Nuevo diseño de paneles térmicos fotovoltaicos mitiga el riesgo de grietas

Un equipo internacional de investigación ha propuesto un novedoso diseño de módulo fotovoltaico-térmico (PVT, por su acrónimo en inglés) que supuestamente reduce significativamente los riesgos de agrietamiento en la unidad fotovoltaica del panel.

“Un problema crítico de los colectores PVT es el agrietamiento de las células, causado principalmente por la dilatación térmica durante el proceso de transferencia de calor entre las células fotovoltaicas y el absorbedor térmico”, explica el grupo. “Debido a las altas temperaturas, estas dilataciones y contracciones crean pequeños defectos en las células de silicio, que pueden dar lugar a numerosas microfracturas/grietas. Estas grietas pueden provocar la desconexión de partes de la célula, lo que se traduce en una reducción de la potencia total generada por los módulos fotovoltaicos”.

Los científicos construyeron una estructura de módulo PVT basada en una estructura de aleación de aluminio con un patrón en forma de H entre el absorbedor térmico y las células. Utilizando el software ANSYS, montaron un prototipo basado en un módulo PVT de 44,2 W disponible en el mercado.

El nuevo diseño del colector estaba formado por los siguientes componentes, de arriba abajo: una cubierta de vidrio transparente, una capa superior de etilvinilacetato (EVA), un panel fotovoltaico de células de silicio monocristalino conectadas en serie, una capa inferior de EVA, una placa con patrón en H para la expansión térmica, un absorbedor térmico que transfiere el calor al fluido caloportador y una capa aislante.

“Uno de los principales objetivos de este diseño era permitir la expansión térmica en todas las direcciones (expandiéndose en sus cavidades), creando así una expansión total menor en una sola dirección, lo que a su vez se esperaba que disminuyera drásticamente el riesgo de agrietamiento de las células”, explican los académicos.

El grupo de investigación simuló el patrón de aleación de aluminio en forma de H para que tuviera siete anchuras diferentes, de uno a siete milímetros, además de un diseño de placa sin la estructura. “Es evidente que los valores de expansión direccional son menores para las dimensiones de la cavidad de expansión del patrón en H de 1, 2, 3 y 4 mm en comparación con la placa sin cavidad (0 mm)”, explicaron. “Más allá de 4 mm, se observa un notable aumento de la expansión para la placa con patrón en H con una dimensión de cavidad de 5 mm. Además, los valores de expansión para dimensiones de cavidad de 6 y 7 mm son ligeramente inferiores a los de 5 mm, pero todos superan a la placa con patrón en H sin cavidad”.

En general, la simulación determinó que el diseño óptimo era el que tenía unas dimensiones H de 2 mm, ya que presentaba la expansión direccional más baja, de unos 0,011 mm. En comparación con la simulación de un PVT de referencia, que era el mismo módulo comercial pero sin las Hs, el novedoso redujo la expansión térmica en un 20%.

Según los investigadores, el diseño novedoso alcanzó un aumento del 10% en la eficiencia térmica. La eficiencia eléctrica aumentó un 2%, y la eficiencia global, un 8%. “Este estudio aporta información valiosa sobre el diseño de colectores PVT, ofreciendo una solución prometedora al reto del agrietamiento de las células”, concluyeron los científicos.

El novedoso diseño del módulo se presentó en el estudio “Mitigating PV cell cracking in solar photovoltaic thermal collectors with a novel H-pattern absorber design” (Mitigar el agrietamiento de las células fotovoltaicas en colectores solares térmicos con un novedoso diseño de absorbente en forma de H), publicado en Applied Thermal Engineering. El grupo de investigación estaba formado por científicos de las universidades británicas de Kingston y Cranfield y de las suecas MG Sustainable Engineering y Gavle.