Científicos de la Universidad de Sherbrooke (Canadá) han fabricado un prototipo de módulo fotovoltaico concentrador (CPV, por sus iniciles en inglés) basado en la llamada tecnología de montaje superficial (SMT), una técnica que se utiliza habitualmente para montar componentes electrónicos en la superficie de una placa de circuito impreso (PCB).
El diseño SMT propuesto no utiliza ningún cable de unión para la conexión del emisor de la célula y pretende aumentar la disipación de calor en el panel CPV, lo que a su vez reduce su temperatura de funcionamiento y aumenta su rendimiento.
«El SMT, que utiliza una pasta de soldadura conductora para la interconexión, tiene la ventaja de ser menos costoso y más rápido para la producción a gran escala, y los equipos SMT ocupan menos espacio que los equipos de cableado basados en cables», explicaron. «Hemos desarrollado y empleado el proceso SMT, que integra flexibilidad de montaje y alineación mejorada de las células solares, para ensamblar las células solares de tamaño superior a un milímetro».
El prototipo de módulo CPV de 4 células solares utiliza una lente de Fresnel para concentrar la luz en las células soldadas a una placa de circuito impreso de vidrio transparente y protegidas por capas de laminación. Los contactos del emisor se sueldan a través de juntas de soldadura conductoras a una placa de circuito impreso de cristal, que incorpora pistas metálicas para las zonas no soldadas. Un relleno transparente rellena el hueco entre la célula solar y la placa de circuito impreso para evitar reflejos en las interfaces de la placa inferior del módulo.
«Los filetes de relleno protegen los laterales de la célula solar para evitar cortocircuitos y contribuyen a la estabilidad termomecánica del conjunto», afirma el equipo de investigación. «La cara posterior del conjunto está laminada con un encapsulante de EVA y una lámina protectora de Tedlar para preservar las células solares del entorno».
Esquema del módulo CPV.
Imagen: Université de Sherbrooke, Solar Energy Materials and Solar Cells, Licencia común CC BY 4.0
Las cuatro células utilizadas en el dispositivo no están interconectadas entre sí y son células solares de germanio III-V de triple unión, cada una con una superficie activa de 8,751 mm2. El coste de las células solares basadas en compuestos de materiales de elementos III-V, denominados según los grupos de la tabla periódica a los que pertenecen, ha confinado los dispositivos a aplicaciones de nicho, como drones y satélites. Se trata de aplicaciones en las que el bajo peso y la alta eficiencia son preocupaciones más acuciantes que los costes.
Los científicos montaron el módulo SMT CPV de 4 células en un seguidor solar de 2 ejes de la plataforma Helios de la Universidad de Sherbrooke.
El grupo realizó una serie de mediciones eléctricas y de temperatura del sistema en condiciones reales de funcionamiento y también llevó a cabo una serie de simulaciones basadas en el modelo de elementos finitos (MEF), que es una técnica numérica utilizada para realizar análisis de elementos finitos (AEF) de fenómenos físicos.
A través de sus análisis y experimentos, los académicos descubrieron que las dimensiones de la cinta metálica en la parte posterior de cada célula y la proporción de cobertura metálica de la placa de circuito impreso son factores clave para la gestión térmica del módulo CPV, mientras que los demás componentes tienen un impacto insignificante en la temperatura del módulo.
«La temperatura de la célula solar puede mantenerse por debajo de 80 C en un amplio rango de dimensiones de la cinta metálica situada detrás de la célula solar, tanto para una cobertura metálica de la PCB del 0 % como del 100 %», explicaron además. «Sin embargo, este rango dimensional es mucho más amplio cuando el ratio de cobertura metálica es del 100 % que cuando el ratio de cobertura metálica de la PCB es del 0%». La simulación también demostró que la temperatura de las células solares puede alcanzar los 54 C con una cinta de cobre y los 57 C con una cinta de aluminio.
El sistema se describe en el artículo «Finite element modeling and experimental validation of concentrator photovoltaic module based on surface Mount technology (Modelado por elementos finitos y validación experimental de módulo fotovoltaico concentrador basado en tecnología de montaje superficial), publicado en Solar Energy Materials and Solar Cells. «Estos resultados demuestran que, además de simplificar el proceso de montaje, el uso de SMT para la fabricación de módulos CPV puede mejorar la disipación del calor tanto por la capa metálica de la placa de circuito impreso de vidrio como por el contacto de la cara posterior», concluyen los investigadores. «Esto abre la puerta a módulos CPV más sencillos, módulos CPV de mayor rendimiento y mayores ratios de concentración».
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