Qué es la energía solar fotovoltaica
L’energia fotovoltaica és la transformació directa de la radiació solar en electricitat. És un tipus d’energia renovable, inesgotable i no contaminant que permet muntar des d’instal·lacions de dimensions reduïdes fins a grans plantes de generació. La radiació solar és el conjunt de radiacions electromagnètiques emeses pel sol i que es propaguen a través de l’espai i transporten energia. La potència de la radiació solar rebuda a la capa externa de l’atmosfera és d’aproximadament 1.353W/m2 (Tudel, 2020), amb la distribució següent:
- 8% ultraviolada
- 46% visible
- 46% infraroja
Il·lustració 1: Distribució en termes de potència i percentatge de l’espectre electromagnètic
Un cop la radiació solar travessa l’atmosfera, experimenta diversos processos d’interacció amb la matèria que la composa i en la que fenòmens com la reflexió, la transmissió i l’absorció l’alteren. És per això que a la superfície de la Terra només es pot aprofitar una part de l’energia disponible.
L’efecte fotovoltaic va ser descrit per primer cop el 1839 pel físic francès Alexandre- Edmond Becqueret. (Becquerel, 1839).
La primera cèl·lula fotovoltaica va ser fabricada per Charles Fritts el 1884 i estava formada per seleni recobert d’una fina capa d’or que oferia una eficiència del voltant de l’1%.
Il·lustració 2: Instal·lació dels primers mòduls fotovoltaics per Charles Fritts a la coberta d’un edifici de Nova York l’any 1884.
No va ser fins el 1954 que Daryl Chapin, Calvin Souther Fuller i Gerald Pearson, dels laboratoris Bell Telephone, van desenvolupar la primera cèl·lula fotovoltaica comercial de silici, que tenia una eficiència aproximada del 6%. (Perlin, 2004)
Les primeres aplicacions de l’energia solar fotovoltaica van tenir lloc a la indústria aeroespacial, amb la instal·lació de cèl·lules solars a satèl·lits, naus i estacions espacials.
Durant la dècada de 1970, 1980 i principis dels 90, les millores es van anar produint de forma lenta i la fabricació es feia al principi d’una manera gairebé artesanal. A la segona meitat dels anys 90 l’experiència adquirida va permetre l’auge tecnològic i la fabricació en massa de panells solars, amb el corresponent abaratiment de costos.
Il·lustració 3 Treballador de BELL TELEPHONE instal·lant mòdul fotovoltaic
Les darreres dècades l’energia fotovoltaica s’ha posicionat com una de les fonts d’energia amb major evolució y projecció. El cost dels panells fotovoltaics ha caigut més d’un 97% des de la dècada dels 90 (BloombergNEF, s.f.) seguint la denominada llei de Swanson, una predicció que estableix que cada cop que es duplica la capacitat de la indústria fotovoltaica, els preus dels mòduls fotovoltaics baixen un 20%.
Il·lustració 4: Evolució del preu dels mòduls en base a la producció [Germany’s International Technology Roadmap for Photovoltaic (ITRPV)]
Tipus d’instal·lacions fotovoltaiques
Les instal·lacions fotovoltaiques poden classificar-se principalment en instal·lacions connectades a la xarxa o instal·lacions aïllades.
Les instal·lacions connectades a la xarxa permeten avançar cap a un model de generació distribuïda, apropant la producció d’energia elèctrica als punts de consum. Aquesta mena d’instal·lacions treballen acoblades a la xarxa elèctrica i permeten aplicacions tant d’autoconsum com de venda d’energia.
Les instal·lacions fotovoltaiques aïllades són generadores d’electricitat sense cap connexió a la xarxa de distribució elèctrica. Per fer-ho els cal l’ús de bateries, les quals generen la xarxa elèctrica i emmagatzemen l’energia fotovoltaica en hores diürnes per tal de poder subministrar-la la resta d’hores on hi ha consum.
Actualment, una de les aplicacions més importants de les instal·lacions aïllades és la del bombeig directe d’aigua. Es una aplicació especialment apta per a zones rurals amb un índex d’insolació elevat, on cal algun mecanisme per bombejar aigua des d’una diferència de cotes. Actuen de tal manera que, quan el generador fotovoltaic comença a generar energia, la bomba inicia l’extracció d’aigua, variant el cabdal extret en funció de la disponibilitat energètica al llarg del dia.
Els components principals d’una instal·lació FV
Els mòduls fotovoltaics
Els mòduls fotovoltaics són els equips encarregats de transformar la radiació solar rebuda en corrent elèctrica continua.
En funció de la naturalesa i les característiques dels materials emprats, podem trobar diferents tipus de mòduls.
Els més comuns són els de silici cristal·lí (Si), que en funció del procés de fabricació del component poden ser monocristal·lins o policristal·lins.
També podem trobar els anomenats mòduls de capa fina. Aquest tipus de mòduls no es fabriquen amb cèl·lules individuals, sinó que els formen bandes continues en les que s’hi diposita una capa fina (d’1 o 2 µm de gruix) de silici amorf (a-Si), i s’obté així un mòdul que no necessita interconnexions interiors.
Las cèl·lules de silici amorf presenten un rendiment d’aproximadament la meitat del de les cèl·lules cristal·lines, motiu pel qual s’estan començant a utilitzar altres tipus de semiconductors en la fabricació de cèl·lules de capa fina, com són el selenur de coure i indi (CIS) o el tel·lur de cadmi (CdTe).
L’estructura de suport
L’estructura de suport és l’element de la instal·lació encarregat de fixar els mòduls i és, per això, un dels elements que està sotmès a majors esforços mecànics i a més agressions ambientals.
Principalment se’n poden identificar les següents tipologies:
- Estructures fixades
- Estructures llastrades/autoportants
Com suggereix el seu nom, en el primer tipus d’estructures es necessita una fixació sobre l’element estructural que sigui capaç de suportar els esforços mecànics sol·licitats. La disposició d’aquesta mena d’estructures sobre la coberta d’un edifici requereix un disseny detallat i cuidat, ja que hi ha risc de malmetre una part sensible de l’edificació, la coberta. Aquest tipus d’estructura es pot utilitzar tant en cobertes planes com inclinades, i permet orientar-les en la posició desitjada. Un cas particular en són les estructures coplanàries, que es fan servir especialment en les cobertes inclinades que ja tenen una orientació i inclinació adequades, i que destaquen per ser estructures lleugeres.
A les estructures llastrades es substitueix la fixació a l’element estructural clàssic (coberta, terreny, etc.) per la utilització de material pesant amb funció d’element de llast (formigó, pedres, etc.), que al seu torn fa d’element de fixació i contrapès.
L’inversor
L’inversor és l’element encarregat de transformar la corrent continua generada pels mòduls en corrent alterna.
En funció del tipus de connexió a xarxa poden ser monofàsics o trifàsics.
Els inversors de connexió a xarxa disposen, normalment incorporades al propi equip, de les proteccions per poder acoblar-se a la xarxa elèctrica i que són les següents:
- No funcionament en illa: En cas d’interrupció/caiguda de la xarxa elèctrica, l’inversor es desconnecta automàticament i no funciona en illa en cap cas. Al restabliment de la xarxa es torna a connectar automàticament.
- Control de la mínima i màxima tensió: L’inversor es desconnecta automàticament quan els valors de tensió de la xarxa es troben fora del rang estipulat.
- Control de freqüència: L’inversor es desconnecta automàticament quan la freqüència de la xarxa es troba fora del rang estipulat.
A més, disposen d’un sistema de control, anomenat seguiment del punt de màxima potència (MPPT), que permet optimitzar el funcionament dels mòduls. El sistema busca els valors de tensió del camp fotovoltaic per als quals es genera la màxima potència elèctrica en cada moment.
A les instal·lacions fotovoltaiques aïllades hi ha diferents configuracions possibles. Principalment dues, amb acoblament AC o amb acoblament DC. En acoblament DC les bateries es carreguen directament a partir de l’energia generada pels mòduls mitjançant reguladors de càrrega, i es fa servir un inversor de bateria per alimentar les càrregues AC des de les bateries. En acoblament AC, s’utilitza un inversor per a la fotovoltaica que transforma la corrent continua en corrent alterna i es disposa d’un inversor/carregador de bateries, de manera que el mateix equip s’ocupa de carregar les bateries i d’extreure’n l’energia necessària.
En el cas concret del bombeig solar, s’acostumen a conèixer amb el nom comú de variadors de freqüència. Disposen també de seguidors MPPT i adapten la freqüència de la corrent alterna de sortida per optimitzar el funcionament de la bomba.
Les bateries
Les bateries són l’element encarregat d’emmagatzemar l’energia elèctrica generada pels mòduls fotovoltaics. Aquesta energia emmagatzemada es pot subministrar, bé posteriorment en absència de radiació, o bé en aquelles situacions en les que la demanda d’energia és superior a la generada pel camp fotovoltaic.
Hi ha al mercat diferents tecnologies de bateries, les més habituals de les quals són les següents:
- Plom àcid obert: Bateria convencional amb elèctrode líquid. Presenta un ampli ventall d’aplicacions i un baix manteniment.
- AGM: Bateria amb vàlvula de recombinació (VRLA) en la que l’electròlit s’absorbeix d’una matriu de fibra de vidre (AGM). Presenta un bon comportament davant d’intensitats altes d’operació i no necessita manteniment.
- Gel: Bateria amb vàlvula de recombinació (VRLA) en la que l’electròlit està gelificat. Presenta un excel·lent comportament en funcionament cíclic i no necessita manteniment.
- Litio: Bateria amb tecnologia d’ions de liti, en la que la regulació s’integra mitjançant el Battery Management System (BMS). Presenta una alta densitat energètica i un excel·lent comportament cíclic.
La monitorització i les proteccions
La monitorització i les proteccions permeten realitzar el control i seguiment de la instal·lació en qualsevol moment i des de qualsevol lloc, i garantir el funcionament correcte de la instal·lació.
Beneficis d’una instal·lació FV
L’energia fotovoltaica és una energia renovable, ecològica i no contaminant.
L’ús d’energia fotovoltaica contribueix a la reducció d’emissions de CO2, a més de contribuir al camí cap a la transformació de l’actual model energètic i a un desenvolupament més sostenible.
A tall orientatiu, tenint en compte les dades del MIX energètic de Catalunya i les dades de l’Agència Europea del Medi Ambient, una instal·lació fotovoltaica de 100 kW té un impacte anual equivalent a:
- Reducció de 31 Tn de CO2
- Plantar 1.243 arbres
- Evitar conduir al llarg de 217.406 km
Referències
Becquerel, A.-E. (1839). Memoire sur les Effects d’Electriques Produits Sous l’Influence des Rayons Solaires. Comptes Rendus de l’Academie des Sciences, Vol. 9, 561-567.
BloombergNEF. (s.f.). https://about.bnef.com
Perlin, J. (2004). The Silicon Solar Cell Turns 50. NREL Report No. BR-520-33947.
Tudel, M. (2020). Energia Solar Fotovoltaica. Col·leció Quadern Pràctic Número 4. Institut Català d’Energia, Generalitat de Catalunya.
