Construyendo un panel solar fotovoltaico casero utilizando policarbonato transparente (Actualizado)

En esta entrada veremos cómo construir un panel fotoeléctrico de forma casera de la forma más económica posible, pero a la vez que sea seguro y duradero (tiene que aguantar 25 años). Como veremos, la dificultad de la fabricación es muy alta, por lo que lo recomiendo sólo para los más manitas ;). Además el proceso es largo, pero muy satisfactorio si te gusta el "hazlo tú mismo" y te fascinan los paneles fotovoltaicos.

He visto muchos ejemplos en internet de paneles caseros poco duraderos, algunos preparados con marco de madera, que dudo que duren más de diez años, o en cajón estanco sellado con silicona (de forma que la humedad entra pero luego se condensa dentro al no poder salir rápidamente, corroyendo las células), con lo que el posible ahorro de hacer el panel de forma casera se va por la corta duración de forma eficiente del mismo.

Como comentamos en la entrada anterior, mi intención era utilizar policarbonato, tres veces más económicó que el cristal, además de mucho más seguro y ligero, cuyo único problema es que dilata 3 veces más que el cristal, y tiene un rendimiento lumínico algo menor que el cristal (y que baja todavía más al blanquear con el sol), pero se mantiene en un rango razonable durante los primeros 30 años, que es lo que nos interesa.

Para sujetar las células solares, he buscado la forma más sencilla y económica; sin utilizar soporte o tapa trasera, sino uniéndolas directamente al policarbonato, y de esta forma matar varios pájaros de un tiro:

• Reduces costes de materiales,
• Aligeras el panel,
• Evitas posible acumulación de humedad y/o agua, ya que el policarbonato no es totalmente impermeable (ningún plástico lo es, a menos que tenga una barrera de metal), por lo que es conveniente que no queden espacios donde el aire húmedo pueda acumularse.
• Permite algo de paso de la luz entre las células, por lo que la zona inferior sigue parcialmente iluminada.
• Las células dan un rendimiento mayor cuanto más "frescas" estén; por cada ºC superior a 25ºC, el panel perderá un 0,5% de eficiencia. Si dejamos la parte trasera "al aire" sólo con una capa de protección (pintura, epoxy o silicona), se refrigerarán mejor, durarán más y darán más electricidad.

Además al estar pegados al plástico las células, no hay bolsas de aire apenas y eliminas posibles problemas de corrosión en las células por condensación.

Nota: Ésa era mi intención, pero como veremos al final, si me acompañas en esta aventura querido lector, verás que unir las células al policarbonato no es la mejor opción, sino que es mejor dejarlas separadas, de forma que el plástico dilate libremente y el calor de las células no pase directamente al mismo. De todo se aprende. No obstante, os detallaré el procedimiento utilizado por si queréis emplear cristal, ya que esta solución técnica sí que serviría en caso de utilizar vidrio, ya que presenta la misma dilatación que las propias células (al fin y al cabo no son más que obleas muy finas de silicio cristalino).

El único problema que esta configuración puede tener el hecho de no poner tapa trasera y utilizar policarbonato, es que es menos fuerte ante las rachas de viento (aunque yo he usado plancha de policarbonato transparente incoloro de 5 mm. para robustecerlo), por lo hay que instalarlo de forma que el viento no pueda incidir en él de forma violenta; por ejemplo poniéndolo totalmente pegado a la superficie lisa del tejado, o a la pared, sin hueco detrás por donde el viento pueda colarse y "hacer fuerza" tirando de él, ya que al estar anclado el policarbonato en pocos puntos, la tensión del viento >50 kms/nr puede ser excesiva llegando a partir la zona de los anclajes. También podemos evitar este problema colocándolo en una zona protegida del viento, o bien con una inclinación y posición para que las rachas de viento más habituales de la zona que no den de frente directamente, y el panel las "corte" de alguna forma.

El gran descubrimiento ha sido la silicona neutra, como ya vimos en la entrada anterior; nos permite mucho juego gracias a su resistencia a los UV, gran transparencia, buena adherencia sobre todo tipo de materiales, económica y fácil de usar.
Hubiera sido ideal usar silicona líquida transparente para pegarlas (aunque ya no es necesario como veremos), pero no la he encontrado por ninguna parte, he encontrado líquida tipo Rubson para impermeabilizar tejados pero son de colores. En transparente sólo en formato cartucho y bastante densa.

La capa de silicona tiene que ser suficiente para que la tensión del policarbonato al dilatar no afecte directamente a las células, sino que se amortigüe en la silicona. He calculado a ojo que podría valer una capa de 2-3 mm, y esperaba que sirviera y las células pudieran aguantar la tensión superficial que se hace de forma longitudinal, pero como veremos al final de la entrada no es suficiente, y esta separación, en caso de unirlas, debiera ser entre 5 y 20 mm., lo que hace inviable esta solución por su coste y reducción de eficiencia.

Comprando la plancha de policarbonato

Las placas de 5 mm. de PC las tienen los almacenes (Plasinco por ej.) en formato de placa de 3050 x 2050 mm. que luego pueden suministrar cortadas en el formato que queramos.

Nota: He optado por 5 mm. de espesor para darle mayor rigidez, pero de 4 mm. no presenta gran diferencia, además, como veremos más adelante, tenemos más opciones constructivas; podríamos haber optado por una placa de 3 mm. y otra de 2 mm. a modo de tapa posterior, en medio de las cuales van las células "flotando" unidas con puntos de silicona y la plancha posterior también unida con múltiples puntos de silicona a la placa frontal; actualmente creo que es la opción más duradera y resistente, y así lo voy a hacer en el panel siguiente, para dentro de un mes.

Una placa entera cuesta 270 euros, y yo para aprovechar materiales, he intentado hacer el panel lo más grande posible buscando el equilibrio entre tamaño y peso total, así que he optado por comprar media placa (1525 x 2050) cortada en dos para hacer dos paneles de 1525 x 1025 mm.
Con ese tamaño me da para colocar 5 filas x 9 columnas de células de 156x156 mm; 45 células en serie de 0,56V que produce cada una me dan 25 voltios máximo totales cada panel, que conectare en paralelo usando un diodo schottky doble con positivo común.

Nota: Podemos hacer la configuración de filas x columnas que mejor nos venga para nuestro proyecto, siempre que podamos dejar mínimo 5 mm. entre célula y célula para hacer las conexiones, e intentando que todos los paneles que vayan al mismo micro-inverter tengan el voltaje similar (aunque sean de diferentes potencias). También podría haber puesto 6 filas x 8 columnas, pero no quedaba sitio en los lados extremos para las dilataciones previstas del policarbonato.

Como el inversor chino que he comprado acepta hasta 28V de entrada, no hay problema:

Preparando el bastidor

Para la sujección de la plancha de policarbonato tenemos que preparar un marco o bastidor del tamaño requerido, en algún material que pueda aguantar 30 años a la intemperie sin deteriorarse significativamente. Lo ideal es que sea del mismo tamaño o 1 cm. más pequeño, para que el policarbonato sobresalga y lo proteja de la lluvia.
Yo he reciclado unos tubos cuadrados, dejando un hueco entre el captador y los amarres superiores para separarlo un poco de la pared, como puede verse en el croquis.

Croquis marco y panel con rasgados para dilatación y amarre en pared

Material necesario: Máquina de soldadura electrógena, amoladora pequeña con discos de 125x3x22 y de corte de 125x1x22 mm, pantalla de oscurecimiento automático, regla, escuadra, tubo de 50x50x1,5 mm, electrodos de acero de 2 mm, etc. Preparamos dos tubos iguales para lo largo y otros dos para el ancho teniendo en cuenta la medida del panel, como hemos comentado.

 

Con ayuda de una escuadra y una superficie lisa grande presentamos los listones, los sujetamos y los punteamos con el tamaño de la placa. Puedes usar madera, pero no lo recomiendo porque se deteriora rápidamente a la intemperie.

Terminamos las soldaduras y nos tiene que quedar algo parecido a esto. Seguidamente le apliqué pintura estilo forja en las zonas soldadas y donde estuviera más expuesto a la corrosión, esta pintura lleva partículas de metal y es muy buena contra la corrosión, muy duradera con sólo dar una mano.

En el centro falta de colocar un refuerzo, que dejare para el final para facilitar la colocación de las células fotovoltaicas.

Como indico en el croquis anterior, para sujetar la plancha al soporte permitiendo que ésta pueda cambiar de tamaño libremente hemos de preparar agujeros rasgados en el sentido de la dilatación. En aquellas zonas donde queda mucho espacio reforzaremos la sujección con bridas, ya que al ser de plástico permiten cierto movimiento y son muy duraderas (10 años sin sufrir deterioro significativo).

He preparado una plantilla para el rasgado de los agujeros, que utilizaré para marcar su posición y terminarlos luego con la broca y el taladro:

Plantilla con rasgado de 8 mm. x 2,5 cms de largo

Para ello he usado arandelas grandes de 25 mm de diámetro, con goma. Debajo de la misma colocaré trozos de policarbonato de 1,5 mm. para que pueda deslizarse (la goma se quedaría enganchada, y además se va deteriorando).

Los tornillos rosca chapa que he utilizado son de 8 mm., pasan justos por la arandela. También se pueden usar unos un poco más pequeños.

Una vez seca la pintura colocamos el panel en su sitio a presentación sujeto con unas mordazas.

Y procedemos a el marcado del rasgado, y con una broca HSS de 8 mm. taladramos policarbonato y la parte superior del metal, sin atravesarlo. Si el tornillo rosca-chapa elegido fuera más pequeño, tendríamos que perforar con una broca 1 mm. más pequeña que el diámetro interior de la rosca del tornillo.

Es muy importante hacer los agujeros en la parte más interna posible para dejar suficiente material de la placa a los lados; 2 cms. es más que suficiente, para que quede fuerte y no se rompa con excesiva facilidad.

Para terminar de cortar los rasgados usaremos una broca bien afilada que tenga buen corte lateral, y sujetando la plantilla, ayudamos al taladro a seguir el rasgado, 

Rasgaremos también un poco hacia afuera, para que el panel también aguante las contracciones de las posibles heladas, y no se rompa donde el tornillo al llegar al tope. Es una operación delicada que hay que hacer con maña y paciencia.

En mi caso, como los tornillos son muy largos, amarran sobre el otro lado, por lo que termino de atravesar el tubo con una broca de 6 mm. y seguidamente colocamos los tornillos con sus arandelas y separador de policarbonato, pero sin apretar mucho, dejando medio mm. de holgura aproximadamente para permitir el libre movimiento de la placa.

Para fijarlos, ya que quedan flojos, les he dado un punto de soldadura por el otro lado y los he cortado.

Colocación de células fotovoltaicas en la placa

Para ello primero retiramos la película protectora de la placa de la parte interior; el panel gracias a la misma se ha conservado sin ninguna rozadura (recordemos que es muy fácil de rallar):

Es la hora de marcar unas líneas que nos servirán de guía para colocar las células. Usando un plástico del mismo tamaño como guía comprobamos las distancias; hemos de tener en cuenta dejar al menos 2 cms. en cada extremo para las dilataciones del panel, y entre célula y célula mínimo 4 mm. para facilitar las conexiones.

Hacemos unas marcas con las divisiones necesarias, e improvisando una regla marcamos con el bolígrafo o rotulador que se pueda eliminar fácilmente una línea discontinua.

Colocando las células

Una vez que tenemos las células fotoeléctricas preparadas con la pista soldada en su lado negativo, con la longitud suficiente para unirlas después al lado positivo en su unión en serie unas con otras, las vamos a ir poniendo sobre el policarbonato.

No explicaré aquí cómo se sueldan, pues hay numerosos vídeos en internet, y tan sólo necesitamos un bote de flux, pistas de cobre estañadas, y un soldador de 60W mínimo con una punta con una zona de la anchura de la pista, y mucha maña y paciencia.

Atención: Las células son obleas de cristal sumamente frágiles, hay que manejarlas con mucho cuidado. No os preocupéis, porque aunque en un principio os cueste, enseguida os acostumbraréis a manejarlas como si fueran discos de CD extremadamente frágiles. ¿He dicho frágiles? Frágiles no, lo siguiente ;).

Celulas policristalinas 156x156 mm de 14,4% de eficiencia y 3,5W de potencia adquiridas en Ebay

Colocamos las celulas a presentación para ver qué espacio hemos de dejar entre ellas, ya que iré colocando una a una sobre un colchón de silicona neutra.

Empezamos el proceso en el lado donde van a ir las pistas sueltas para que éstas no nos estorben según vayamos colocando células. Primero echamos un cordón de silicona suficiente del tamaño de la célula.

Lo alisamos con una espátula procurando dejar el mismo grosor en todo el recuadro:

Y seguidamente ponemos con cuidado la célula, apretándolas contra la silicona. Para ello tenemos que usar una superficie lisa del tamaño de la célula, con una goma fina por el lado que tocará la célula para que se adapte, y apretar con mucho cuidado, para reducir las bolsas de aire. (Sin embargo esto no es necesario si utilizamos otro método más correcto que este y que veremos en la entrada siguiente). 

Si oímos un crujido, es que la célula se ha agrietado o roto. Ésto no supone un problema grave siempre y cuando no quede ningún trozo de la célula separada del resto. Y aunque así fuera no reduce la capacidad de las demás células. El problema puede venir si la rotura afecta a la zona de las pistas. En definitiva: Si rompes una célula y la grieta se puede ver a simple vista, es mejor cambiarla.

El hecho de separar la célula del policarbonato con silicona nos va a permitir luego soldarlas con facilidad una vez la silicona esté seca.

Como veremos en la entrada siguiente, no es conveniente hacer una capa de silicona, sino que es mejor aplicarle una finísima capa de protección directamente a la célula en el lado de contacto con el policarbonato, para proteger, y una vez seca colocarla en su sitio, con un cordón de silicona sólo por el contorno para sujetarla y que quede flotando sobre el policarbonato (antes soldarlas usando un cuadrado de cristal del tamaño de la célula para aislar del policarbonato); os lo explicaré mejor en la siguiente entrada con un vídeo. De esta forma evitaremos los problemas relacionados con la dilatación, mejoraremos la transferencia lumínica y gastaremos menos material, facilitando a su vez el posible cambio de una célula averiada.

Pero elijáis los materiales que elijáis, el proceso de construcción de un panel es similar; vamos colocando las células con las pistas de cada fila hacia un lado diferente, y de la siguiente al lado contrario para poder luego unirlas fácilmente en serie (normalmente 36 células, yo pondré 45):

En las siguientes imágenes podéis ver cómo quedan.

Cuando terminé me sobraba un cuarto de un cartucho de silicona así que lo apliqué en los laterales de dos filas.

Podéis ver que las células están colocadas haciendo zig-zag

Ahora no nos queda más que esperar una semana para que la silicona se seque bien. Lleva una semana porque el cristal de las obleas es opaco al paso de las moléculas del aire, por lo que la silicona sólo puede endurecerse por la acción de las moléculas de aire que puedan entrar por el frente de policarbonato y por estrecho espacio lateral, sobre todo.

Soldando las pistas de las células

El siguiente paso es terminar de soldar las células entre sí. Para ello necesitamos un soldador potente de 60W, y unos 50 mts de rollo de pista para 100 células de 156x156 mm. de cobre estañada de 2 mm. de anchura de buena calidad.

Verificamos que las pistas van bien en su sitio. El lado gris es la parte positiva de las células, mientras que el lado que está de cara al sol es la parte n (de negativo) del semiconductor.

 

Como veis en la imagen siguiente, dada la dilatación del policarbonato es muy importante dejar una doblez hacia arriba en las pistas entre célula y célula para que se puedan estirar y encoger libremente unos 5 mm.

Una vez preparadas, podemos aplicar flux líquido de pincel o bolígrafo (sin él la soldadura se dificulta mucho, ya que es necesario para eliminar la capa de óxido de la fina capa conductora):

Pasamos el soldador sujetando la pista en su sitio despacio dejando que se funda el estaño a la célula. Un sólo bote de flux de 15 ml. os llegará para preparar 10 paneles solares como este. Yo lo adquirí en Ebay por 5€ + portes.

Si queréis evitar tener que retirar alguna de las células después de soldarlas, es muy recomendable que las comprobéis con el tester antes de unirlas; en mi caso una de ellas, no sé por qué motivo, me daba una resistencia muy baja, de tan sólo 5 ohmnios, lo que indicaba un claro cortocircuito (tal vez dañada al soldar la pista por el otro lado) mientras que lo normal es entre 200 ohmnios y 1 K, dependiendo de la luz que incida sobre ellas (cuanto más iluminadas, más baja su resistencia).

Aspecto del hueco tras arrancar con el cutter la célula dañada.

Finalmente nos queda unir las filas. Se suele usar un cable más ancho pero es suficiente con usar dos pistas unidas entre sí para permitir un mayor paso de electricidad. Como podéis ver, he colocado los cables planos hacia dentro para dejar espacio en los extremos y poder librar el marco cuando la placa dilate. Muy importante aislar el lado positivo, yo he utilizado dos capas de cinta americana. Al doblar los cables, procurad que no toquen la esquina de la célula para evitar un posible corto.

El grosor y anchura de las pistas usadas es suficiente para aguantar 300W sin pérdidas, por lo que no debemos preocuparnos siempre que las soldaduras estén bien realizadas.

Detalle de la unión entre dos filas en serie con doble cable soldado

Comprobando el rendimiento del panel

Y llegó la hora de la verdad; comprobaremos el rendimiento del panel antes de terminar de sellar la parte posterior de las células con silicona aplicada con brocha.
Como podéis ver en la imagen el aspecto es muy bueno, y aunque han quedado bolsas de aire, éstas no afectan a su rendimiento como veremos.

Panel al sol del 18 de febrero 2014; nótense las bridas que he colocado para mejorar la sujección

He procurado poner el panel lo más enfrentado al sol posible, y de una potencia máxima teórica de 3,5W por célula, es decir un total de 157W, he obtenido picos de 132W, por lo que en principio parecía ser todo un éxito (teniendo en cuenta las pérdidas del 10% del inversor, del pequeño error de colocación que pueda haber), nos indica que perdemos aproximadamente un 5% de rendimiento por el policarbonato y silicona, lo que no está nada mal, y lo que nos confirma que estas células no aprovechan el rango de UV de la luz (porque esta plancha Lexan lo refleja; ambas caras están protegidas contra UV).

Creo que la radiación solar en invierno y verano es prácticamente la misma, lo único que cambia es el ángulo sobre el que inciden los rayos solares (de hecho en invierno el sol está un poco más cerca). Por eso la producción del panel se ajusta a la teórica.

Un medidor electrónico (mide el paso de la electricidad en ambos sentidos) nos sirve (fuente)

Nota: Si tan sólo una de las células se queda a la sombra, la producción del panel será 0 vatios. Y si se queda la mitad de una célula a la sombra, la producción será la mitad. En esta situación de sombra el panel no produce, y la zona sombreada se comporta como una resistencia, impidiendo que pase la electricidad y consumiendo la producción del resto. Por eso son importantes los diodos de bloqueo, como veremos en la otra entrada posterior cuando tratemos la inclinación y protección de los paneles.

Sin embargo al de una hora al sol, empezaron los problemas. Como se ve en la siguiente imagen, 3 células que estaban ya debilitadas por micro fisuras al colocarlas, no han podido aguantar la tensión y se han terminado de resquebrajar (se pueden ver las grietas iluminadas):

Examinando con detenimiento dichas células, vemos la gravedad del asunto. A la hora de retirar el panel la temperatura del policarbonato era de 35ºC, y de unos 45º las células. Si esto ha pasado a estas temperaturas invernales, no me puedo imaginar lo que pasará en verano.

Grietas en las células: Cuando se enfrió apenas se apreciaban

Y no sólo eso, sino que al estar el lado negativo pegado al policarbonato, el mismo se cargaba eléctricamente, atrayendo a las partículas de polen presentes en el aire que habían sido cargadas estáticamente por el sol. en una hora la presencia de polen era bastante evidente. ¿Posible solución a este imprevisto? Tal vez sea debido a que se encontraba aislado de tierra (sobre una madera), y cuando lo coloque amarrado a la pared esta carga se desvíe de forma natural.

Ante el relativo fracaso del experimento (debí haber probado con unas muestras diferentes formas de colocar las células antes de nada), me toca separar todas las células que estén intactas con una espátula bien afilada :(, y colocarlas con mayor separación. Ya os contaré qué tal va, en caso de no ser recuperables, habré perdido 45€ en células y unas cuantas horas de trabajo... en todo proceso de aprendizaje se cometen errores ;)

Hoy 24/02/14 he vuelto a probar el panel y sigue dando 130W a pleno sol. En vista de que es inviable soltar las células sin romperlas, las dejaré como están, y veremos qué sucede con el resto en verano; dado que en los 156 mm. que miden las células sólo se dilata 1 mm., es posible que sólo hayan roto las que ya estaban debilitadas. Lo instalaré y seguiré con el otro, colocándolas de otra forma sobre el policarbonato.

En la próxima entrada veremos cómo colocarlas separadas del PC flotando, con una fina capa de silicona para proteger las células primero, y una vez secas, las colocamos y sujetamos con un cordón de silicona alrededor sólo por el contorno para mantenerlas en su sitio y obtener mejor rendimiento del captador, además de reducir el trabajo.

Actualización 05/05/2014

Definitívamente como podéis ver en esta entrada, el pegar las células al policarbonato ha sido mala idea. No sólo la dilatación ha roto la mitad de células, sino que la silicona refleja la luz allí donde se ha despegado, reflejando la luz y apenas pasa luz, reduciendo la potencia máxima a 100W de unos teóricos 160W, y además los electrones de las células han cambiado químicamente a la silicona, amarronándola (al destruir los enlaces supongo) e incluso dañando el policarbonato parcialmente (una de ellas la pegué sólo alrededor sustituyendo a otra rota y sigue perfecta, indicada en rojo, se ven los resto de silicona mal retirados de la anterior).
Además, cuando se calienta mucho el captador, la potencia entregada se reduce a 20W al separarse algunas de las células en varios trozos. Sigue funcionando, pero entrega por poco tiempo 100W (si la temperatura es baja).

Para aprovecharlo mejor, sólo me queda retirar todas las células con una cuchilla de limpiar vitrocerámicas y volver a sujetarlas de otra forma que no las ponga en riesgo, colocándolas directamente contra el policarbonato y luego pegándolas con un cordón de silicona alrededor, como terminé haciendo y que comento en esta entrada. O mejor colocar algún soporte y encima el policarbonato...).

Actualización 2018: La mayor parte de las células no han resistido las dilataciones del policarbonato a pesar de estar flotando y sólo unidas en los extremos, un panel no da ya energía y el otro apenas 20W. Definitívamente sólo se puede usar vidrio para fabricarlos (u otro material con el mismo coeficiente de dilatación). De los errores también se aprende... aunque en este caso era bastante previsible, un gran error. Mejor hacerlas como éste otro hizo:

Parte 2

Parte 3

Fuentes:

http://www.electricidad-gratuita.com/multimetro_solar.html

Proyecto de panel fotovoltaico de policarbonato (Al parecer no he sido el primero ;)
Encapsulación de paneles fotovoltaicos caseros
Célula fotoeléctrica Wikipedia español