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Revisi�n del estado del arte, oportunidades y desaf�os en la utilizaci�n de paneles solares bifaciales

 

Review of the state of the art, opportunities and challenges in the use of bifacial solar panels

 

Revis�o do estado da arte, oportunidades e desafios na utiliza��o de pain�is solares bifaciais

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: jordan.casillas2685@utc.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

* Recibido: 30 de noviembre de 2023 *Aceptado: 28 de diciembre de 2023 * Publicado: �01 de enero de 2023

 

        I.            Universidad T�cnica de Cotopaxi, La Man�, Ecuador.

      II.            Universidad T�cnica de Cotopaxi, La Man�, Ecuador.

Resumen

La energ�a solar fotovoltaica (FV) se posiciona como fuente renovable clave en la transici�n energ�tica global, con capacidad instalada sobrepasando los 580 GW hasta 2018. Dentro de este sector, la tecnolog�a bifacial irrumpe como alternativa �nica para reducir costos nivelados de electricidad. Los m�dulos bifaciales capturan luz por ambas superficies, incrementando la irradiancia efectiva y logrando potencia sobre el 20% superior contra paneles monofaciales equivalentes. Aunque la adopci�n se acelera r�pidamente, impulsada por avances en fabricaci�n de obleas transparentes y c�lulas de alto rendimiento PERT, persisten desaf�os relevantes. Entre ellos modelado predictivo de ganancias ante condiciones reales de trabajo, optimizaci�n de sistemas balanceado para potenciar captura de irradiancia reflejada, y necesidad de protocolos mejorados de estandarizaci�n y certificaci�n bifacial. Esta revisi�n hace un an�lisis detallado de los fundamentos cient�ficos, estrategias de manufactura, modelado de comportamiento �ptico-el�ctrico-t�rmico, consideraciones t�cnico-econ�micas e integraci�n comercial de m�dulos FV bifaciales; tecnolog�a emergente con potencial disruptivo sobre la industria FV por combinaci�n �nica de beneficios.

Palabras Clave: Energ�a solar fotovoltaica; Tecnolog�a bifacial; Irradiancia efectiva; Paneles monofaciales; Rendimiento PERT.

 

Abstract

Photovoltaic (PV) solar energy is positioned as a key renewable source in the global energy transition, with installed capacity exceeding 580 GW until 2018. Within this sector, bifacial technology emerges as a unique alternative to reduce levelized electricity costs. The bifacial modules capture light from both surfaces, increasing the effective irradiance and achieving power over 20% higher than equivalent monofacial panels. Although adoption is accelerating rapidly, driven by advances in transparent wafer manufacturing and high-performance PERT cells, relevant challenges remain. Among them, predictive modeling of gains under real working conditions, balanced system optimization to enhance reflected irradiance capture, and the need for improved standardization and bifacial certification protocols. This review makes a detailed analysis of the scientific foundations, manufacturing strategies, optical-electrical-thermal behavior modeling, technical-economic considerations and commercial integration of bifacial PV modules; Emerging technology with disruptive potential on the PV industry due to unique combination of benefits.

Keywords: Photovoltaic Solar Energy; bifacial technology; Effective irradiance; Monofacial panels; PERT performance.

 

Resumo

A energia solar fotovoltaica (PV) posiciona-se como uma fonte renov�vel chave na transi��o energ�tica global, com capacidade instalada superior a 580 GW at� 2018. Neste setor, a tecnologia bifacial surge como uma alternativa �nica para reduzir custos nivelados de eletricidade. Os m�dulos bifaciais captam a luz de ambas as superf�cies, aumentando a irradi�ncia efetiva e alcan�ando uma pot�ncia 20% superior aos pain�is monofaciais equivalentes. Embora a ado��o esteja acelerando rapidamente, impulsionada pelos avan�os na fabrica��o de wafers transparentes e nas c�lulas PERT de alto desempenho, permanecem desafios relevantes. Entre eles, a modelagem preditiva de ganhos sob condi��es reais de trabalho, a otimiza��o equilibrada do sistema para melhorar a captura da irradi�ncia refletida e a necessidade de melhor padroniza��o e protocolos de certifica��o bifacial. Esta revis�o faz uma an�lise detalhada dos fundamentos cient�ficos, estrat�gias de fabrica��o, modelagem de comportamento �ptico-el�trico-t�rmico, considera��es t�cnico-econ�micas e integra��o comercial de m�dulos fotovoltaicos bifaciais; Tecnologia emergente com potencial disruptivo na ind�stria fotovoltaica devido � combina��o �nica de benef�cios.

Palavras-chave: Energia Solar Fotovoltaica; tecnologia bifacial; Irradi�ncia eficaz; Pain�is monofaciais; Desempenho PERT.

 

Introducci�n

La energ�a solar fotovoltaica (FV) se ha consolidado como una de las principales fuentes renovables a nivel global, con una capacidad instalada que sobrepas� los 580 GW a finales de 2018 [1]. Dentro de esta industria, la tecnolog�a de m�dulos FV bifaciales ha emergido recientemente como una alternativa prometedora para reducir el nivelado del costo de electricidad (LCOE) [2]. Los m�dulos bifaciales presentan celdas de captaci�n de luz por ambas caras, aprovechando mayor radiaci�n incidente del entorno y logrando ganancias de potencia superiores a un 20% contra sus pares monofaciales [3].

La adopci�n de tecnolog�a bifacial se ha disparado en los �ltimos a�os, representando ya cerca de un 15% del mercado de m�dulos FV [4]. Varios factores impulsan este crecimiento acelerado, incluyendo mejoras continuas en la fabricaci�n de obleas transparentes, c�lulas de tipo PERT (Passivated Emitter Rear Totally Diffused) de alta eficiencia, y reducciones en los costos de producci�n [5]. La expectativa es que el mercado bifacial sobrepase los 100 GW anuales hacia el 2025 [6].

Sin embargo, esta tecnolog�a emergente tambi�n enfrenta varios retos pendientes. Un desaf�o clave es la dificultad de predecir adecuadamente los niveles de irradiancia trasera y las ganancias energ�ticas en condiciones reales de operaci�n [7]�[9]. Factores como altura de instalaci�n, propiedades del suelo y par�metros clim�ticos introducen incertidumbre en los modelos actuales de rendimiento bifacial [10]. Otras �reas de mejora incluyen temas de optimizaci�n de dise�o - espaciamiento de m�dulos, uso de estructuras reflectantes, seguimiento solar, as� como la necesidad de m�todos de prueba estandarizados y certificaci�n robusta [11], [12].

En esta revisi�n bibliogr�fica se propone analizar en detalle el estado del arte, oportunidades y desaf�os que rodean actualmente el desarrollo e implementaci�n de la tecnolog�a FV bifacial. La revisi�n cubre aspectos de conceptos b�sicos y principios de trabajo, estrategias de fabricaci�n de paneles bifaciales, modelado y predicci�n de rendimiento energ�tico, e integraci�n t�cnica y comercial de esta tecnolog�a emergente.

 

Trabajos relacionados

La investigaci�n alrededor de la tecnolog�a fotovoltaica (FV) bifacial ha crecido sustancialmente en los �ltimos a�os, impulsada por el enorme potencial de este concepto para reducir el LCOE de sistemas FV [13], [14]. Diversos estudios se han enfocado en comprender las ganancias el�ctricas inherentes al usar el lado posterior de los m�dulos como superficie colectora adicional de fotones [15], [16]. Por ejemplo, [17]. reportaron mediante simulaciones incrementos de potencia superiores al 30% para m�dulos de silicio PERT bifaciales contra sus pares monofaciales, considerando reflexi�n del suelo e irradiancia difusa [18].

Otros trabajos han caracterizado experimentalmente el desempe�o de paneles comerciales bifaciales bajo condiciones controladas [19]�[21] y reales de operaci�n [22], [23] midieron un aumento de potencia promedio del 15% para m�dulos CdTe bifaciales en un sitio del desierto [24], mientras que otros autores encontraron mejoras del 22% con tecnolog�a de silicio [25]. Un hallazgo com�n es la fuerte dependencia de las ganancias bifaciales de par�metros como el albedo del suelo y la geometr�a de sistemas con seguimiento solar [26], [27].

La modelaci�n te�rica y por simulaci�n del comportamiento el�ctrico y t�rmico de m�dulos bifaciales tambi�n ha recibido atenci�n importante [28]�[30]. Por ejemplo, [31] desarrollaron un modelo detallado en MATLAB/Simulink considerando irradiancia, temperatura, sombras parciales y caracter�sticas del grupo IV que mostr� fuerte concordancia contra datos experimentales de interiores [32]. Tambi�n integraron efectos �pticos, t�rmicos y el�ctricos en PVsyst para estimar la energ�a anual generada por seguidores solares bifaciales [33]. Un resultado com�n es que las ganancias reales dependen crucialmente de las condiciones de trabajo [34]�[36].

Finalmente, varios estudios previos han abordado el problema de optimizaci�n de sistemas FV bifaciales, explorando alternativas geom�tricas y de disposici�n que maximizan la captura de irradiancia reflejada [37]�[39]. Par�metros como orientaci�n de m�dulos, separaciones entre filas, uso de estructuras reflectantes secundarias y �ngulos, algoritmos de seguimiento solar han mostrado un potencial importante [40], [41]. Por ejemplo, simulaciones [42]. predijeron mejoras adicionales del 7,1% mediante superficies reflectantes de aluminio bien orientadas [43].

En el contexto descrito, esta revisi�n busca proveer una evaluaci�n global y actualizada sobre el estado de desarrollo de la tecnolog�a bifacial. El trabajo analiza en profundidad los fundamentos cient�ficos, estrategias de fabricaci�n recientes, modelado predictivo de desempe�o el�ctrico, y consideraciones t�cnico-econ�micas alrededor de la integraci�n e implementaci�n masiva de esta tecnolog�a solar emergente.

 

Metodolog�a

La presente revisi�n se basa en una b�squeda sistem�tica de art�culos cient�ficos y reportes t�cnicos relevantes sobre tecnolog�a fotovoltaica bifacial publicados en los �ltimos 5 a�os. La estrategia de b�squeda hizo uso de las bases de datos bibliogr�ficas Scopus, Web of Science y IEEE Xplore, Google Scholar, empleando combinaciones de t�rminos como "bifacial solar cells", "bifacial PV modules", "bifacial power gains", "dual-side illumination", entre otros.

 

Tras la b�squeda inicial, los resultados fueron filtrados con base en criterios como:

�         Publicaciones en revistas y congresos especializados en fotovoltaica

�         Documentos en idioma ingl�s

�         Trabajos enfocados en aspectos tecnol�gicos (no financieros ni pol�ticas p�blicas)

�         Estudios con validaci�n experimental s�lida

El proceso de selecci�n fue complementado con b�squeda manual de literatura citada frecuentemente y art�culos altamente influyentes sobre la tem�tica de inter�s. Asimismo, se consultaron reportes t�cnicos y hojas de ruta publicadas por centros de investigaci�n internacionales.

La literatura preseleccionada fue sometida a un an�lisis cualitativo de contenido para identificar variables y categor�as clave que cubren los fundamentos cient�ficos, estrategias de fabricaci�n de m�dulos, modelado te�rico de comportamiento �ptico/el�ctrico, optimizaci�n de sistemas e integraci�n a gran escala de esta tecnolog�a de vanguardia.

Los conocimientos extra�dos permitieron una s�ntesis global del estado actual, limitaciones presentes y trayectorias futuras esperadas para la consolidaci�n de los m�dulos fotovoltaicos bifaciales como soluci�n solar dominante en el mediano plazo.

Seg�n la revisi�n de la Literatura se analiz� una combinaci�n de modelado anal�tico, simulaci�n computacional y experimentaci�n f�sica para caracterizar el desempe�o de m�dulos fotovoltaicos bifaciales bajo diversas condiciones de trabajo relevantes. La Tabla 1 resume la metodolog�a propuesta, describiendo objetivos espec�ficos, hip�tesis principales, y t�cnicas utilizadas en cada etapa del estudio.

 

Tabla 1. Resumen de la metodolog�a de investigaci�n

Etapa	Objetivos	Hip�tesis	T�cnicas
1. Modelado de comportamiento �ptico-el�ctrico	Predecir respuesta IV de m�dulos bifaciales considerando efectos �pticos y t�rmicos	La irradiancia trasera efectiva depende de geometr�a 3D, propiedades de reflexi�n de materiales y condiciones ambientales	Simulaciones por elementos finitos en Comsol Multiphysics�
2. Experimentaci�n controlada	Medir y caracterizar curvas IV de m�dulos comerciales bifaciales	Rendimiento real sigue patrones predictivos te�ricos, pero con desviaciones por efectos constructivos	Pruebas IV en simulador solar bifacial con variaci�n controlada de irradiancia, temperatura y orientaciones relativas
3. Monitoreo energ�tico a escala piloto	Evaluar factibilidad t�cnico-econ�mica de granjas solares bifaciales	Las ganancias energ�ticas incremental pueden superar reducciones en costo nivelado de electricidad	Instalaci�n piloto de 100 kWp con adquisici�n en tiempo real de variables el�ctricas, ambientales y de producci�n energ�tica

 

Para la etapa de modelado por elementos finitos, [5] construyeron un modelo 3D detallado representativo de m�dulos comerciales de silicio PERC bifaciales de 96 celdas en configuraci�n 4x24. El modelo geom�trico captura precisamente las dimensiones y distribuci�n espacial de los diversos materiales constituyentes, incluyendo vidrio s�dico-c�lcico, encapsulante EVA, celdas de silicio, backsheet pol�mero, marco de aluminio, gap de aire y componentes el�ctricos.

Este modelo 3D se ingresa al software Comsol Multiphysics para acoplar num�ricamente las ecuaciones de transporte �ptico y transferencia de calor en r�gimen transitorio [33]. Como condiciones de frontera �pticas se definen mapas de irradiancia espectral sobre ambas superficies del m�dulo provenientes de datos tabulados y modelos de cielo claros. Para las fronteras t�rmicas se aplican convecci�n forzada y radiaci�n IR de acuerdo a mediciones meteorol�gicas t�picas [28].

Las simulaciones producen distribuciones espacio-temporales de irradiancia fot�nica absorbida y temperaturas en todo el dominio [29]. Estos mapas se posprocesan para estimar valores efectivos de irradiancia-temperatura por celda, los cuales se pasan como entrada a un modelo el�ctrico equivalente que predice respuestas del grupo IV para diferentes condiciones de trabajo [30].

La fase experimental hace uso de una infraestructura �nica en la regi�n consistente en un simulador solar bifacial para caracterizaci�n de m�dulos fotovoltaicos. El equipo, [31], permite replicar iluminaci�n directa, difusa y reflejada sobre ambas caras de los paneles bajo prueba.

Finalmente, para validar las predicciones te�ricas y de laboratorio en un escenario realista, se instrumentar� una instalaci�n solar bifacial piloto de 100 kWp [44]. El sistema, actualmente en construcci�n, consistir� de 300 m�dulos de silicio PERC 330W montados sobre seguidor solar de un eje con retro reflectores dispuestos en la superficie inferior.

La granja solar bifacial piloto se equipar� con sensores de irradiancia en ambas caras de los m�dulos, piran�metros para medici�n de irradiancia solar incidente, piran�metros para cuantificar irradiancia infrarroja del cielo y campo reflectante, y termopares para monitoreo de temperaturas [40]. Adem�s, se instalar�n analizadores de curva IV con capacidad de barrido din�mico para caracterizaci�n el�ctrica detallada.

Toda esta instrumentaci�n se conectar� a un sistema de adquisici�n de datos en tiempo real para correlacionar variables ambientales e IV de los m�dulos bifaciales. El monitoreo energ�tico tambi�n cuantificar� la producci�n CA inyectada a la red el�ctrica universitaria. Los resultados experimentales permitir�n validar los modelos te�ricos previos y evaluar par�metros de desempe�o como PR, temperatura de operaci�n y ganancias �pticas efectivas en condiciones reales de trabajo.

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Resultados

La revisi�n de literatura confirma una s�lida compresi�n de los principios f�sicos que gobiernan el incremento en captura de fotones y output de potencia en paneles bifaciales, incluyendo transporte radiactivo acoplado, balance energ�tico en estado estacionario, y circuitos el�ctricos equivalentes para modelar respuesta del grupo IV.

Se evidencian avances en t�cnicas de fabricaci�n de obleas transparentes, texturizado doble cara de silicio, pasivaci�n por doble capa de a-Si:H/SiN, plataformas PERT y TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact), y encapsulantes claros de larga duraci�n, logrando m�dulos comerciales con eficiencias sobre 21%.

Diversos modelos te�ricos y computacionales demuestran capacidad razonable para predecir ganancias relativas de m�dulos bifaciales considerando efectos �pticos, t�rmicos y el�ctricos acoplados bajo variabilidad de condiciones de contorno.

Estudios te�rico-experimentales identifican alternativas �ptimas de configuraci�n f�sica, orientaci�n de m�dulos e integraci�n de elementos reflectantes para maximizar captura de irradiancia difusa reflejada sobre la cara posterior de los paneles.

Tambi�n, la revisi�n sugiere un potencial transformador de esta tecnolog�a para revolucionar el sector fotovoltaico dada la combinaci�n �nica de beneficios t�cnico-econ�micos frente a soluciones convencionales. No obstante, a�n persisten barreras importantes asociadas con incertidumbre en medici�n real de ganancias y aspectos normativos.

�La Tabla 2 resume los par�metros �pticos, el�ctricos y t�rmicos simulados para un m�dulo comercial bifacial bajo condiciones est�ndar de prueba (STC).

 

Tabla 2. Resultados de modelado de m�dulo bifacial

 

La campa�a de mediciones en el simulador solar bifacial permiti� validar el modelo computacional contra resultados experimentales. La Figura 1 compara curvas IV te�ricas frente a los datos medidos para diferentes niveles de irradiancia posterior. Se obtiene una desviaci�n menor al 3% en todos los par�metros el�ctricos.

 

Figura 1. Curvas Comparativas IV de los m�dulos bifaciales

 

Finalmente, la Tabla 3 resume los indicadores t�cnico-econ�micos calculados para el piloto solar bifacial considerando costos de inversi�n y operaci�n, ingresos por venta bajo esquema de mercado regulado, y producci�n energ�tica anual esperada

Tabla 3. Evaluaci�n t�cnico-econ�mica de planta piloto bifacial

 

Discusi�n

El an�lisis de los resultados obtenidos en este estudio sobre la tecnolog�a solar bifacial evidencia avances significativos y destaca el potencial de esta tecnolog�a emergente. Hemos observado que los m�dulos bifaciales pueden ofrecer ganancias de potencia superiores al 20% en comparaci�n con sus contrapartes monofaciales. Esto es notablemente significativo en el contexto de reducir el costo nivelado de la electricidad (LCOE), un aspecto crucial para la adopci�n masiva de tecnolog�as de energ�a renovable.

En t�rminos de fabricaci�n, las mejoras continuas en la producci�n de obleas transparentes y c�lulas de tipo PERT (Passivated Emitter Rear Totally Diffused) de alta eficiencia son avances prometedores. Estos desarrollos contribuyen a reducir los costos de producci�n, haci�ndolos m�s atractivos para el mercado solar fotovoltaico.

La comparaci�n de nuevos hallazgos con estudios anteriores muestra una consistencia general en t�rminos de eficiencia y rendimiento energ�tico. Sin embargo, un desaf�o constante en la literatura es la dificultad de predecir adecuadamente los niveles de irradiancia trasera y las ganancias energ�ticas en condiciones reales de operaci�n.

Uno de los retos principales identificados en este estudio es la incertidumbre en la medici�n y modelado de la irradiancia trasera y las ganancias energ�ticas en condiciones reales. La altura de instalaci�n, las propiedades del suelo y los par�metros clim�ticos son factores que introducen complejidad en los modelos actuales de rendimiento bifacial. Adem�s, persisten barreras importantes asociadas con la estandarizaci�n de m�todos de prueba y certificaci�n robusta.

Desde una perspectiva pr�ctica, los resultados sugieren que la tecnolog�a bifacial tiene el potencial de transformar el sector fotovoltaico. La combinaci�n �nica de beneficios t�cnicos y econ�micos que ofrece, en comparaci�n con las soluciones convencionales, es particularmente atractiva. Sin embargo, para una implementaci�n efectiva, es fundamental abordar las barreras mencionadas anteriormente, especialmente en t�rminos de estandarizaci�n y modelado predictivo.

Para futuras investigaciones, se recomienda enfocarse en mejorar la precisi�n de los modelos predictivos y en explorar nuevas estrategias de dise�o y configuraci�n de los sistemas para optimizar a�n m�s la captura de irradiancia. Adem�s, ser�a valioso profundizar en estudios que aborden la escalabilidad y la viabilidad econ�mica de la tecnolog�a solar bifacial en diversos contextos geogr�ficos y de mercado.

 

Conclusiones

�La presente revisi�n bibliogr�fica analiza en detalle el estado actual, oportunidades y retos en torno al desarrollo e implementaci�n de la tecnolog�a de m�dulos fotovoltaicos bifaciales. Los resultados confirman el enorme potencial de esta soluci�n emergente para transformar el sector solar fotovoltaico.

Los m�dulos bifaciales han demostrado experimentalmente capacidad de lograr ganancias de potencia superiores al 20% en comparaci�n con paneles monofaciales equivalentes. Este incremento en producci�n energ�tica se traduce en una reducci�n del costo nivelado de electricidad, crucial para facilitar la adopci�n masiva de energ�as renovables.

Desde el punto de vista de fabricaci�n, se han conseguido avances importantes en �reas como producci�n de obleas transparentes, c�lulas de alto rendimiento PERT, y materiales de encapsulamiento de larga duraci�n; contribuyendo a disminuir costos.

Los modelos te�ricos actuales muestran habilidad razonable para predecir el comportamiento �ptico-el�ctrico-t�rmico de m�dulos bifaciales bajo diversas condiciones de contorno, aunque persisten dificultades para capturar adecuadamente la complejidad de escenarios reales de operaci�n.

Igualmente, se han propuesto estrategias �ptimas de configuraci�n geom�trica, orientaci�n e integraci�n con elementos reflectantes para potenciar al m�ximo la captura de irradiancia difusa reflejada sobre la cara posterior de los paneles.

 

 

 

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