¿Cómo afecta la temperatura al rendimiento de las placas solares? Estudio técnico

Uno de los factores más importantes a tener en cuenta en una instalación solar fotovoltaica es la temperatura. Aunque muchas personas piensan que el calor extremo aumenta la producción solar, la realidad es diferente: cuando la temperatura sube, el rendimiento de los paneles solares disminuye. Así que sí, en un primer momento podemos afirmar con claridad que afecta la temperatura al rendimiento de las placas solares.

Sin embargo, no hay que alarmarse, ya que tus paneles siguen produciendo gracias a la gran cantidad de horas de luz de las que disfrutamos en el verano andaluz.

En este artículo te explicamos, con rigor técnico, por qué ocurre esto y cómo afecta a tu instalación fotovoltaica, especialmente si vives en zonas cálidas como Andalucía.

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¿Por qué los paneles solares pierden rendimiento con el calor?

Los paneles solares están fabricados con materiales semiconductores (como el silicio) que transforman la luz solar en electricidad. Este proceso depende de la estructura interna de estos materiales, que está determinada por las llamadas bandas de energía.

Detallando la teoría, y atendiendo a las propiedades eléctricas de la materia, los materiales se pueden dividir en tres tipos, como son aislantes, conductores y semiconductores. Para explicar las propiedades eléctricas de la materia y ver el porqué de la sensibilidad de los módulos fotovoltaicos a la temperatura, tenemos que conocer la teoría de las bandas de energía.

La teoría se basa en el hecho de que en una molécula los orbitales de un átomo se solapan produciendo un número discreto de orbitales moleculares. Cuando se une un gran número de átomos, como en las estructuras sólidas, el número de orbitales de valencia (los niveles de energía más altos) es tan grande y la diferencia de energía entre cada uno de ellos tan pequeña que se puede considerar como si los niveles de energía conjunta formaran bandas continuas en vez de, niveles de energía como ocurre en los átomos aislados. Sin embargo, debido a que algunos intervalos de energía no contienen orbitales, independiente del número de átomos agregados, se crean ciertas brechas energéticas entre las diferentes bandas.

• Banda de valencia (BV): está ocupada por los electrones de valencia de los átomos, es decir, aquellos electrones que se encuentran en la última capa o nivel energético de los átomos. Los electrones de valencia son los que forman los enlaces entre los átomos, pero no intervienen en la conducción eléctrica.
• Banda de conducción (BC): está ocupada por los electrones libres, es decir, aquellos que se han desligado de sus átomos y pueden moverse fácilmente. Estos electrones son los responsables de conducir la corriente eléctrica.
• Banda prohibida o bandgap: en la física del estado sólido y otros campos relacionados, es la diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción. Esta cantidad se encuentra presente en aislantes y semiconductores.

Cuando sube la temperatura, esta banda prohibida se reduce, lo que provoca una disminución de la tensión en el panel. Como resultado, la potencia total (voltaje x intensidad) disminuye y el rendimiento del panel baja.

En elementos aislantes (cerámica, madera, termoplásticos, termoestables). La banda de valencia está muy
separada de la banda de conducción del material del orden de los 6 eV, mientras que para los semiconductores la separación entre bandas es de aproximadamente 1 eV, pero se ven afectados por el incremento de temperatura de forma que al aumentar esta la distancia entre bandas se acerca y pueden llegar a solaparse. Sin embargo, los conductores tienen solapada la banda de valencia y conducción. Esto se puede observar en el siguiente gráfico:

Los distintos tipos de módulos fotovoltaicos sean del tipo que sean (policristalinos, monocristalinos o N-Type), se convierten en conductores sí se dopa por la cantidad adecuada de material tipo N. El incremento de energía para pasar un electrón de valencia a la banda de conducción, puede ser obtenido a través de la luz, es decir, los fotones al chocar con los electrones de la capa de valencia hacen que tengan suficiente energía para dar el salto a la banda de conducción, ya que la luz incrementa el nivel de excitación de estos electrones, superando estos electrones la barrera de energía de la banda prohibida.

Cuando aumentamos la temperatura estamos excitando los electrones de la banda de valencia. Si aumentamos lo suficiente la temperatura, se producirá una disminución del valor de la banda prohibida entre la banda de valencia y la banda de conducción, por tanto, la tensión entre extremos de la unión disminuirá y lo mismo sucederá en los paneles fotovoltaicos, es decir, disminuirá la tensión entre los extremos del string que se van a conectar al inversor. Debido a que normalmente los módulos se conectan en serie en cada string, al disminuir la tensión entre esos extremos y tener la misma corriente circulando por todos los módulos, el valor de la potencia se ve disminuido, disminuyendo el rendimiento de cada módulo y del conjunto de módulos que forman el string.

Puedes encontrar más información sobre estos conceptos en nuestro Glosario:

¿Qué dice la ficha técnica del panel? Ejemplo de cálculo de la dependencia de la temperatura y la irradiancia sobre el módulo fotovoltaico

Los fabricantes especifican en sus fichas técnicas los coeficientes de temperatura, que nos indican cómo varían los parámetros eléctricos cuando aumenta el calor. Por ejemplo, para un panel tipo AIKO-A590-MAH72Mw:

• Pmax (potencia máxima): -0.26 %/°C
• Voc (tensión en circuito abierto): -0.22 %/°C
• Isc (intensidad de cortocircuito): +0.05 %/°C

Esto significa que por cada grado que sube la temperatura, la potencia disminuye un 0,26 %. Es decir, más calor = menos rendimiento.

¿Qué sucede en condiciones reales?

En los ensayos de laboratorio se simulan condiciones estándar (STC):

• 1000 W/m² de irradiancia solar
• 25 °C de temperatura en la célula
• Masa de aire 1.5 (espectro solar)

Pero en la realidad, los paneles alcanzan temperaturas mucho más altas debido a la exposición directa al sol. Por eso, el rendimiento real suele ser menor que el indicado en la ficha técnica.

¿Cómo afecta la temperatura al rendimiento de las placas solares a lo largo del año?

Hay que dividir el año en tres periodos: Invierno, Primavera-Otoño y Verano. Esta división se basa en la cantidad de luz que reciben las placas y la temperatura a la que trabajan.

En invierno la declinación del sol es más baja, el ángulo de incidencia es menor y sube la tensión entre extremos de las celdas fotovoltaicas por el descenso de la temperatura (recordemos que al disminuir la temperatura, la distancia entre la banda de conducción y la banda de valencia aumenta). También disminuye la intensidad que circula en el circuito que va al inversor, por tanto, la producción de energía es menor.

Conforme aumenta la temperatura épocas de primavera y otoño, hay un acercamiento entre bandas, y además hay una mayor producción de electrones, lo que hace que la potencia del módulo sea bastante mayor que en el periodo de invierno. Primavera y otoño por tanto se convierten en los mejores momentos del año para producir energía mediante los módulos fotovoltaicos.

Por último, está el verano: meses son los que el horario solar es el más amplio de todo el año. Lo que en este periodo sucede a nivel técnico es que disminuye la tensión entre extremos (recordemos que una célula es un semiconductor, diodo fotosensible en concreto) de la celdilla solar, pero aumenta su corriente. Esto hace que baje el rendimiento del módulo solar fotovoltaico, dando lugar a que no llegue al 100% de su producción en las horas centrales del día, pero produzca durante más horas.

Primavera y otoño	Máxima eficiencia	Temperaturas moderadas y buena irradiación convierten al otoño y la primavera en los mejores momentos para la producción solar.
Verano	Mucha luz, demasiado calor	Alta irradiancia, pero también alta temperatura. Disminuye el rendimiento total, pero se compensa por la cantidad de horas de luz.
Invierno	Poca luz, mayor tensión	Con la baja temperatura y poca luz existe mayor tensión y menor irradiación. Como resultado, obtenemos una producción menor pero más estable.

Qué ocurre con mis placas solares si está nublado o hay tormenta

Aunque los paneles solares funcionan mejor con radiación directa del sol, eso no significa que dejen de generar energía en días nublados o con tormenta. Sin embargo, la producción se ve afectada.

Cuando el cielo se cubre, la cantidad de radiación solar que llega a las células fotovoltaicas disminuye de forma notable. Esta reducción en la irradiancia provoca una caída inmediata en la generación eléctrica. Si la nubosidad es constante y densa (como ocurre durante días de lluvia o tormentas prolongadas), la producción puede verse reducida, especialmente en las horas centrales del día donde normalmente se alcanza el pico de generación.

En cambio, cuando las nubes son pasajeras, el efecto suele ser más leve y momentáneo. Se producen pequeños descensos en la producción que duran solo el tiempo que la nube permanece sobre la instalación. Estas oscilaciones pueden observarse en los datos de generación como “dientes de sierra” o picos irregulares durante la jornada.

Aun así, los paneles fotovoltaicos siguen funcionando gracias a la luz difusa, aunque lo hacen a una eficiencia menor que en condiciones óptimas. Es importante que al dimensionar una instalación se tenga en cuenta este comportamiento estacional y meteorológico para garantizar un buen rendimiento incluso en los meses menos soleados.

Cómo se adapta una instalación fotovoltaica al comportamiento de la temperatura

En el diseño de una instalación fotovoltaica se tiene en cuenta que los paneles trabajan a pleno rendimiento durante unas 4 horas solares pico al día (especialmente en verano). Esto permite dimensionar bien la instalación sin sobredimensionar el número de paneles, algo especialmente importante si el espacio en cubierta es limitado.

Además, podemos incluir dispositivos como microinversores y optimizadores para maximizar la producción en estos casos. Es el mismo procedimiento que se lleva a cabo cuando, por ejemplo, la obra implica instalar placas solares en diferentes orientaciones o existen sombras que interfieren en la irradiación.

Conclusión: ¿afecta la temperatura a tu instalación solar?

Sí. La temperatura influye directamente en la eficiencia de tus paneles solares. Por eso, en zonas como Andalucía, donde las temperaturas pueden ser elevadas, es importante:

• Contar con un diseño profesional adaptado a las condiciones reales de uso y realizado a medida.
• Realizar un correcto sobredimensionamiento de la instalación.
• Elegir módulos con buenos coeficientes térmicos y que ofrezcan garantías de producción.
• Incorporar microinversores y optimizadores para maximizar la producción.