Primer intento de construir módulos solares utilizando encapsulante de policarbonato

Investigadores de la Universidad de Western Ontario, en Canadá, han propuesto utilizar policarbonato (PC) como encapsulante para el ensamblaje de módulos solares, en sustitución del etileno-acetato de vinilo (EVA), que es difícil de eliminar durante el reciclaje sin dañar las frágiles y valiosas células solares.

«Es la primera demostración de un diseño de módulo solar encapsulado en policarbonato y sin laminado», explicó a pv magazine el autor correspondiente de la investigación, Joshua M. Pearce. «El diseño permite específicamente el desmontaje y la reutilización de la energía fotovoltaica en la economía circular, lo que resuelve uno de los mayores retos del reciclaje de los módulos laminados de EVA y vidrio estándar».

«El diseño es completamente de código abierto y, por lo tanto, está disponible para la producción local de módulos fotovoltaicos, lo que contrasta con la fabricación fotovoltaica centralizada convencional. Esto reduce las barreras para la fabricación y reparación a nivel comunitario», continuó Pearce. «Hemos demostrado con éxito la robustez mecánica a pesar de la falta de laminación. Quizás lo más impresionante es que los prototipos alcanzaron un rendimiento de sellado equivalente a IP68, lo que es sorprendente para una estructura no laminada y respalda aún más su sólida aplicabilidad en el campo».

Los científicos explicaron que, en el diseño propuesto de módulo solar sin laminado y encapsulado en plástico, las láminas de PC sustituyen al vidrio, mientras que un proceso basado en presión y calor con un sello de PC impreso en 3D encapsula el módulo y mantiene las células en su sitio sin EVA. Este enfoque permite fabricar módulos fotovoltaicos escalables y ligeros con herramientas accesibles de bricolaje, mientras que el reciclaje solo requiere la separación mecánica de la carcasa de plástico seguida de la clasificación de los materiales.

Módulo fotovoltaico tradicional de vidrio-vidrio (izquierda) y el concepto de módulo propuesto (derecha)
Imagen: Universidad de Western Ontario, Journal of Cleaner Production, CC BY 4.0

Se utilizó un sello impreso en 3D con PC en lugar de poliisobutileno (PIB) y silicona, que se utilizan habitualmente en otros diseños sin laminado. Se fusionó con las dos láminas exteriores calentando el PC hasta una temperatura cercana a su temperatura de transición vítrea y aplicando presión. El sello también incluía una abertura para los cables y se aumentó su anchura cerca de la salida de los cables para que el exceso de PC pudiera deformarse durante la encapsulación y fluir alrededor de los cables para mejorar el sellado. Después de la encapsulación, se aplicó adhesivo de cianoacrilato de etilo para cerrar cualquier hueco restante alrededor de los cables.

Los módulos de una sola célula se fabricaron con células monocristalinas proporcionadas por Sunpower.

El equipo de investigación señaló que los módulos fotovoltaicos convencionales suelen utilizar capas de vidrio y EVA de 3-4 mm de espesor que, en conjunto, transmiten alrededor del 95 % de la luz entrante a la célula solar. En comparación, la cubierta de PC probada en el estudio mostró una transmisividad inferior, del 80,38 %. Por lo tanto, a lo largo de una vida útil de 20 años, un módulo de una sola célula podría generar alrededor de 102 kWh con una cubierta de vidrio, pero solo alrededor de 86 kWh con la cubierta de PC, lo que se traduciría en una pérdida de energía de aproximadamente 16 kWh debido a la reducción de la transmisión de luz.

Sin embargo, el diseño basado en PC permite recuperar y reutilizar fácilmente las células fotovoltaicas y otros componentes. Esto podría prolongar la vida útil del sistema más allá de los 20 años, ya que las células recuperadas podrían renovarse, actualizarse o reutilizarse en nuevos módulos con una energía incorporada adicional relativamente baja. Las pruebas iniciales de durabilidad también mostraron resultados prometedores, incluyendo una buena integridad mecánica y una fuerte resistencia al agua comparable a la clasificación IP68.

Según un análisis técnico-económico preliminar, el módulo prototipo puede generar 2,12 W en condiciones soleadas y producirse a un costo de aproximadamente 3,11 dólares/W. Esto es significativamente más alto que el precio medio actual de los módulos en Estados Unidos, aunque la diferencia refleja en gran medida el uso de materiales a precio minorista y la fabricación a pequeña escala en el estudio.

Los investigadores afirmaron que los costos podrían reducirse sustancialmente si el PC se obtuviera a partir de materiales reciclados y las células fotovoltaicas se compraran a precios a escala industrial. En estas condiciones, la producción a gran escala podría alcanzar un costo estimado de 0,06-0,30 dólares/W, lo que podría hacer que el diseño fuera competitivo con los módulos comerciales. La fabricación distribuida podría reducir aún más los costos al disminuir las necesidades de transporte y permitir la producción localizada, especialmente en regiones con abundancia de plásticos reciclados.

«El trabajo futuro debería centrarse en ampliar el diseño a módulos multicelulares, optimizar la transmisividad del PC e incorporar materiales resistentes a los impactos pasando a un modelo híbrido», concluyeron los académicos. «También es necesario realizar más pruebas bajo ciclos térmicos, calor húmedo y exposición prolongada a los rayos UV para validar la durabilidad a largo plazo».

La nueva técnica de encapsulación se presenta en «Open-source distributed production of polycarbonate solar photovoltaic modules designed for disassembly» (Producción distribuida de código abierto de módulos solares fotovoltaicos de policarbonato diseñados para su desmontaje), publicado en la revista Journal of Cleaner Production.

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