 30 módulos en paralelo para obtener los 300 miliamperios. Esto es así, porque las corrientes se suman cuando se conectan en paralelo. Así, 30 módulos que generan cada uno 10 miliamperios conectados en paralelo, nos generan los 300 miliamperios que requiere nuestro cargador de batería.

Como ven, hemos tenido que diseñar un panel solar fotovoltaico para crear nuestro cargador de baterías de litio de 3,7 voltios. Una celda solar no fue suficiente, un módulo tampoco lo es, y por eso debimos construir un panel que se adaptara a nuestras necesidades. En este caso, no es necesario crear un arreglo fotovoltaico, pero si en realidad se quieren cargar varias baterías al mismo tiempo, entonces, si debemos recurrir a construir un arreglo fotovoltaico con el número de paneles solares que hemos diseñado, en proporción de un panel por cada batería que desee cargar de manera simultánea.

Conclusiones

Una celda solar fotovoltaica es la unidad más básica de producción de potencia eléctrica a través del efecto fotovoltaico; que produce un voltaje que depende de la naturaleza física del material que se utiliza para fabricar la celda, y una corriente que es proporcional al área de dicha celda. Un módulo fotovoltaico es la conexión en serie de varias celdas para obtener un voltaje nominal de trabajo, que esté acorde con los requerimientos de los equipos. Un panel fotovoltaico es la conexión en paralelo de muchos módulos para lograr incrementar la potencia eléctrica hasta valores que sean de utilidad práctica para muchas aplicaciones. Un arreglo fotovoltaico, es la conexión en serie y/o paralelo de muchos paneles fotovoltaicos para incrementar la potencia eléctrica generada, hasta valores que puedan ser utilizados en casi cualquier situación de demanda de potencia eléctrica.