Aprofitament d'energia solar amb dispositius fotovoltaics

APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 1 Índex 1. Objectius del projecte ......................................................................................................................... 4 2. Introducció a les energies renovables ................................................................................................ 6 2.1. Com produir electricitat a partir del sol, el vent i de l’aigua ......................................................... 9 2.1.1. A partir del sol: ENERGIA SOLAR ......................................................................................... 9 2.1.2. A partir del vent: ENERGIA EÓLICA .................................................................................... 14 2.1.3. A partir de l’aigua: ENERGIA HIDRÁULICA ........................................................................ 18 2.2. Altres energies renovables: Biomassa, Geotèrmica, Mareomotriu i Minihidràulica................... 20 2.2.1. A partir de la matèria orgànica: ENERGIA de la BIOMASSA ................................................... 20 2.2.2. A partir del calor del interior de la Terra: ENERGIA GEOTÈRMICA ....................................... 23 2.2.3. A partir del moviment de l’aigua del mar: ENERGIA MAREOMOTRIU .................................... 25 2.2.4. A partir de l’aigua a petita escala: ENERGIA MINIHIDRÀULICA ........................................... 27 3. L’Energia Solar Fotovoltaica............................................................................................................. 30 3.1. Elecció de l’energia solar fotovoltaica ....................................................................................... 30 3.2. Història de l’efecte fotovoltaic.................................................................................................... 31 3.3. Introducció a l’energia solar fotovoltaica ................................................................................... 35 3.4. Característiques elèctriques dels cossos .................................................................................. 40 3.5. L’Efecte Fotoelèctric .................................................................................................................. 42 3.6. Sistema Fotovoltaic ................................................................................................................... 46 3.6.1. Cèl·lules fotovoltaiques ......................................................................................................... 46 3.6.2. Noves tecnologies ................................................................................................................. 53 3.6.3. Sistema fotovoltaic ............................................................................................................... 56 4. Disseny d’una Instal·lació Solar Fotovoltaica ................................................................................... 80 4.1. Consideracions a nivell general en el disseny .......................................................................... 80 4.1.1. Determinació del càlcul del consum ........................................................................................ 81 4.1.2. Determinar la radiació incident sobre els sistema ...................................................................... 82 4.1.3. Càlcul de mòduls a utilitzar en la nostra instal·lació .................................................................. 83 4.1.4. Càlcul de la resta dels sistema o BOS ...................................................................................... 85 4.2. Disseny d’una aplicació connectada a la xarxa al Baix Llobregat ............................................. 91 4.2.1. Ubicació: ............................................................................................................................. 91 4.2.2. Determinació del càlcul del consum: ....................................................................................... 96 4.2.3. Determinar la radiació incident sobre els sistema ...................................................................... 98 4.2.4. Càlcul del nombre de mòduls fotovoltaics .............................................................................. 102 4.2.5. Càlcul de la superfície que necessitarem per la instal·lació fotovoltaica ..................................... 107 4.2.6. Càlcul de l’inversor/convertidor............................................................................................ 107 4.2.7. Diagnòstic ......................................................................................................................... 109 4.2.7.1. Càlcul per la masia ............................................................................................................ 109 4.2.7.2. Càlcul per l’annex Est ........................................................................................................ 110 4.2.7.3. Càlcul per l’annex Oest ...................................................................................................... 111 4.2.8. Instal·lació del sistema dimensionat....................................................................................... 111 4.2.9. Càlcul de l’energia generada per la instal·lació ....................................................................... 116 4.2.10. Dades complementaries de la nostra instal·lació ..................................................................... 118 4.2.10.1. Pressupost orientatiu ...................................................................................................... 118 4.2.10.2. Anàlisi de sostenibilitat ................................................................................................... 118 4.2.10.3. Impacte mediambiental ................................................................................................... 120 CONCLUSIONS ...................................................................................................................................... 121 5. Conclusions .................................................................................................................................... 122 BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................................................... 124 6. Bibliografia ...................................................................................................................................... 125 7. Linkografia ...................................................................................................................................... 126 7.1. Informació general: .................................................................................................................. 126 7.2. Diferents dispositius fotovoltaics: ............................................................................................ 127 7.3. Empreses:................................................................................................................................ 128 7.4. Normativa i ajuts: ..................................................................................................................... 129 ANNEXOS ............................................................................................................................................... 130 Índex de les figures Figura 1 – Balanç energètic d’energia primària i elèctrica a Espanya (dades de l’IDAE) .................................... 8 Figura 2 – Exemple d’una instal·lació d’energia tèrmica................................................................................... 9 Figura 3 – Exemple d’una instal·lació d’energia fotovoltaica. ........................................................................... 9 Figura 4 – Exemple d’un col·lector pla del fabricant TECNOSOLAR. .............................................................. 10 Figura 5 – Exemple d’un col·lector tubular de buit del fabricant FRISOL. ........................................................ 10 Figura 6 - Seguidor solar amb 44 panells fotovoltaics (fabricant: SOLÉNER) ................................................... 12 Figura 7 – Irradiació mitja diària a España segons zones climàtiques .............................................................. 13 Figura 8 – Visió interna d’un Aerogenerador ................................................................................................. 15 Figura 9 – Exemple d’un parc eòlic ............................................................................................................... 15 Figura 10 – Exemples d’una instal·lació mixta eòlica-fotovoltaica ................................................................... 17 Figura 11 – Esquema i foto real d’un embassament hidroelèctric ..................................................................... 18 Figura 12 – Exemple d’una turbina Pelton (fabricant SOLÉNER) .................................................................... 19 Figura 13 - Central tèrmica de biomassa als Estats Units ................................................................................ 21 Figura 14 - Diferents tipus de “pellets” ......................................................................................................... 21 Figura 15 - Aigües termals naturals i manifestació d’energia geotèrmica en el desert d’Atacama (Xile) .............. 23 Figura 16 - Central d’aprofitament geotèrmic a Califòrnia .............................................................................. 24 Figura 17 - Instal·lació geotèrmica utilitzant el subsòl .................................................................................... 24 Figura 18 - Bomba geotèrmica Clivet ............................................................................................................ 24 Figura 19 – Esquema i foto real d’una central minihidràulica.......................................................................... 28 Figura 20 – Espectre de Radiació Electromagnètica ....................................................................................... 36 Figura 21- Recorregut de la radiació solar a través de l’atmosfera .................................................................. 37 Figura 22 - Són corbes de potencia de radiació solar al llarg del dia, indicant la variació de l’energia que es rep en un determinat lloc durant les èpoques extremes de l’hivern i de l’estiu.. ........................................................ 37 Figura 23 - En la següent figura ens mostra la trajectòria del Sol sobre l’horitzó. ............................................. 38 Figura 24 – Exemple de Piranòmetre per mesurar la radiació solar ................................................................. 39 Figura 25- Corba característica d’un diode amb obscuritat i il·luminació ......................................................... 43 Figura 26- Representació esquemàtica d’un fotodíode en condicions de circuit obert i en curtcircuit................... 43 Figura 27- Representació esquemàtica d’una cèl·lula solar fotovoltaica, del seu circuit electrònic equivalent, i d’una cèl·lula solar de Silici.......................................................................................................................... 47 Figura 28- Exemple de panell solar monocristal·lí .......................................................................................... 48 Figura 29- Exemple de panell solar policristal·lí ............................................................................................ 49 Figura 30- Taula-resum de les principals característiques de les cèl·lules solars ............................................... 52 Figura 31- Panells solars de TiO2 sensitivitzat de color vermell ocre (ambdues bandes negres conductores), fabricades per Sustainable Technologies International. ................................................................................... 55 Figura 32- Mòduls Solars dels Fabricants ..................................................................................................... 57 Figura 33- Taula de rendiments de diverses plaques solars.............................................................................. 59 Figura 34- Exemple de teules solars .............................................................................................................. 60 Figura 35- Exemple de lames que actuen com persianes amb un sistema automàtic que les orienti en la direcció adequada per a la millor captació de l’energia solar, variant al llarg del dia i de l’època de l’any. ..................... 61 Figura 36- Exemple de com funciona un mur en forma de cortina ventilada ...................................................... 62 Figura 37- Esquema bàsic d’elements d’un Sistema fotovoltaic ........................................................................ 62 Figura 38- Diagrama del Azimut: angle de desviació respecte al sud geogràfic. ................................................ 63 Figura 39 – Esquema bàsic d’un Sistema Fotovoltaic Aïllat ............................................................................ 68 Figura 40- Exemple d’una placa o mòdul solar fotovoltaic .............................................................................. 69 Figura 41- Exemple de bateries de la empresa APLESOL (marques comercialitzades TROJAN, BAE, HOPPECKE) .................................................................................................................................................................. 70 Figura 42- Exemple de Regulador de càrrega ................................................................................................ 72 Figura 43- Exemple de convertidor ............................................................................................................... 73 Figura 44- Exemple de grup electrogen ......................................................................................................... 74 Figura 45- Esquema bàsic d’un sistema híbrid i exemple pràctic d’una instal·lació eòlica - solar ....................... 75 Figura 46- Esquema de la estructura d’un sistema fotovoltaic connectat a la xarxa ........................................... 76 APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 3 1. Objectius del projecte El projecte fi de carrera tracta de: - Estudiar i comparar característiques dels diferents dispositius fotovoltaics existents - Fer el disseny d’una aplicació concreta en una masia del Baix Llobregat - Realitzar un entorn didàctic sobre aquesta tecnologia fotovoltaica Per tal d’assolir aquests objectius s’ha determinat que el projecte estigués dividit en quatre parts o blocs: - La primera part consisteix en fer una breu introducció al que són les energies renovables, per tal de que el destinatari pugui entendre que són i quines hi ha d’una manera generalitzada. - Una segona part, ja més especialitzada, on es centrarà la part d’una d’aquestes energies renovables, que en aquest cas es tracta de l’energia solar fotovoltaica. Aquí es tractarà de fer una introducció més ampliada d’aquesta tecnologia, passant per una breu mirada a la historia, i arribant a fer un estudi i la comparació dels diferents dispositius fotovoltaics existents. - El tercer bloc, no pretén ser una altre cosa que l’aplicació pràctica d’un disseny aplicant la tecnologia solar fotovoltaica. En un primer apartat s’exposaran de forma teòrica els passos i càlculs a seguir per tal de realitzar un disseny d’aquestes característiques. I un segon apartat, on es desenvoluparà la part pràctica del disseny de la masia al Baix Llobregat partint en base a tot allò comentat en el apartat de la teoria del disseny. - La quarta part, i ultima, es destinarà a posar la part final al projecte complimentada amb la part de les conclusions finals obtingudes, la bibliografia i links utilitzats per realitzar aquest projecte i una part destinada als annexes. Personalment el tema de les energies renovables és un tema que considero d’allò més rellevant en la situació que es troba actualment, no solsament Catalunya i Espanya, sinó tot el planeta en general. Ens trobem en un punt en el qual hem de plantejar-nos el fet de que el nostre planeta està patint alteracions que si la mà de l’home no hi hagués intervingut no estarien passant. Per tant, l’home ha de ser el qui reaccioni davant de tot el mal que esta fent amb propostes favorables al seu entorn. Amb això no vull dir que sigui del tot culpable i no es vulgui el desenvolupament que ha tingut l’home durant aquests milions d’anys d’evolució; però el no es pot considerar és el fet de que sàpiguen el que li està passant al medi ambient i tenint els recursos i coneixements suficients a l’abast, mirem cap a un altre costat perquè a nosaltres no ens afecti directament. Crec que s’hauria de tenir una política medi ambiental molt més forta i APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 5 important que la actual, amb moltes més subvencions tant a nivell per part de les institucions de desenvolupament per a noves recerques medi ambientals com al col·lectiu d’empreses i usuaris. Ja que està demostrat empíricament que un ús eficaç de les energies renovables proporciona recursos energètics a la forta demanda que hi ha a nivell mundial, sense variar l’ecosistema i sense l’esgotament dels recursos fòssils, i per tant, contribuint a una millora del medi ambient. Amb aquest propòsit i des de aquest punt de vista és fa aquest PFC “Aprofitament d’Energia Solar amb Dispositius Fotovoltaics”, que no pretén altre cosa que donar un punt a favor al medi ambient en afavorir les tecnologies de les energies renovables, en especial l’energia solar fotovoltaica, amb la creació d’un projecte en concret, com ara l’aplicació d’aquesta a una instal·lació en una masia del Baix Llobregat. 2. Introducció a les energies renovables El principi d’energia es basa en la capacitat que té un cos, en un determinat instant, per realitzar un treball. I aquesta no es crea ni destrueix sinó que únicament es transforma. Per tant, les energies renovables seran aquelles energies que no varien l’ecosistema i que aprofiten els recursos de la natura sense modificar-la i que són inesgotables, per tal de realitzar un treball. Existeixen diferents tipus d’energies renovables, depenent dels recursos naturals utilitzats per la generació d’energia: - Energia Solar (Tèrmica i Fotovoltaica), a partir del Sol. - Energia Eòlica i Minieòlica, a partir del vent. - Energia Hidràulica i Minihidràulica, a partir de l’aigua d’un riu. - Energia de la Biomassa, a partir de matèria orgànica, tant d’origen vegetal com animal, que pot servir com a combustible. - Energia Mareomotriu, a partir de l’aigua del mar. - Energia Geotèrmica, a partir de fenòmens tèrmics que tenen lloc a l’interior de la Terra. L’aprofitament per part de l’home de les fonts d’energia renovable, entre elles les energies solar, eòlica i hidràulica, és molt antic; des de molts segles abans de la nostra era ja s’utilitzaven i el seu ús va continuar durant tota la historia fins l’arribada de la "Revolució Industrial", en la que, degut al baix preu del petroli, foren abandonades. Des del desenvolupament de la màquina de vapor i l’ús generalitzat del carbó, fa poc més de 150 anys, junt amb l’ús del petroli, des de fa només sis o set dècades, la nostra cultura ha tret partit dels combustibles fòssils com a font principal d’energia. Aquests combustibles han contribuït a generar un desenvolupament econòmic on el seu èxit ha estat d’una magnitud inimaginable per als primers usuaris d’aquests recursos com per exemple, el desenvolupament industrial de Catalunya a principis del segle XX. Pràcticament tota la nostra activitat energètica depèn de la disponibilitat del petroli, el carbó o el gas natural. Però no va ésser fins als anys vuitanta, com a conseqüència de la segona crisis del petroli i de la evidencia fragilitat a la dependència de les energies fòssils amb reserves de caràcter finit, on s’ha tornat a posar la vista en el camp de les energies renovables. El fet que aquestes fonts energètiques siguin contaminants i tinguin, així mateix, unes possibilitats cada cop més limitades de seguir suportant la nostra demanda, ja que no són inesgotables, ha obert un debat en el qual cada grup social hi té arguments a aportar. Un debat que presenta un condicionant, ja de partida, paradoxal: no podem continuar amb el nivell de consum d’aquestes fonts energètiques, però no podem tampoc renunciar al grau de desenvolupament que gràcies a aquestes hem aconseguit. El problema s’ha APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 7 plantejat des de l’òptica de l’esgotament dels recursos, i la solució tradicional a aquest repte ha estat la recerca de més reserves d’energia fòssil, per inaccessibles que aquestes puguin semblar. Però per moltes reserves que encara ens quedin de carbó, petroli o gas, és indiscutible l'impacte sobre el medi ambient que suposa un ús intensiu i generalitzat com el que s’ha estat duent a terme. L’escalfament global que està patint el Planeta, degut a la capacitat del CO2 per produir "l’efecte hivernacle", ha estat denunciat per part de la comunitat científica com la més gran amenaça que té avui el nostre medi ambient. Hi ha altres tipus d’energia com la nuclear que, encara que no produeix gasos d’efecte hivernacle genera residus radioactius molt perillosos. A més, existeix la possibilitat que hi hagi accidents nuclears que en cas de produir-se tindrien conseqüències molt greus per a la vida i el seu entorn. Partint d’aquest esquema estem aprenent a incloure-hi el concepte de l’ecologia dins la consciència social i econòmica. Prenent consciència d’aquests problemes és quan les energies renovables, i entre aquestes, l’energia solar, entren a formar part activa i quotidiana de les nostres vides, a través no d’una de les seves versions sinó del conjunt de les seves possibilitats. Les energies renovables seran el suport essencial del progrés de la societat dins un marc per al desenvolupament sostenible. Però a aquest marc no s’hi arriba de cop en virtut de certes decisions governamentals sinó que s’hi arriba en funció de la penetració a tot el teixit social. Les energies renovables són ja una realitat que aporten solucions a molts dels problemes i necessitats d’avui en dia, i a mesura que es vagin coneixent més, abans s’integraran, amb tot el seu potencial, a les nostres vides. Per això, els esforços van encaminats a fer-nos obrir els ulls vers una realitat molt més propera del que alguns s’imaginen. A més a més, si tenim en compte que les tres quartes parts de la humanitat tenen manca d’energia elèctrica amb la que obtindre aigua potable, il·luminació, eines elèctriques, conservació dels aliments o accés a la cultura (p.e. mitjans audiovisuals); actualment aquests sistemes constitueixen la major ajuda directa per al tercer món. Però, s’ha de tenir en compte que en molts casos, el cost de realitzar aquestes operacions amb energia solar no pot competir amb el cost menor d’altres fonts d’energia. No es que es tracti d’una energia cara, tot el contrari, però el problema resideix en que es requereix una gran inversió inicial per començar a assimilar l’ús de l’energia solar. Per això, la major part dels problemes d’implantació i utilització d’aquesta energia es vinculen a problemes fonamentalment econòmics. Per tant, encara que tenint en compte que les energies renovables siguin la solució a aquests problemes, tant ecològic com de les necessitats bàsiques, la seva implantació requereix un esforç econòmic que encara no permet una implantació massiva d’aquesta tecnologia. Durant els últims anys la Unió Europea ha adoptat importants decisions sobre política energètica, amb la finalitat de reduir el consum d’energies contaminants i donar suport al consum de renovables com l’energia solar. Així, la UE estableix com a objectiu per l’any 2010 que tots els seus països membres redueixin al menys en un 15% les emissions de gasos que causen l’efecte hivernacle, i que el 12% de les fonts energètiques de tots els estats siguin renovables. El cas d’Espanya es troba que més del 69% del consumo d’energia primària s’obté a partir dels recursos fòssils. Durant els últims anys, degut a d’increment del cost dels combustibles fòssils i els problemes mediambientals derivats de la seva explotació, estem assistint a un renéixer de les energies renovables, i especialment des de que institucions públiques com l’Estat Espanyol o diverses Comunitats autònomes i Municipis que ofereixen subvencions per facilitar la seva instal·lació. Les energies renovables són inesgotables, netes i es poden utilitzar de forma autogestionada (ja que es poden aprofitar en el mateix lloc en que es produeixen). A més tenen l’avantatge addicional de complementar-se entre si, afavorint la integració entre elles. Per exemple, l’energia solar fotovoltaica subministra electricitat els dies clars (generalment amb poc vent, degut al domini de l’anticicló), mentre que en els dies freds i ventosos, freqüentment nuvolats, són els aerogeneradors els que poden produir major energia elèctrica. Figura 1 – Balanç energètic d’energia primària i elèctrica a Espanya (dades de l’IDAE) APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 9 2.1. Com produir electricitat a partir del sol, el vent i de l’aigua 2.1.1. A partir del sol: ENERGIA SOLAR L’Energia Solar és aquella energia que arriba a la Terra provinent de l’estrella més propera al nostre planeta: el Sol, una estrella incandescent constituïda per una barreja gasosa d’hidrogen i heli, amb una superfície que es troba a una temperatura mitja de 5500ºC (a l’interior, el nucli, la temperatura és de uns 20 milions de ºC i es va reduint fins a uns 6000 ºC a la superfície, fotosfera); amb un radi de 700.000 Km i una massa de 2x1027 Tm. (tres-centes mil vegades la massa de la terra). Degut a complexes reaccions nuclears de fusió que produeixen una pèrdua de massa, aquesta es converteix en energia. Aquesta energia lliurada es transmet a l’exterior en petites partícules anomenades fotons, és a dir, en radiació solar la qual avarca un ampli espectre de Radiació Electromagnètica de diferents longituds d’ona, i que segons les seves diverses propietats físiques poden produir uns resultats diferents segons quina sigui la seva estructura. La llum i la calor són dues de les manifestacions d’aquesta radiació, on la llum solar és la part visible d’aquest espectre. L’home pot transformar l’energia solar en energia tèrmica o elèctrica. En el primer cas, l’energia solar és aprofitada per augmentar la temperatura d’un fluid, com per exemple l’aigua, i en el segon cas l’energia llumínica del S ol transportada per fotons de llum, incideix sobre la superfície d’un material semiconductor (p.e: el Silici), produint el moviment d’alguns electrons que composen l’estructura atòmica del material. Un moviment d’electrons produeix una corrent elèctrica que s’utilitza com a font d’energia de components elèctrics o electrònics (com és el cas del principi de funcionament de les calculadores solars). Figura 2 – Exemple d’una instal·lació d’energia tèrmica. Figura 3 – Exemple d’una instal·lació d’energia fotovoltaica. Necessiten una velocitat del vent mínima d’ 11 km/h per poder engegar (davant dels 19 km/h dels més grans), aconseguint el màxim rendiment als 45 km/h i que es paren amb vents de més de 100 km/h per tal d’evitar desperfectes, desgasts o sobreescalfament en el seu mecanisme. Per aconseguir un bon rendiment es necessari que la ubicació dels aerogeneradors estigui en una regió amb molts corrents d’aire, amb vent la majoria dels dies de l’any i amb una velocitat mitja anual superior als 13 km/h. El vent és la font d’energia renovable que més ràpidament està creixent en potencia instal·lada i en rendibilitat econòmica. España és el tercer país eòlic del món, amb una potencia instal·lada de 2.2269 MW’s a finals del 2004 i amb unes previsions en el pla de foment de 9000 MW’s per al 2010. Actualment, a Catalunya funcionen set parcs eòlics, que fan una potencia tota instal·lada de 71.4 MW’s. El més important és que es troba a Colladetes (El Perelló) amb una potencia de 27 MW’s, encara que hi ha molts projectes a estudi i en tramitació. Per exemple, a Navarra ja n’hi ha 718 MW’s i a Galicia 1.257MW’s instal·lats. D’un temps cap aquí, està sorgint una altre forma d’energia renovable, l’Energia Minieòlica, en fabricants del sector junt amb promotors del tamany d’Acciona Energia i el centre d’investigacions CIEMAT, que han unit esforços per posar en marxa una secció específica per la petita eòlica en el marc de l’Associació de Productors d’Energies Renovables (APPA). Les diferencies són notables ja que utilitzaríem un micro generador col·locat per exemple sobre la teulada d’una casa sense fer malbé la cimentació i que no seria més alta que una antena de telefonia mòbil. No medeix més de dos metres sobre la coberta perquè aprofita l’alçada de l’edifici per produir energia elèctrica. En instal·lacions aïllades, medeix uns 20 metres, mentres un gran aerogenerador pot medir uns 120 metres d’alçada. Les pales medeixen de diàmetre, de punta a punta, uns tres metres de mitja així que no serien necessaris enormes tràilers per transportar-les, com ara les actuals carregant a les més grans, les pales de les quals d’una gran màquina poden arribar a medir 90 metres de diàmetre. Les minieòliques tenen una potencia inferior a 100 kW's, de fet, les màquines més comuns oscil·len entre els 1,5 i els 3 kW’s de potencia, mentres que un gran aerogenerador pot arribar a tenir una potencia de 2 MW’s. APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 17 Encara que avui dia no es comú veure un petit molí en una teulada perquè els principals problemes d’aquesta tecnologia han estat la vibració i els sorolls; actualment, aquest tema ja està pràcticament solucionat. Amb els avenços tecnològics que s’han produït en aquesta matèria, gairebé la totalitat dels micro aerogeneradors es col·loquen en instal·lacions aïllades i no hi ha gaires emplaçaments urbans fent difícil conèixer la quantitat instal·lada. A Espanya només hi ha 7 MW’s instal·lats amb energia minieòlica, mentres que la eòlica convencional supera ja els 11.500 MW’s. En la majoria part dels casos, els promotors trien aquesta energia com a complement d’una altre font d’energia renovable, com ara els horts solars fotovoltaics. Són energies complementaries i funcionen de manera alterna perquè quan no hi ha Sol, normalment fa suficient vent. Per tant, la minieòlica està molt més pròxima a l’energia solar fotovoltaica que a qualsevol altre font renovable. Figura 10 – Exemples d’una instal·lació mixta eòlica-fotovoltaica L’obstacle principal pel desenvolupament d’aquesta petita energia es l’assimilació amb la gran eòlica, ja que una instal·lació minieòlica té un preu entre quatre i set vegades més que una gran eòlica pel cost del producte. Al estar assimilades en quant a regulació, perquè la minieòlica no està recollida en el nou decret de renovables, reben la mateixa prima i per tant, el període d’amortització està entre 20 i 25 anys. L’absència d’un marc regulador propi i la falta d’incentius fiscals impedeix que s’activi el mercat i no permet desenvolupar una tecnologia fiable, creant estàndards i economies d’escala, que facin possible arribar a uns costos competitius; fet pel qual els petits productors no s’atreveixen a instal·lar-lo. S’està desaprofitant el potencial que tenen algunes empreses espanyoles molt bé posicionades per tal de ésser punteres en el llançament d’aquesta tecnologia ja que el mercat de la minieòlica comença el seu camí com a energia renovable. Si la situació a Espanya suposa que els aerogeneradors amb potencies inferiors als 100 kW’s només s’utilitzen per generar electricitat en entorns aïllats, allunyats de la xarxa, desaprofitant la seva capacitat per abocar energia a la xarxa, i amb una absència d’incentius fiscals i d’un marc regulatori propi. A la resta d’Europa, ens trobem amb l’altre cara de la moneda, com és la situació al Regne Unit, que va establir al 2004 la 'Microgeneration Strategy', una iniciativa que marca com a objectiu que entre el 30% i el 40% de la demanda elèctrica del país al 2050 sigui amortitzada a través de tecnologies de microgeneració, com ara la minieòlica, la fotovoltaica i la minihidràulica. A més, a França i Portugal s’estan establint primes especials per la minieòlica. 2.1.3. A partir de l’aigua: ENERGIA HIDRÁULICA L’energia hidràulica és un tipus d’energia mecànica obtinguda dels moviments de les aigües d’un riu. El seu principi bàsic es aprofitar l’aigua del riu que es emmagatzemada en grans embassaments artificials des d’una determinada alçada. L’aigua per aquest motiu té una important quantitat d’energia potencial (que és aquella que posseeixen tots els cossos que es troben a certa altura), que posteriorment, es deixa caure transformant l’energia potencial en energia cinètica, pròpia del moviment dels cossos. L’aigua passa per unes turbines a gran velocitat, provocant un moviment de rotació que finalment, es transforma en energia elèctrica per mitjà de generadors. Figura 11 – Esquema i foto real d’un embassament hidroelèctric Les centrals depenen d’un gran embasament d’aigua contingut per una presa. El caudal de l’aigua es controla i es pot mantenir gairebé constant. L’aigua es transporta per uns conductes o tuberies forçades, controlades amb vàlvules i turbines per tal d’adequar el flux de l’aigua respecte la demanda d’electricitat. L’aigua que entra en la turbina surt pels canals de descàrrega. Els generadors estan situats just per sobre de APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 19 les turbines i connectades amb arbres verticals. El disseny de les turbines depèn del caudal de l’aigua: les turbines Francis s’utilitzen per caudals grans i salts mitjos i baixos, i las turbines Pelton per grans salts i petits caudals. És un recurs natural disponible en zones que presenten suficient quantitat d’aigua, i que un cop utilitzada, es retorna riu avall. Pel seu desenvolupament es necessita construir pantans, preses, canals de derivació, i la instal·lació de grans turbines i d’un equipament per generar electricitat. Tot això implica la inversió de grans quantitats de diners, pel que no resulta competitiva en regions on el carbó o el petroli són més econòmics. En canvi, el pes de les consideracions medi ambientals i el baix manteniment que precisen un cop està en funcionament centren l’atenció en aquesta font d’energia. Figura 12 – Exemple d’una turbina Pelton (fabricant SOLÉNER) A més de les centrals situades en preses de contenció, que depenen d’un embasament de grans quantitats d’aigua, existeixen algunes centrals que es basen en la caigusa natural de l’aigua, quan el caudal és uniforme. Aquestes instal·lacions es denominen d’aigua fluent, com ara la de las Catarates del Niagara, situada a la frontera entre Estats Units i Canadà. Una altre aplicació molt interessant per a petites instal·lacions properes a salts d’aigua és la minicentral hidràulica, amb potencies entre 100 W y 5 kW, podent-ne combinar amb altres energies. Actualment a Espanya hi ha 18.361 MW’s de potencia hidroelèctrica, el que representa un 24% de la potencia total instal·lada. El parc espanyol de centrals hidroelèctriques presenten una gran diversitat en quan a tamany i característiques de les instal·lacions. Estan en servei 21 centrals de més de 200 MW’s que representen conjuntament al voltant del 50% de la potencia hidroelèctrica total. Les que tenen més potencia són les de Aldeadávila amb 1.139 MW, José María Oriol amb 915 MW i l’aprofitament de Cortes-La Muela amb 908 MW, totes elles d’Iberdrola. Unes altres 14 centrals, que posseeixen entre 100 i 200 MW, representen conjuntament al voltant del 12% de la potencia hidroelèctrica total; 36 centrals més conten entre 50 i 100 MW i suposen el 14,3% d’aquesta potencia. La resta, fins sumar el total de 1.296 existents, són centrals de menys de 50 MW. Però només 940 es troben realment en funcionament, amb una potencia conjunta de 16.545 MW i d’elles, 1.183 tenen 10 o menys MW instal·lats, són les anomenades minicentrals. Entre unes i altres sumen 4.647 MW. A Cataluña hi han 259 centrals en funcionament, amb una potencia total instal·lada de 214,9 MW. La producció hidroelèctrica anual és molt variable i depèn de la hidraulicitat, és a dir, del que plogui. En anys humits es supera els 40.000 GWh (en 2002 es va arribar a una producció rècord de 45.706 GWh) però en anys secs no s’arriba als 25.000 GWh. La mitja dels últims deu anys ronda els 30.000 GWh, el que representa al voltant del 15% de la producció mitja total del nostre país. A Espanya les perspectives de desenvolupament d’aquesta energia són limitades. El Pla d’Energies Renovables 2005-2010 preveu la construcció de 810 nous MW, tots ells en centrals de menys de 50 MW. Les actuacions previstes són, a més de la construcció de noves centrals, la modernització de les ja existents i la rehabilitació de centrals abandonades o en desús. A part d’estar limitat, l’objectiu sembla difícil d’obtenir: En primer lloc, per l’oposició social a aquests tipus de projectes, fonamentalment pels seus suposats impactes ambientals. I desprès, per les barreres administratives establertes ja que per la construcció de centrals són extremadament complexes, i el fet de que intervinguin diferents administracions, no sempre convenientment coordinades, fa que, en alguns casos, es dilaten més enllà de set anys. 2.2. Altres energies renovables: Biomassa, Geotèrmica, Mareomotriu i Minihidràulica 2.2.1. A partir de la matèria orgànica: ENERGIA de la BIOMASSA Al llarg de la seva dilatada història, l’home ha après a extreure energia en forma de combustibles sòlids (llenya), líquids (alcohol) o gasosos (biogàs) que en conjunt serien allò que coneixem com energia de la biomassa. Per tant, el concepte de biomassa és molt extens i comprèn tot tipus de matèria orgànica, tant d’origen vegetal com animal, que pot servir com a combustible, i que està formada gracies a la fotosíntesis directament (com els vegetals) o indirectament (per la digestió dels vegetals). APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 21 Figura 13 - Central tèrmica de biomassa als Estats Units La major part d’aquests components, per no dir la seva totalitat, es pot utilitzar com a combustible, ja sigui de forma directe, cremant-los, o transformant-los en altres formes de combustible, com ara en biogàs o biocombustibles. Els residus procedents de neteges forestals i d’indústries de la fusta s’anomenen “pellets”. Aquests són triturats i convertits en virotjes, i un cop assecats per tal de disminuir el nivell d’humitat i les possibles resines, són premsats en forma de petits cilindres. Els pellets són una aplicació evolucionada de la biomassa, són nets, de fàcil tractament, ocupen poc espai i permeten la capacitat d’autoalimentar a les estufes que els utilitzen. A més a més són molt ecològics, ja que donen utilitat a un residu i eviten la tala d’arbres per la calefacció, com ara el cas de la llenya. Figura 14 - Diferents tipus de “pellets” Utilitzar la biomassa com a combustible és un recurs renovable ja que es produeix a la mateixa velocitat de consum, sempre i quan aquest consum sigui controlat i s’eviti la sobreexplotació dels recursos naturals. A diferencia dels combustibles fòssils, la biomassa és respectuosa amb el medi ambient, ja que no emet gasos d’efecte hivernacle de forma incontrolada. És a dir, quan es combustiona, la biomassa lliura CO2 a l’atmosfera, però el mateix CO2 que va absorbir durant el seu creixement, si es tracta de matèria orgànica vegetal, o que va absorbir les plantes que va ingerir, si es tracta de matèria orgànica animal. Si es consumeix de manera sostenible, el cicle es tanca i el nivell de CO2 a l’atmosfera es manté constant, de forma que la seva utilització no contribueix a generar el canvi climàtic. I no només això, sinó que amb el seu consum es substitueix el consum de combustibles fòssils, evitant així generar més emissions de CO2 que no formaven part de l’atmosfera anteriorment i que són causants del canvi climàtic. A més, d’utilitzar la biomassa com a combustible es beneficiós per l’entorn: ja que elimina els residus ajudant a disminuir el risc d’incendi i l’acumulació de residus, i tracta aigües residuals i purines que són fonts de contaminació del subsòl i aigües subterrànies. Espanya al 2004, la biomassa va representar més del 50% del consumo total d’energies renovables i d’aquest, el 75% es va destinar a la producció de biocarburants. A més a més, la biomassa es la única font renovable capaç de proporcionar combustibles sòlids, líquids i gasosos per ser utilitzats en la producció de calor, electricitat i biocarburants en el sector del transport. Pel que es refereix a la biomassa elèctrica a finals del 2004 el grau d’avanç es situava tant sols al 9%. Actualment, a Catalunya ja funcionen varies plantes de producció de compostos, alguns digestors de biogás, una central de combustió de residus de fusta, una planta gasificadora dels embolcalls dels fruits secs i diferents projectes de bio combustibles, que totalitzen un aprofitament de 300.000 Tep. durant l’any 2004. Resumint, de totes les nostres fonts d’energia aquesta és la més antiga, és la que més ha contribuït al desenvolupament tecnològic de la humanitat i, a l’actualitat, és l’energia renovable que presenta una millor targeta de visita a l’hora de presentar resultats dins l’àmbit de la problemàtica energètica d’avui en dia. No només aporta combustible que es transforma en calor, i com conseqüència de la calor en calefacció o en electricitat, sinó també substituts del petroli per als motors dels cotxes. APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 23 2.2.2. A partir del calor del interior de la Terra: ENERGIA GEOTÈRMICA Si la geotèrmia és la ciència que estudia els fenòmens tèrmics que tenen lloc a l’interior de la Terra, i el calor generat o emmagatzemat en aquesta, i que pot ser aprofitat i constitueix la font de l’energia geotèrmica; l’energia geotèrmica és aquella energia que es troba a l’interior de la terra en forma de calor, com a resultat de la desintegració d’elements radioactius o pel calor permanent que es va originar als primers moments de formació del planeta. Aquesta energia es manifesta mitjançant processos geològics com ara volcans en les seves ultimes fases, els guèisers que expulsen aigua calent i les aigües termals naturals (un dels usos més antics i tradicionals). Figura 15 - Aigües termals naturals i manifestació d’energia geotèrmica en el desert d’Atacama (Xile) L’energia geotèrmica es pot utilitzar de dues formes diferents, depenent de l’origen del calor que s’utilitza, que serà útil per a unes o altres aplicacions. Es pot utilitzar directament el calor generat pel magma a l’interior de la Terra i que arriba a la superfície en sòls volcànics, aigües termals o guèisers, encara que llògicament, aquest recurs no està a l’abast de tothom. Islàndia es un exemple d’aquests llocs afortunats on s’aprofita aquesta tècnica. En aquestes zones es pot aconseguir temperatures de 70 a 450 ºC, amb la que es pot generar aigua calent per la calefacció o vapor d’aigua per processos industrials o generació d’electricitat. Llocs com ara Espanya, la tècnica d’utilització no es basa tant en la capacitat del subsòl de generar calor, sinó en la circumstància que d’aquest es manté sempre a una temperatura homogènia, independent de las condicions meteorològiques que imperen a l’exterior. De forma que a una profunditat d’uns 15 o 20 metres la temperatura s’estabilitza al voltant dels 17ºC. D’aquesta manera, elevar la temperatura de l’aigua que anirem a utilitza a la dutxa, a partir d’aquests 17 graus en lloc de fer-ho des de 10 (en que es troba a temperatura ambient les tuberies durant l’hivern), resulta molt més efectiu energèticament parlant. Figura 16 - Central d’aprofitament geotèrmic a Califòrnia Existeix la necessitat d’instal·lar una bomba hidràulica que mogui l’aigua a través del circuit (llaç de tuberies enterrades amb contacte directe amb la Terra i per on circula el fluid transferit de calor), per tal d’aconseguir les temperatures desitjades, però el seu consumo és mínim. La combinació de l’energia geotèrmica amb la bomba de calor geotèrmica aconsegueix un estalvi energètic i econòmic en calefacció, aigua calent i aire condicionat fins a un 75%. A l’estiu, passa exactament el mateix, ja que per tal de mantenir la temperatura de confort de 25ºC a partir dels 17ºC del subsòl té un cost energètic molt menor que fer-ho des de 30 o 40ºC de l’aire exterior. Figura 17 - Instal·lació geotèrmica utilitzant el subsòl Figura 18 - Bomba geotèrmica Clivet APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 25 2.2.3. A partir del moviment de l’aigua del mar: ENERGIA MAREOMOTRIU L’energia Mareomotriu és aquella que aprofita el moviment de l’aigua del mar (ones, marees, gradient tèrmic). És una de les energies renovables menys aprofitada encara pel seu enorme potencial. Aquest tipus d’energia presenta l’inconvenient de que és una tecnologia poc desenvolupada i que les feines d’instal·lació i manteniment siguin complexes. La primera central d’aquest tipus es va construir a França fa 40 anys i consta d’un salt d’aigua d’uns 8 metres, un mur de 750 m, i té una potencia que supera els 240 MW. Les ones tenen gran quantitat d’energia cinètica, encara que el número de cicles per minut és molt baix (de 3 a 30). Per tal d’obtenir d’elles energia elèctrica s’utilitzen convertidors que transformen aquestes freqüències baixes en altres molt més altes. En l’actualitat, destaca el convertidor de Kyanener (Noruega), de 500 KW de potencia, i que proporciona electricitat a mitja centena de llars, o la planta de Wizhinja (India), de 150 KW. Existeixen diferents sistemes que intenten aprofitar el moviment de les ones per generar electricitat: a.- El més elaborat és el de la “Columna d’Aigua Oscil·lant”, que consisteix en un tub buit ple d’aire que es comprimeix i s’expandeix en funció de la pressió que exerceixen sobre ell les ones. L’augment de pressió empeny l’aire a accionar la turbina que genera electricitat. El buit que es produeix quan l’ona baixa, aspira aire i això també acciona la turbina. b.- El pèndul, és una placa mòbil que es mou a voluntat de les ones accionant una frontissa que genera electricitat. La única central en funcionament d’aquest tipus es troba a Hokkaido (Japó), en fase El rendiment de conversió, és a dir, la proporció de llum solar que la cèl·lula converteix en energia elèctrica, que és bàsic en els dispositius fotovoltaics (FV), doncs un major rendiment fa que l’energia solar FV sigui més competitiva respecte a d’altres fonts com ara l’energia d’origen fòssil. En els primers dispositius FV trobem rendiments d’un 1% - 2%; en canvi, actualment els mòduls FV comercials tenen rendiments del 7% al 17% depenent de la seva tecnologia, al que hem de sumar uns costos de fabricació d’aquests dispositius menors a mesura que passen els anys. 1839 Edmund Becquerel (1820-1891), físic francès, descobreix l’efecte FV: en una cel·la electrolítica composta de 2 elèctrodes metàl·lics submergits en una solució conductora, la generació d’energia augmentava al ser exposada la solució a la llum. El físic francès Edmund Becquerel va ser el primer en descriure l’efecte fotovoltaic en 1839, quan tan sols tenia 19 anys, encara que va romandre com inexplorat en els pròxims tres quarts de segle. 1870 Heinrich Hertz va estudiar l’efecte en els sòlids en aquesta dècada, produint cel·les fotovoltaiques que convertien la llum en electricitat amb d’un 1% al 2% de eficiència. 1873 Willoughby Smith descobreix la fotoconductivitat del seleni. Les cèl·lules de seleni convertien la llum en electricitat amb rendiments d’un 1% al 2%, gracies a la qual cosa van esser ràpidament utilitzades en els camps de la fotografia i en dispositius desenvolupats per a la medició de la llum. 1877 W.G. Adams i R.E. Day observen l’efecte fotovoltaic en el seleni sòlid i construeixen la primera cel·la de seleni. 1904 Albert Einstein publica el seu treball sobre l’efecte fotovoltaic, al mateix temps que un article sobre la teoria de la relativitat. 1921 Albert Einstein guanya el Premi Nobel per les seves teories explicatives de l’efecte fotovoltaic. 1951 El gran pas en la comercialització fotovoltaica es produeix desprès del desenvolupament del procediment Czochralski, que va permetre generar cristalls de Silici monocristal·lí d’alta puresa. APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 33 1951 El desenvolupament de l’unió p-n crescuda possibilita la producció d’una cel·la de germani monocristalí. 1954 Els investigadors dels Laboratoris Bell (Murray Hill, NJ) D.M. Chapin, C.S. Fuller, i G.L. Pearson publiquen els resultats del seu descobriment sobre les cel·les solares de Silici amb una eficiència del 4,5%. 1955 Es comercialitza el primer producte fotovoltaic, amb una eficiència del 2% al preu de $25 cada cel·la de 14 mW. En els anys 1950 va haver alguns intents per utilitzar cèl·lules de Silici en productes comercials, però va esser amb el desenvolupament de la tecnologia espacial on es va trobar la seva principal aplicació. 1958 El 17 de març es llança el primer satèl·lit espacial Vanguard I alimentat parcialment amb energia fotovoltaica per alimentar la seva radio. El sistema FV de 0,1 W va durar 8 anys. En l’actualitat les cèl·lules FV cobreixen les necessitats energètiques de la majoria dels satèl·lits i l’energia FV continua jugant un paper primordial en la tecnologia aeroespacial. L’industria electrònica, principalment la tecnologia de transistors en semiconductors, també va contribuir al desenvolupament de les cèl·lules FV. 1963 Al Japó s’instal·là un sistema fotovoltaic de 242 W en un far. 1973 L’Universitat de Delaware construeix “Solar One”, una de les primeres vivendes amb EFV. Les plaques fotovoltaiques instal·lades en el sostre tenen un doble efecte: generar energia elèctrica i actuar de col·lector solar (escalfant l’aire sota d’elles, l’aire era portat a un intercanviador de calor per acumular-lo). 1974-1977 Es funden les primeres companyies d’energia solar. El Lewis Research Center (LeRC) de la NASA col·locà les primeres aplicacions en llocs aïllats. La potencia instal·lada d’EFV supera els 500 kW. 1978 La NASA LeRC instal·là un sistema FV de 3.5-kWp en la reserva india Apago (Arizona). Es utilitzada per a bombejar aigua i cobrir les necessitats bàsiques de 15 cases (il·luminació, bombament d’aigua, refrigeració, rentadora, ...). Es utilitzat fins l’arribada de les línies elèctriques en 1983, i a partir de llavors es dedica exclusivament al bombament d’aigua. 1980 L’empresa ARCO Solar es la primera en produir més d’1 MW en mòduls FV en un any. 1981 “Solar Challenge”, un avió proveït per AV, vola. S’instal·là en Gada, Aràbia Saudita, una planta desfeminitzadora per osmosisinversa proveïda per un sistema FV de 8-kW. Nota: “Solar Challenger” el primer avió mogut per energia fotovoltaica. Va volar 163 milles a 11.000 peus d’altura, entre Paris i Anglaterra. 1982 La producció mundial d’EFV supera els 9’3 MW. Entra en funcionament la planta ARCO Solar Hisperia a Califòrnia d’1-MW. Volkswagen comença a investigar vehicles amb sostres solars. 1983 La producció mundial d’EFV supera els 21’3 MW, i les ventes superen els 250 milions de $. El Solar Trek, un vehicle alimentat per EFV amb 1 kW travessà Austràlia; 4000 km en menys de 27 dies. La velocitat màx. Es de 72 km/h, i una mitja de 24 km/h. ARCO SOLAR construeix una planta d’EFV de 6- MW a Califòrnia, en una extensió de 120 acres; connectant a la xarxa elèctrica general i subministrant energia per a 2000-2500 cases. Nota: “Solar Trek” dels inventors Hans Tholstrup i Larry Perkins 1992 S’instal·là un sistema FV de 0.5-kW en Lago Hoare, Antártida, amb bateries de 2’4-kWh. S’utilitza per cobrir les necessitats de l’equipament del laboratori, il·luminació, PC’s i impressores, i un petit forn microones. 1996 L’”Ícaro”, un avió mogut per EFV sobrevola Alemanya. Les ales i la zona de la cua estan recobertes per 3000 cèl·lules súper eficients amb una superfície de 21 m2. APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 35 2000 Alemanya i Japó sobresurten a nivell mundial com a productors i, en el cas d’Alemanya, com a consumidors. Nota: L’avió solar Helios arriba a l’altura rècord de 30.000 metres. 2002 – 2003 Alemanya alberga algunes de les plantes solars més grans del món, amb una potencia de pic de 4 y 5 MW. 3.3. Introducció a l’energia solar fotovoltaica Com s’ha comentat anteriorment l’energia solar és aquella energia que arriba a la Terra provinent del Sol, a través de partícules o d’ones electromagnètiques, i per tant, els raigs del Sol estan compostos per aquestes petites partícules anomenades fotons, que viatgen a la velocitat de la llum és el que anomenem radiació. La quantitat d’energia d’aquestes ones és proporcional a la seva freqüència (ritme d’oscil·lació) tal i com s’expressa a l’equació de Planc: E = A x n En que: A: és la constant de Planc i té un valor de 6,62 x 10-34 J x s n: és la freqüència vibratòria expressada en s-1 La freqüència de les vibracions ondulatòries és la quantitat de vegades que es repeteix la forma d’onda completa en unitat de temps. La seva unitat és el Hertz (HZ) o també la inversa del temps s-1. Un altre paràmetre característic de les radiacions és la longitud d’ona, que és la distancia que hi ha entre dos punts iguales d’una ona. Per tant, quant més petita sigui aquesta longitud més gran serà la freqüència (valor de n) i es pot transportar més energia. La radiació que emet el Sol en totes direccions correspon a un ampli espectre de Radiació Electromagnètica de diferents longituds d’ona (cada cos segons les seves característiques intrínseques emet un patró de radiació electromagnètica), i que segons les diferents propietats físiques que produeixen uns resultats diferents segons quina sigui la seva estructura. La llum i la calor són dues de les manifestacions d’aquesta radiació, on la llum solar es la part visible d’aquest espectre. Figura 20 – Espectre de Radiació Electromagnètica La llum solar forma part de l’espectre electromagnètic, és a dir, és un tipus d’ona electromagnètica que es desplaça per l’espai en totes direccions, i arriba a la Terra en un temps de 8 minuts. S’ha calculat que la potencia d’irradiació del Sol és de 200x1012, més kW’s que la potencia total de totes les centrals de qualsevol tipus funcionant actualment en la Terra. En un segon, el Sol irradia més energia que la que ha consumit en tota la seva historia d’humanitat. És té que la intensitat de la radiació solar en la capa externa de l’atmosfera, si es considera que la Terra està a una distancia mitja del Sol de 2 cal/min/cm2 com a constant solar; encara que aquesta quantitat no és constant ja que es produeix una petita variació d’un 0,2% en un període de 30 anys, en funció de les variacions de distància entre el Sol i la Terra. La intensitat d’energia real disponible en la superfície terrestre sempre serà menor a la constant solar deguda a l’absorció i a la dispersió de la radiació que origina la interacció dels fotons amb l’atmosfera, que fan que aproximadament la meitat de la radiació incident torni a l’espai abans d’arribar a la superfície terrestre (els núvols, el contingut atmosfèric de pols, gasos i, sobretot, vapor d’aigua, contribueixen a APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 37 diluir la radiació que ens ha d’arribar). Com més quantitat dels factors abans mencionats trobi la radiació al seu pas, major serà la part reflectida i absorbida i menor la radiació que quedarà disponible. Es precís, no obstant, remarcar que existeixen alguns problemes en aquest sentit, hem de tenir en compte que aquesta energia està sotmesa a continues fluctuacions i variacions més o menys brusques. El moviment de rotació de la Terra sobre el seu eix fa que, al llarg del dia, la radiació solar traspassi l’atmosfera amb diferents angles sent major pel matí i per la tarda que al migdia i, a la vegada, també canvia conforme la Terra va orbitant al voltant del Sol (com que aquesta òrbita és el·líptica estem més pròxims al Sol a l’hivern que a l’estiu). Figura 21- Recorregut de la radiació solar a través de l’atmosfera Així doncs, sembla clar que com major sigui el recorregut a través de l’atmosfera, la difusió de la radiació també és major. Aquesta és la causa principal per la qual, tot i disposar d’una font constant d’energia a l’atmosfera exterior, aquesta sigui variable al llarg del dia (a més de ser-ho, com hem dit, estacionalment), i que, el valor mig anual, només aconsegueixi ser la quarta part del seu valor fora de l’atmosfera. Per conèixer la potència de la radiació incident és una dada que no és de definició simple, i exigeix l’ús de taules que indiquin els valors que estadísticament s’esperin per a les diferents hores del dia i al llarg dels mesos de l’any. Figura 22 - Són corbes de potencia de radiació solar al llarg del dia, indicant la variació de l’energia que es rep en un determinat lloc durant les èpoques extremes de l’hivern i de l’estiu.. És important aclarir que aquesta radiació que estem comptabilitzant és una barreja entre la radiació directa, és aquella que rebem en línea recta amb el Sol i capaç de produir ombres, i la radiació difusa, que és la component que ens arriba de tot el cel en haver estat difosa i reflectida per les diferents partícules. Aquesta, que no és capaç de produir ombres, és la única que existeix els dies ennuvolats i durant les hores de l’alba i el capvespre en les que, tot i haver-hi llum, no hi ha el Sol sobre l’horitzó. De les dues, la component difusa és la que aporta un menor percentatge al total del valor i a la vegada és la més difícil a l’hora de fer-ne una estimació. La component directa és la que ha estat objecte d’estudis més precisos i sobre la que s’han elaborat relacions matemàtiques que intenten lligar tots els factors que hi intervenen. També s’ha de tindre en compte que del total de la radiació que arriba, una part es reflectida pel sòl i la poden reabsorbir els objectes més propers. Alhora de plantejar de fer una instal·lació solar de gran altitud com ara refugis de muntanya, repetidors de comunicacions, etc... a mesura que es guanya altitud, disminueix el gruix de l’atmosfera que travessa la radiació i, per tant, augmenta l’energia disponible. Com a norma general aquesta energia ens ve donada en unitat de KJ/m2 (Joules, unitat del treball). Conèixer el moviment del Sol i saber en quin lloc del cicle es troba en cada moment del dia al llarg de l’any, requereix d’uns coneixements més extensos. Llavors, per tal de simplificar el problema, amb el supòsit que la Terra fos fixa i el Sol anés donant voltes, un observador atent veuria que el Sol segueix una trajectòria que neix en un ampli sector situat cap a l’Est i es pon dins un altre sector, igualment ampli, situat a l’Oest. Figura 23 - En la següent figura ens mostra la trajectòria del Sol sobre l’horitzó. Només dos dies l’any (21 de març i 21 de setembre), anomenats equinoccis, el Sol neix per l’Est i es pon per l’Oest. Són els dos únics dies en els que tant el dia com la nit duren dotze hores exactes. La resta de l’any el dia i la nit tenen períodes amb durades diferents, essent el dia més curt el solstici d’hivern (21 de desembre) i el més llarg al llarg del solstici d’estiu (21 de juny). APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 39 A més de variar el temps que està sobre l’horitzó, el Sol varia l’alçada que és capaç d’aconseguir al migdia. La posició del Sol, queda determinada mitjançant dos angles que són l’altura i l’azimut. L’altura es defineix com l’angle que forma el Sol, l’observador i l’horitzó mentre que l’azimut és l’angle que forma la projecció de la línia Sol-Observador amb la direcció sud. En qüestions d’energia solar, l’ús d’aquests angles pot ser rellevant a l’hora de saber si un arbre o un edifici faran ombra sobre el nostre equip solar durant algun moment al llarg de l’any. Dos angles també importants alhora de fer càlculs per instal·lacions fotovoltaiques són la latitud i la longitud, característiques de la ubicació de la instal·lació. La latitud és l’angle que forma la vertical del punt geogràfic que s’estudiarà de la superfície terrestre (ubicació) i el pla de l’Equador. Mentres que la longitud és l’angle que forma la vertical del punt geogràfic a estudiar de la superfície terrestre (ubicació) i una projecció vertical a un punt geogràfic situat igual que la latitud però sobre un eix de referència anomenat meridià de Greenwich. Llavors, la intensitat d’energia solar disponible en un punt determinat de la Terra depèn del dia, l’any, de l’hora i la latitud d’aquest; a més de l’orientació del dispositiu receptor d’energia solar que tinguem. Per mesurar la radiació total que una superfície rep en un determinat número de dies (o mesos) es fan servir uns aparells anomenats piranòmetres, els quals detecten la intensitat de la radiació incident en cada moment i que, juntament amb un ordinador, acumulen aquestes dades en el transcurs del temps en que es prenen les mesures. Aquest instrument es caracteritza per l’ús d’una termo pila que medeix la diferencia de temperatura entre dos superfícies, una pintada de negre i una altre de blanc. L’expansió soferta per les superfícies provoca una diferencia de potencial que, al ser mesurat, mostra el valor instantani de l’energia solar. També es anomenat solarímetre. L’aparell es calibra segons les normes establertes en mV por kW/m2. Figura 24 – Exemple de Piranòmetre per mesurar la radiació solar Un piranòmetre col·locat sobre una superfície perfectament horitzontal, lliure d’obstacles al seu voltant que poden projectar ombres, rep la radiació total (directa més difusa) de tot el cel, i permet avaluar l’energia disponible de la zona on es troba ubicat. Òbviament, les dades de radiació obtingudes a partir dels piranòmetres han de ésser de gran fiabilitat, ja que una cop recopilades al llarg dels anys, i desprès d’un intens procés matemàtic i estadístic, donant lloca les anomenades taules de radiació solar. Un altre element (de menys precisió) utilitzat en la medició de la radiació solar són les anomenades cèl·lules calibrades. Es tracta d’un model molt interessant de piranòmetre on s’usa una cèl·lula fotovoltaica monocristal·lina de Silici per radiacions solars moderades, que un laboratori acreditat ha posat en proba, il·luminant-la amb Sol artificial i establint una relació proporcional entre radiació rebuda i la producció elèctrica (presenta limitacions per captar només el 60% de la radiació solar incident). Tot i que és de menys precisió, el baix cost de les cèl·lules les fa ideals per ser utilitzades com a comprovadors del bon funcionament de les instal·lacions de manera que, col·locant una d’aquestes cèl·lules, es pot comparar la producció de les instal·lacions amb la radiació (aproximada) rebuda. Existeixen diversitat de models de piranòmetres: des dels més cars (2% de precisió), fins els més econòmics (5% de precisió), i de diferents models de fabricants. Entre aquests es poden anomenar: Eppley 8-48 (USA), Cimel CE-180 (França), Schenk (Àustria), M-80M (Rússia), Zonen CM5 i CM10 (Holanda).1200 3.4. Característiques elèctriques dels cossos Com l’energia fotovoltaica és, en conceptes generals, la transformació de l’energia llumínica en energia elèctrica. Aquest apartat es centrarà en la part dels materials capaços de conduir aquesta energia elèctrica (que és l’energia que volem captar per les nostres necessitats). Per tant, podríem dir que hi ha tres tipus de materials capaços de conduir aquesta energia elèctrica: conductors, semiconductors i superconductors. Existeixen dues formes d’afegir energia a un metall: a través dels electrons lliures o a través dels ions. Les energies més baixes absorbides corresponen a d’infraroig i produeixen l’escalfament del metall per excitació dels ions que vibren al voltant de les seves posicions mitges fixes. Els electrons lliures absorbeixen els fotons de major energia i per tant, els metalls són opacs a la radiació visible. Els metalls tenen nivells energètics que són substituïts pels electrons. Quan l’energia que es dona al metall es suficientment gran els electrons abandonen aquests nivells inferiors i se’n van als superiors, quan superen el nivell de fermi d’energia. L’energia que necessita un electró per escapar del nivell de fermi en el buit es APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 41 denomina funció de treball. Per tant, es possible calcular el número d’electrons que seran excitats per una determinada energia incident, doncs només aquells electrons que tenen nivells energètics buits a l’abast seran capaços de guanyar energia. El metall es queda energia en forma de calor, i com més resistència elèctrica tingui el metall més energia es quedarà. Els Conductors són els materials utilitzats convencionalment en l’acció de transportar l’energia elèctrica. Els materials més coneguts i utilitzats per la seva baixa resistivitat elèctrica són el coure, la plata, l’or i el platí. Diguem que un cable elèctric es com un tub que transporta aigua. Dins d’aquest tub hi han moltes impureses que obstrueixen el pas de la corrent amb el s’aconsegueix que es perdi energia. La corrent elèctrica funciona igual: En aquest cas les impureses són els propis àtoms. Aquests estan col·locats en estructures més o menys cúbiques, quan hi ha corrent elèctrica els electrons que viatgen a través d’aquestes estructures a vegades xoquen contra els àtoms de l’element fent-lo vibrar. En aquests nivells microscòpics la vibració significa calor, calor que s’escapa i es perd, energia perduda. A sobre, com més vibren les estructures més electrons incideixen sobre els àtoms, més vibren les estructures i més s’escalfa el material. Si el que es pretén es obtenir calor llavors no hi ha problema, però si el que es pretén es conduir l’electricitat amb la major eficiència possible llavors tenim que ocórrer a la Llei d’Ohm per evitar aquestes pèrdues energètiques. Per fer això senzillament s’augmenta la tensió de la corrent disminuint la intensitat. Els semiconductors són uns materials molt especials ja que condueixen millor l’electricitat que un aïllant però pitjor que un conductor. A baixes temperatures es comporten com aïllants ja que augmenta la seva resistivitat, però a altes temperatures la seva resistivitat baixa espectacularment fins a arribar a la dels metalls. Una cosa molt important a tindre en compte es el que es denomina energia de banda prohibida que apareix en els díodes semiconductors, que es l’energia mínima necessària per fer passar un electró d’un costat a l’altre del diode. Aquests s’utilitzen molt en electrònica per construir microprocessadors de senyals lògiques per a computadores i ordinadors. En fotografia es pot veure un microxip que conté centenars i milions de díodes semiconductors que realitzen les funcions lògiques que se li demanen; mesurant tan sols 0.6 cm2. Els superconductors són més estranys encara ja que la seva característica principal es l’absència total de resistivitat elèctrica, per tant són l’element perfecte per transportar energia elèctrica ja que no produeixen pèrdues per calor; el problema es que per el moment només s’han trobat materials superconductors que funcionen a molt baixes temperatures, i el cost es molt més elevat que les pèrdues que es produeixen. Els superconductors es volen utilitzar per construir trens de levitació electromagnètica i monorails, però pel moment l’elevat cost impedeix la progressió d’aquesta tecnologia dels superconductors. 1. Un absorbent òptim que converteix els fotons en pars electró-buit. 2. Un camp elèctric intern que separi aquestes càrregues. 3. Contactes en els extrems del semiconductor per la connexió amb una càrrega externa. La part dels convertidors que absorbeixen els fotons és el semiconductor que s’escull sempre de forma que tingui una banda prohibida similar a la de l’espectre solar. No podríem agafar una cèl·lula solar amb un valor baix d’energia de banda prohibida encara que semblaria ideal per a que pogués absorbir gairebé tot l’espectre, però la força electromotriu de la cèl·lula està limitada per l’energia de banda prohibida, i si aquesta és petita l’energia electromotriu també ho serà. És poc probable que un fotó tingui el doble d’energia que el nivell de Fermi, per això sempre només caldrà un sòl parell electró-buit per fotó absorbit i l’energia en excés del fotó es dissipa. Quan la llum solar incideix en la cèl·lula es lliuren els electrons que són separats pel camp elèctric, originant una corrent elèctrica. Una cèl·lula fotovoltaica típica de 100 cm2 pot arribar a produir al voltant de 1,5 W (0,5 V y 3 A), i el rendiment de conversió, és a dir, la proporció de llum solar que la cèl·lula converteix en energia elèctrica que actualment els mòduls fotovoltaics comercials tenen es troben entre el 7% al 17%, dependent de la tecnologia aplicada. Hi ha diferents tipus de cèl·lules solars en quant al procés de fabricació, rendiment i preu es refereix: I. Cèl·lules de Silici Monocristal·lí: Una cèl·lula solar de Silici Monocristal·lí no és una altre cosa que un diode de unió p-n que és especialment sensible a la il·luminació, generant la corrent elèctrica. Són cèl·lules formades per un sòl tipus de cristall (Silici pur dopat amb Bor) on la estructura atòmica del material és uniforme, ja que la seva estructura complerta ha estat desenvolupada per un únic cristall. Figura 28- Exemple de panell solar monocristal·lí APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 49 Encara que el Silici és el segon material més abundant a la Terra (després de l’oxigen), tenen un cost elevat en conseqüència de que el Silici no es troba en estat pur i per tant, en el procés de fabricació d’eliminar determinats elements que són difícils d’eliminar, de fondre i fer créixer per formar un monocristall s’inverteix molt de temps i molta energia; a més a més, que no es poden fabricar grans quantitats per tal d’abaratir el cost de producció. Per tant, són bastant cares i difícils d’aconseguir, encara que són les més utilitzades en l’actualitat ja que s’aconsegueixen uns rendiments molt bons, els més grans, superiors al 30%. II. Cèl·lules de Silici Policristal·lí: Són aquelles cèl·lules obtingudes a partir de processos que no necessiten un control exhaustiu de la temperatura en la solidificació del material de Silici, ni tampoc un creixement controlat de la seva xarxa cristal·lina. I se les denomina policristal·lines per la solidificació del material no per un sòl cristall sinó en múltiples. Es basen formant un conglomerat d’estructures microcristal·lines on en les seves unions impedeixen el pas dels electrons perquè es recombinen, és a dir, són com un agregat de materials. Hi ha diferents tipus de Silici Policristal·lí depenent del tamany dels cristalls que el composen, per tant, permeten disposar de cèl·lules de tamanys diferents obrint nous conceptes per a la seva aplicació i tecnologia en la indústria fotovoltaica. Una de les avantatges en la fabricació de cèl·lules policristal·lines és la possibilitat de produir-les directament en forma quadrada, amb el que es facilita la fabricació de panells solars compactes sense mecanitzacions de la cèl·lula posteriors. Són més senzilles d’aconseguir i s’aconsegueixen uns rendiments res despreciable (15%) amb un cost de fabricació semblants a la tecnologia monocristal·lina que habitualment s’utilitza. Figura 29- Exemple de panell solar policristal·lí Però tenen el problema de que no duren tant de temps com les cèl·lules monocristalins encara que són perfectes per llocs on per les condicions ambientals, encara que les cèl·lules siguin molt duradores i es trenquin igualment, com l’alta muntanya, els deserts, etc. III. Cèl·lules de Silici Amorfes: Els sòlids amorfs, com ara el vidre comú, són materials on els àtoms no estan situats en cap ordre especial, no formen estructures cristal·lines i contenen una gran varietat de defectes en l’estructura i els enllaços. I el Silici Amorf presenta també unes propietats totalment diferents al Silici Monocristal·lí, ja que per la seva elevada velocitat de recombinació produïda per la gran quantitat d’imperfeccions en la seva xarxa cristal·lina, presenta un alt coeficient d’absorció, permetent la utilització de gruixuts del material actiu molt petits (arribant a se 50 vegades més fi que l’equivalent fabricat en Silici Monocristal·lí). Per tant, les cèl·lules amorfes no posseeixen una estructura definida i presenta molts defectes on els electrons es recombinen amb buits en lloc de contribuir a la corrent generada. En aquestes condicions aquests materials resulten inacceptables per una utilització fotovoltaica, però si es diposita de manera que contingui una petita quantitat d’hidrogen els enllaços es saturen permetin-te augmentar la vida dels portadors. Es construeixen a partir d’evaporar sobre d’un cristall en una càmera de efluvis el material semiconductor o fotoreactiu, i col·locar un parell d’elèctrodes en cada una de las unitats corresponents. Són les cèl·lules més econòmiques, menys duradores i amb rendiments molt baixos al voltant d’un 6% i que tendeixen a zero amb l’envelliment. El cost de fabricació d’aquest tipus de cèl·lules és molt més econòmic que la resta de tecnologies com a conseqüència del poc material emprat i la facilitat de la seva fabricació en massa, pel que són les més utilitzades en calculadores, rellotges, ràdios i aparells d’aquest estil ja que l’energia que proporcionen es molt baixa. Una altre característica diferenciadora de les altres cèl·lules solars és la possibilitat de ferles de diferents colors o fins i tot transparent, peculiaritats que fan que aquesta tecnologia obri un ventall molt gran de possibilitats. IV. Cèl·lules de Sulfur de Cadmi i Sulfur de Coure: També s’han experimentat en l’obtenció de cèl·lules compostes per dues capes: una de Sulfur de Cadmi (SCd) i una altre de Sulfur de Coure (SCu2). L’avantatge d’aquest sistema resideix en que s’utilitza molt poc material actiu en un procés fàcil de fabricació, obtenint rendiments màxims no superiors al 10% en laboratori i un 5% a la pràctica industrial. Alhora, el greu problema que presenten és la degradació que es produeix amb el pas del temps, no obstant això, s’estan investigant els diferents motius pels quals es produeix aquesta inestabilitat per tal de resoldre’ls i tenir per tant, una alternativa de baix cost als materials utilitzats actualment. APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 51 V. Cèl·lules d’Arseni de Gali: La tecnologia de l’Arseni de Gali està desenvolupada a partir de la fabricació dels diodes emissors de llum o LED’s. Són les cèl·lules fotovoltaiques més indicades per la fabricació de mòduls, ja que s’obtenen rendiments teòrics de 27%- 28% en una versió monocristalina. Una de les característiques de l’Arseni de Gali (AsGa) és el seu elevat coeficient d’absorció, que fa que amb poc material s’obtingui una eficiència elevada; i una altre és que permet treballar a temperatures altes amb menys pèrdues que el Silici Monocristal·lí. Una altre avantatge, és la seva tolerància a radiacions ionitzants, pel que són utilitzades en satèl·lits artificials i demés vehicles espacials ja que el seu alt coeficient d’absorció permet bons rendiments en petits gruixuts. En canvi, tenen el problema que aquest material és estrany de trobar i poc abundant, per això la seva manipulació ha tingut una tecnologia poc avançada i uns costos de fabricació elevats, en contraposició de les tecnologies aplicades actualment que són més competitives. VI. Cèl·lules Bifacials: Aquesta tecnologia de fabricació consisteix en crear una doble unió (normalment n+ - p - p+) de manera que la cèl·lula sigui activa tant en la cara frontal com en la seva cara posterior. Aquest procediment permet captar la radiació frontal i la reflexada en el sòl, que es transformada en electricitat en la part posterior de la cèl·lula fotovoltaica. Lògicament, l’energia produïda per la cara posterior és menor que la que es produeix en la de radiació directe, però no obstant això, permetent arribar a un rendiment total del 30% tenint cura de la qualitat de la superfície de reflexió així com en les condicions mecàniques de la col·locació del panell. És a dir, aquest tipus de cèl·lules obtenen un millor rendiment que les cèl·lules monofacials però el cost de producció s’eleva ja que necessiten varis tractaments de més en el dopatge del Silici per crear diferents capes actives. Per tant, els mòduls realitzats amb aquest tipus de cèl·lules presenten una complexitat en la seva instal·lació i un major manteniment, que fa que avui dia estiguin pràcticament en desús en contraposició de la tecnologia monofacial que és molt més versàtil i amb menys problemes a l’hora de la seva instal·lació. Com que en funció del procés de fabricació, rendiment i preu es refereix s’obtenen un tipus de cèl·lules o d’altres aquí s’exposen en la següent taula un breu resum de les principals característiques d’aquestes: Tipus de cèl·lules Rendiment s Tipus de fabricació Avantatges Inconvenients Cèl·lules de Silici Monocristal·lí Superiors al 30% Cèl·lules formades per un sòl tipus de cristall Materials emprats abundants, rendiments molt bons i duradores en el temps Procés de fabricació complex, cost de producció elevat i no es pot fabricar en grans quantitats Cèl·lules de Silici Policristal·lí 15% Solidificació del material per múltiples cristalls Procés de fabricació senzill i permeten disposar de cèl·lules de tamanys diferents Cost de fabricació elevat i menys duradores Cèl·lules de Silici Amorfes 6% S’evapora sobre un cristall en una càmera de efluvis el material semiconductor i es col·loca un parell d’elèctrodes en cada una de las unitats corresponents Cost de fabricació econòmic, poc material emprat, fabricació en massa, possibilitat de fer-les de diferents colors i gruixuts Cèl·lules menys duradores i rendiments baixos Cèl·lules de Sulfur de Cadmi i Sulfur de Coure 5-10% Cèl·lules compostes per dues capes: una de Sulfur de Cadmi (SCd) i una altre de Sulfur de Coure (SCu2) Poc material emprat i procés de fabricació fàcil Degradació amb el pas del temps molt alt i rendiments baixos Cèl·lules d’Arseni de Gali 27-28% Aquesta tecnologia està desenvolupada a partir de la fabricació dels diodes emissors de llum o LED’s Bons rendiments en gruixuts petits Material emprat estrany de trobar i poc abundant, i cost de fabricació elevat Cèl·lules Bifacials 30% Aquesta tecnologia de fabricació consisteix en crear una doble unió (normalment n+ - p - p+) de manera que la cèl·lula sigui activa tant en la cara frontal com en la seva cara posterior Bons rendiments Cost de producció elevat i instal·lació complexe Figura 30- Taula-resum de les principals característiques de les cèl·lules solars APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 53 3.6.2. Noves tecnologies Com s’ha comentat anteriorment, les cèl·lules fotovoltaiques a partir de Silici monocristal·lí és la tecnologia més utilitzada actualment encara que s’estan estudiant altres tipus de dispositius, com ara: 1.- Dispositius fotovoltaics basats en una pel·lícula prima o fina. 2.- Dispositius fotovoltaics híbrids, utilitzant materials semiconductors nanocristalins i polímers conductors, o cèl·lules electroquímiques. 1.- Els dispositius basats en una pel·lícula prima constitueixen una de les alternatives a les cèl·lules a partir de Silici monocristal·lí. Dintre de l’anomena’t Projecte MARISOL del grup CIEMAT (Centre d’Investigacions Energètiques, Medi Ambientals i Tecnològiques) ha desenvolupat equips a escala intermitja entre el laboratori i una planta industrial per la preparació de materials basats en pel·lícula prima amb aplicació fotovoltaica. Actualment és una planta pilot de la que podria arribar a ser una instal·lació industrial. Els mòduls fotovoltaics més utilitzats en l’actualitat es basen en el Silici monocristal·lí, material del qual té una estructura atòmica molt uniforme que facilita el flux d’electrons (important per arribar a tenir una bona eficàcia). Però per obtenir-lo primer s’ha de fondre el Silici d’alta puresa i després fer créixer de nou l’estructura entorn a un únic cristall «llavor». Aquest Silici monocristal·lí haurà de ser tractat desprès i tallat convenientment per ser transformat en una cèl·lula fotovoltaica, que a més a més s’ha de connectar individualment a moltes altres per formar un mòdul (els panells solars estan formats per moltes cèl·lules fotovoltaiques). És, en conjunt, un procés farragós i car. La tecnologia basada en dispositius de pel·lícula prima ha aparegut en les últimes dècades com alternativa al Silici monocristal·lí ja que amb aquesta tecnologia ja no s’ha de fer créixer un cristall, tallar les oblees, i perdre material en els talls. Al contrari: amb la pel·lícula prima es pot fer créixer el material adequat amb el gruixut desitjat, sobre la superfície que es vulgui i de dimensions a caprici. El principi de funcionament d’aquestes cèl·lules és el mateix que el de les cèl·lules de Silici monocristal·lí: ambdues estan fetes de materials semiconductors que creen portadors de càrrega elèctrica quan se’ls dóna llum, i als que s’afegeixen materials conductors per recollir i transportar la càrrega elèctrica. Però amb la diferència de que la tecnologia fotovoltaica basada en una pel·lícula prima té un depòsit de grans superfícies (1m2 aprox.) de pel·lícula amb conductors i semiconductors sobre un substrat, utilitzant una tècnica de conformat adequada per aconseguir un dispositiu integrat. Els dispositius així preparats tenen gruixuts al voltant de desenes de micres. Una altre diferencia entre aquest tipus de tecnologia i la de Silici monocristal·lí és que el fet d’utilitzar diferents substrats pot diversificar molt la seva aplicació, com ara: el mòdul fotovoltaic pot estar col·locat sobre les teules d’una teulada i ser ondulat, o un vidre d’una finestra pot convertir-se en un mòdul fotovoltaic. És a dir, es pot utilitzar, en principi, en qualsevol tipus de substrat tenint en compte alguns requisits. El problema de que els dispositius de pel·lícula prima no envaeixen el mercat fotovoltaic resideix en que la seva eficiència es considera només acceptable, obtenint al voltant d’un 12% d’eficiència amb dispositius estables de Seleniür de Coure i Indi. No obstant això, la viabilitat comercial d’aquests mòduls requereix esforços importants, a nivell de costos que estan actualment bastant alts, en la seva fabricació. Per aconseguir un procés de fabricació de baix cost en aquests mòduls es necessari una millora d’utilització dels materials i l’optimització dels processos de preparació dels mateixos en grans àrees. El repte en aquesta tecnologia es aconseguir un procés continu en el que s’introdueixi un substrat per un costat i per l’altre surti el mòdul terminat, amb el que abaratir molt els costos de producció. 2.- Els dispositius fotovoltaics híbrids utilitzant materials semiconductors nanocristalins i polímers conductors, o cèl·lules electroquímiques, són una altre de les alternatives als dispositius fotovoltaics d’unió d’estat sòlid. Aquests dispositius de conversió podrien arribar a proporcionar energia solar més econòmica a gran escala, ja que utilitzen materials de puresa mitja-baixa i processos de construcció bastant simples. Encara que fins ara no s’han aconseguit eficiències suficients per competir en el mercat actual de l’energia solar, es tracta de camps d’investigació en desenvolupament i amb un ràpid progrés, amb abundants opcions de futur. Un avanç fonamental en l’àrea de la fotoelectroquímica es va produir en 1972, quan Fujishima i Honda van aconseguir produir petites quantitats d’hidrogen il·luminant una cèl·lula electrolítica amb llum solar. L’element essencial en aquest tipus de cèl·lula és un fotoànode semiconductor de Diòxid de Titani on l’aigua reacciona en els buits fotogenerats i que s’oxida amb oxigen, mentre que es redueix a hidrogen amb els electrons que arriben al contra elèctrode. Així es va demostrar que es possible descompondre l’aigua utilitzant la potencia solar sense voltatge auxiliar. Desgraciadament, per la seva amplia banda prohibida (3-3,2 eV) el TiO2 només absorbeix la part ultravioleta de l’emissió solar i per tant, s’aconsegueix molt poca eficiència de conversió. En 1991 es va realitzar la cèl·lula solar de Diòxid de Titani no-estructurat sensitivitzat amb colorant, cèl·lula solar fotoelectroquímica més coneguda com cèl·lula de Grätzel, que utilitza mecanismes de transferència electrònica similars als que donen lloc a la fotosíntesis en les plantes. A l’igual que en una unió d’estat sòlid, el semiconductor en una unió semiconductor-líquid conté una zona de càrrega espacial en la superfície, amb un intens camp elèctric que permet separar els parells electró-buit fotogenerats i convertir-los en una fotocorrent. Així doncs, un elèctrode semiconductor es pot utilitzar per aprofitar l’energia de la radiació. Els electrons fotogenerats s’extreuen per la connexió entre els dos elèctrodes i per poder tancar el circuit es requereixen espècies dissoltes en la fase líquida que redueixen i APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 55 oxiden amb electrons o buits fotogenerats; els dos estats d’ocupació d’una espècie en l’electròlit constitueixen un parell redox. Els electrons són transferits a través de la superfície de l’elèctrode i reaccionen amb les espècies redox. L’itinerari d’aquestes últimes depèn del tipus de dispositiu, ja que las cèl·lules fotoelectroquímiques poden convertir la llum solar en electricitat, energia química (fonamentalment en forma d’hidrogen) o alguna combinació de ambdues. Aquesta cèl·lula ha generat un nou camp d’investigació científica multidisciplinari, i pel seu baix cost de producció, junt amb una eficiència de conversió total confirmada superior al 10 %, es perfila com una important nova tecnologia per les energies renovables. La primera planta de producció a gran escala es va instal·lar a Austràlia l’any 2001 per l’empresa australiana Sustainable Technologies International (STI), els panells solars comercialitzats per STI amb característiques típiques de 600 mm × 900 mm i una potencia de 50 W/m2 (més informació detallada sobre aquestes cèl·lules en www.sta.com.au. ); i actualment, s’investiguen noves aplicacions, com l’acoblament de la nanoestructura amb polímers conductors per aconseguir una cèl·lula sòlida flexible i la realització de cèl·lules solars transparents a l’ull humà que absorbeixin una fracció significativa de la llum solar, ja que es poden realitzar cèl·lules de colorants en qualsevol color desitjat per a una aplicació concreta. Figura 31- Panells solars de TiO2 sensitivitzat de color vermell ocre (ambdues bandes negres conductores), fabricades per Sustainable Technologies International. També es contempla la incorporació de cèl·lules de colorant en Finestres Intel·ligents, que podrien arribar a ésser importants components arquitectònics en edificis del futur. En molts països industrialitzats, la necessitat de refredar els edificis durant els mesos d’estiu consumeix una fracció significativa de l’energia total, i sovint l’escalfament a través de les finestres és la major component de la càrrega de fred. Les Finestres Intel·ligents regulen el pas de la llum i la calor al interior dels edificis mitjançant vidres que canvien dinàmicament la transmissivitat, amb un procés d’inserció i extracció de Liti en un material electrocromàtic com el WO3. S’ha demostrat que la combinació d’un elèctrode electrocromàtic amb una cèl·lula solar sensitivitzada amb colorant permet realitzar una finestra intel·ligent autoalimentada que prescindeix de connexions elèctriques externes. Un creixent número de científics actualment desenvolupen investigacions per augmentar l’eficiència d’aquest tipus de dispositius híbrids i inventar configuracions alternatives i més pràctiques. En quan a les perspectives més pròximes, l’estat actual les cèl·lules solars sensitivitzades no poden competir en quan a eficiència o durabilitat amb altres alternatives del mercat de l’energia solar. S’han plantejat dubtes sobre l’estabilitat del colorant, la degradació de la qual, encara que corroeix molt lentament, inutilitzaria la cèl·lula solar a mig o llarg termini. Un altre inconvenient és la fase líquida, ja que entre altres coses, perquè no resulta fàcil segellar perfectament el dissolvent orgànic, amb el que la cèl·lula es pot assecar paulatinament i quedar inservible. Per això, moltes de les investigacions actuals tenen com a objectiu el simplificar el procés de producció i a la vegada aconseguir millors propietats mecàniques, com ara, dotar a la cèl·lula de flexibilitat. D’aquesta manera la cèl·lula de colorant podria competir en alguns sectors del mercat, per exemple en aplicacions d’interiors on els requisits d’eficiència i durabilitat no són tan estrictes com en les aplicacions a l’aire lliure. En aquest context, un objectiu prioritari consisteix en realitzar una cèl·lula sòlida amb el semiconductor TiO2 nanoestructurat sensitivitzat i un mitja sòlid que substitueix al líquid com a transportador de buits. Entre la comunitat científica destaquen les contribucions d’un influent grup del National Renewable Energy Laboratory de Colorado ( www.nrel.gov ) i el grup de M. Grätzel en Lausanne ( dcwww.epfl.ch/icp/ICP-2 ). També aporten resultats molts altres laboratoris, principalment a Europa, Japó i Israel. També s’ha de destacar que sorgeixen interessants activitats de caràcter educatiu amb aquest tipus de cèl·lula solar. Els estudiants poden construir amb les seves mans un dispositiu que il·lustra els principis bàsics de conversió d’energia solar mitjançant transferència electrònica, tal i com una fotosíntesis artificial com ara poder realitzar la sensitivització del Diòxid de Titani amb maduixes, flors i tot tipus de colorants naturals. Les empreses de Sol Ideas ( www.solideas.com ) i ManSolar ( www.mansolar.com ) comercialitzen kits amb tots els elements necessaris per construir la cèl·lula de colorant i realitzar aquestes demostracions. Així mateix, la firma australiana STI proposa diverses joguines d’energia solar en la seva actual pagina d’Internet www.sta.com.au/category5_1.htm. 3.6.3. Sistema fotovoltaic Dintre d’una instal·lació fotovoltaica, el component més conegut és la placa, mòdul o panell solar, que utilitzen alguns materials semiconductors i que capten els fotons transmesos en la llum solar per APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 57 transformar-los en una corrent continua d’electrons, és a dir, en electricitat. Un mòdul fotovoltaic està format per un conjunt de cèl·lules fotovoltaiques elèctricament connectades les unes a les altres, encapsades i muntades en un laminat i una estructura de suport o marc. Els mòduls es dissenyen per subministrar electricitat a un voltatge concret (normalment entre 12 ó 24 V). La corrent produïda està en relació al nivell d’insolació. L’estructura del mòdul dona protecció a les cèl·lules contra el medi ambient, fent que siguin molt duradores i amb una gran fiabilitat. Encara que un únic mòdul pot ésser suficient per a moltes aplicacions, es freqüent la connexió de dos o més mòduls amb el propòsit de formar un generador fotovoltaic. Figura 32- Mòduls Solars dels Fabricants Kyocera Solar, Sharp Solar y MSK Corporation Els generadors o mòduls fotovoltaics produeixen corrent continua (DC) i la seva connexió pot ésser en sèrie i/o en paral·lel, per produir qualsevol combinació de corrent i tensió, fins obtindre la potencia requerida per a cada aplicació. Normalment, es fan connexions en sèrie per aconseguir voltatges de 24 o 48V, en instal·lacions autònomes d’electrificació i superiors, de 96 a 144V, en connexions a la xarxa elèctrica o per l’alimentació de variadors de freqüència per bombeig directe. En canvi, les connexions en paral·lel per tal d’aconseguir intensitats de 20 a 25A, en instal·lacions autònomes d’electrificació i/o bombeig i superiors, en instal·lacions de en connexions a la xarxa elèctrica d’elevada potencia. Inclús podem trobar mòduls amb connexió mixta ja que sovint es troben instal·lacions solars on fa falta la connexió en sèrie i en paral·lel perquè es vol treballar amb un voltatge determinat i tenim un número concret de mòduls. És en aquests cassos, on es connecta en sèrie el número de mòduls que es té (connectats en paral·lel) per tal d’aconseguir el voltatge de funcionament. Els següents conceptes en tècniques d’integració poden ser aplicats a tots els elements d’energia solar: - Independent: és un mètode fàcil i simple, molt utilitzat en teulades planes i edificacions ja existents. Els panells fotovoltaics es munten sobre una estructura independent a l’edifici. Així aquests panells poden situar-se amb l’orientació i la inclinació òptima, però amb l’inconvenient de que pot produir un impacte visual fort en l’edifici. Amb aquest mètode no hi ha cap estalvi per substitució d’elements. - Sobreposat: Un altre bon mètode simple i fàcil per edificis ja existents és aquest en el que els panells fotovoltaics es munten amb una petita estructura sobre la pell de l’edifici i en paral·lel amb ella. L’impacte visual que es produeix no és tan fort com en el mètode independent. En aquest mètode tampoc hi ha cap estalvi per substitució d’elements. - Integrat: en el següent cas els panells fotovoltaics tenen una funció arquitectònica a més de generar electricitat. És a dir, alguns dels elements de construcció es substitueixen produint en cada cas particular el corresponent estalvi. És la tècnica més indicada per edificis nous i ofereix un aspecte visual net i bonic. - Revestiment: Aquest mètode s’utilitza per a façanes i teulades fredes. És a dir, una capa externa feta per panells fotovoltaics cobreix la façana i fa que la impermeabilització es localitzi per sobre d’una capa opaca que aïlla tèrmicament. També es pot utilitzar la teula fotovoltaica (mateix sistema que a la façana), que és una tècnica especial per a la integració en teulades. Es necessita ventilació posterior dels panells per tal d’obtenir un bon rendiment de les cèl·lules. Aquí l’estalvi per substitució d’elements ja es significatiu. - Tancament: Aquest sistema és apte per a façanes i teulades calentes. És a dir, els panells fotovoltaics fan directament de teulada o façana i s’utilitzen sistemes convencionals adaptats de acristallament de silicona estructural. També en panells trobem una doble paret que tanca una cambra ventilada per millorar les prestacions tèrmiques i permet generar aire calent per calefacció. En aquest sistema l’estalvi és màxim. - Para-sol: En aquest cas s’utilitzen diferents solucions que donen ombra a l’interior d’una edificació, protegint de la llum directa del Sol i permetent el pas de llum indirecta. A més, permeten l’ús de sistemes de seguiment per tal d’optimitzar la producció d’electricitat. Aquí l’estalvi per substitució d’elements és significatiu. APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 65 Quan es projecta una instal·lació solar fotovoltaica es dóna tota la importància al dimensionat i a escollir els mòduls fotovoltaics, i es descuida el disseny i/o la selecció dels elements que s’encarreguen de suportar o de fixar aquests mòduls al sòl, a la teulada o a la paret de l’edifici. Actualment, els mòduls fotovoltaics pesen molt poc, però en canvi tenen una gran superfície que s’oposa al vent i que pot generar esforços. Per tant, pot passar que durant un episodi de vent fort, els mòduls surtin projectats des de on s’hagin instal·lats. Per això, en el moment de decidir la dimensió d’un suport, s’ha de tindre en compte els següents elements: - El material que es fa servir: Ha d’ésser estable en el temps, preferiblement d’acer inoxidable o d’alumini. Encara que també es munten suports de ferro galvanitzat i de fusta tractada. - Els cargols i els elements de fixació: Es preferible que siguin també d’acer inoxidable. Inclús els cargols que estiguin en contacte físic amb diferents metalls, haurien d’incorporar arandeles de plàstic per tal d’evitar corrosions galvàniques. - Els punts de subjecció: Sempre que sigui possible, s’han d’instal·lar suports en superfícies horitzontals sobre estructures de formigó en massa per mitjà de tacos metàl·lics d’expansió. En el cas d’utilitzar suports de pals cilíndrics, fa falta subjectar-los amb cables d’acer (vent). Els elements anteriorment descrits a més a més de servir de suport dels mòduls fotovoltaics, l’estructura en si mateixa, també serveix per donar l’orientació i inclinació correcta. Un cop esmentades les tècniques d’integració que es poden aplicar, els sistemes fotovoltaics es poden classificar segons per l’aplicació o servei que poden proporcionar. I segons aquests serveis, tenim: electrificació rural (llocs de difícil accés, vivendes d’ús temporal fora de les ciutats, refugis de muntanya, etc.), electrificació urbana (enllumenat de vies urbanes i d’edificis públics com museus o col·legits), electrificació domèstica (tot l’ús elèctric en vivendes unifamiliars, comunitats i cooperatives), telecomunicacions terrestres (telefonia terrestre i mòbil, comunicació per navegació aèria i marítima, repetidors i emissors de radio i televisió, radiotelèfons, …), telecomunicacions espacials (els panells solars dels satèl·lits proporcionen autonomia indefinida), serveis agrícoles i ramaderes (sistemes de bombejament, depuració i reg, il·luminació d’hivernacles i granges, …), seguretat i senyalització (dispositius d’alarma, senyalització, fars, passos de trens, aeroports, autopistes, etc…), centrals elèctriques (producció d’energia fotovoltaica a gran escala), i d’altres com deteccions d’incendis, combustible per vehicles, etc … Per tant, podem classificar els sistemes fotovoltaics en 3 grups: 1.- Els Sistemes Aïllats 2.- Els Sistemes Híbrids 3.- Els Sistemes Connectats a la xarxa Sistemes Aïllats Aquests sistemes són específics en aplicacions on la xarxa de distribució elèctrica no està disponible. Aquesta aplicació es beneficia de la modularitat de l’energia fotovoltaica i d’oferir solucions efectives per problemes particulars des de petits sistemes d’il·luminació, repetidor de radio, electrificació de nuclis rurals i vivendes, siguin d’ús continuo o de cap de setmana, instal·lacions agrícoles que disposen per posar en marxa aparells elèctrics, com ara bombes hidràuliques, i en fi, tots aquells casos en els que sigui necessari l’ús d’electricitat en zones no urbanitzades. Cal destacar que en ocasions pot ser interessant la combinació de panells fotovoltaics amb aerogeneradors eòlics o d’un sistema minihidraúlic, segons les circumstancies. Es especialment aconsellable el primer cas, ja que l’energia eòlica i la fotovoltaica es complementen degut a que les condicions climatològiques adverses per a una, són positives per l’altre. Per l’elaboració d’aquest tipus de projecte hem que tenir en compte que la instal·lació requereix d’una sèrie de càlculs previs necessaris per saber que tipus de dispositius i aparells són els òptims per aquell projecte concret. El factor determinant a tenir en compte és el consum previst i per això, és de vital importància decidir i numerar detalladament, amb dades exactes de número, potencies, tipologia, etiqueta energètica, etc… , els aparells per la qual l’alimentació es prepara el projecte (per exemple, 6 bombetes de baix consum etiqueta A de 40 Watts). També és important pel dimensionat calcular un consum mig d’hores al dia, com ara, 2 hores de televisió al dia, i inclús la regularitat amb la que es consumirà tot, doncs no és el mateix consumir regularment cada dia que concentrar el consum els caps de setmana. Qualsevol variació important en aquests paràmetres un cop en funcionament la instal·lació, com ara afegir una rentadora amb la que no s’havia previst, pot suposar que la instal·lació no arribi a cobrir bé el consum i presenti problemes a nivell tècnic. El manteniment d’una instal·lació fotovoltaica d’aquestes característiques i bé dimensionada no dóna problemes, i l’únic manteniment existent consisteix en la revisió regular dels aparells segons les APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 67 indicacions del fabricant. Les averies, en cas d’un ús correcte, són molt infreqüents, i les condicions meteorològiques normals (tempestes, pluges, calamarsa de dimensions usuals) tampoc les afecten. Tenint en compte a part dels costos, la comoditat d’ús i el manteniment, es desaconsella una instal·lació d’un sistema fotovoltaic per autoconsum en el cas de vivendes que ja disposen de connexió a la xarxa elèctrica, tant siguin edificis unifamiliars com pisos en blocs de vivendes. Els costos d’instal·lació resulten massa elevats perquè compensi econòmicament quan ja existeix una connexió a la xarxa, ja que es tracta d’un projecte d’enginyeria de complexitat mitja, a part d’incloure els diferents dispositius necessaris pel seu correcte funcionament. Aquests costos es veuen compensats quan no es possible una connexió a la xarxa o la companyia elèctrica exigeix el pagament del cablejat entre el transformador i el lloc on es farà l’ús (el que puja normalment a varis milers d’euros). L’elecció dels diferents dispositius que formen el sistema van en funció de diferents variables, com per exemple el consum mig per al qual es calcula, de forma que si de sobte es canvia la nevera de butà per d’una elèctrica, alguns dels components del sistema no tindrien suficient capacitat per la nova demanda de potencia. Això implica que els criteris d’una vivenda d’aquest tipus s’ha de plantejar en l’eficiència energètica més estricte. En el cas de comunitats de veïns de blocs de vivendes o propietaris de vivendes unifamiliars sí es recomana que s’interessin per l’energia solar fotovoltaica, per aprofitar la teulada per instal·lar mòduls fotovoltaics però per vendre aquesta electricitat a la companyia elèctrica. Això sí, hauran de donar-se d’alta en l’impost d’activitats econòmiques, declarar l’IVA i declarar tot això en l’IRPF. Només existeixen dues limitacions: - La teulada ha de ser del propietari del titular de la instal·lació, que en els casos dels blocs, és la comunitat de veïns al complert i desprès d’una decisió en el que tots els membres estiguin d’acord, qui té la potestat per sol·licitar una instal·lació d’aquest tipus. Queda descartat una instal·lació per a un sòl pis. - Límit de potencia de pic: es necessari consultar amb la companyia elèctrica quin és el límit màxim de potencia que pot injectar-ne en aquell tram en concret de la xarxa. Els elements de la nostra instal·lació seran: plaques solars, bateries, reguladors, conversors o inversors; que es poden veure resumits en aquest esquema: Figura 39 – Esquema bàsic d’un Sistema Fotovoltaic Aïllat Plaques solars: Les plaques solars són l’element del sistema encarregat de convertir la radiació solar que rep del Sol en electricitat. Com s’ha comentat en apartats anteriors, l’energia solar es troba emmagatzemada en els fotons i les plaques o mòduls solars fotovoltaics utilitzen determinats materials semiconductors, com el Silici, que absorbeixen els fotons i els converteixen en una corrent continua d’electrons, és a dir, en electricitat. Per tant, el mòdul fotovoltaic és una unitat integral que proporciona suport per a un determinat número de cèl·lules fotovoltaiques connectades elèctricament, en sèrie i/o paral·lel, i protegides de les condicions medi ambientals. Aquesta electricitat es va recollint al llarg de la placa mitjançant fils metàl·lics que al final es condueixen fins els cables que arriben fins l’ondulador. La potència elèctrica d’un mòdul depèn de la seva àrea activa i de la irradiància i temperatura a les que el mòdul es trobi exposat. Els quatre factors que determinen la potencia de sortida d’un mòdul fotovoltaic són: el rendiment de les seves cèl·lules fotovoltaiques, la resistència de càrrega (punt de treball en la corba I-V), la irradiància solar i la temperatura de les cèl·lules. Es poden trobar mòduls de diferents tamanys i formes, i poden estar fets de diferents materials per tal que la estructura (suport rígid) pugui protegir les interconnexions de les cèl·lules dels efectes ambientals. Cada mòdul fotovoltaic sòl tenir un marc d’alumini que li subministra la rigidesa necessària per la seva manipulació i instal·lació, connectat en sèrie i/o paral·lel amb altres mòduls, per tal de formar un generador fotovoltaic que cobreixi les nostres necessitats d’energia. APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 69 Figura 40- Exemple d’una placa o mòdul solar fotovoltaic Bateries: Com que la radiació solar es variable i per tant l’energia elèctrica generada també, fa que els sistemes fotovoltaics aïllats sigui necessari un emmagatzematge d’aquesta energia per tal de poder disposar d’energia en períodes en el que no es possible la seva generació directa. O també ens trobem que la corrent, normalment, no es utilitzada en el moment de generar-ne, per tant, es necessari dipositar-la amb algun sistema per tal de que es trobi disponible quan resulti necessària, com ara per la nit en instal·lacions de vivendes unifamiliars, o en circumstancies en les que existeix més demanda de potencia de la que donen les plaques. En els sistemes fotovoltaics aquest paper el realitzen les bateries. Una bateria consisteix en dos o més elements (piles o cel·les), connectades en sèrie o en paral·lel que converteixen l’energia química en energia elèctrica mitjançant dos elèctrodes de diferent material, aïllats i submergits en una electròlit que fa de conductor iònic. Actualment, en el mercat ens trobem amb diferents tipus de bateries per aplicacions fotovoltaiques encara que la immensa majoria de les bateries són de plom-ácid en les seves diferents versions, ja que s’adapten a qualsevol corrent de càrrega tenint un preu raonable; però fonamentalment es poden fer dos grans grups: 1.- Bateries de Níquel-Cadmi (Ni-Cd): Està constituïda per un ànode d’hidròxid de Níquel (+), un càtode de Cadmi (-) i un electròlit de solució aquosa d’hidròxid de Potassi. Poden ser hermètiques o semiestanques Aquestes presenten un excel·lent cicle de vida, descàrrega de tensió uniforme, bon funcionament a temperatures altes i baixes, resistència a l’impacte i vibració alta, però degut al seu elevat preu i una retenció dolenta de la càrrega s’usen amb menys freqüència. 2.- Bateries de Plom-Àcid: Està constituïda per constituïda per un ànode de plaques de diòxid de plom (+), un càtode de plaques de plom (-) i un electròlit d’àcid sulfúric diluït en aigua. Tenen un baix cost, un elevat manteniment i necessiten ventilació i protecció contra ambients corrosius i potencialment explosius. Poden ser obertes o tancades: Monobloc, similars a les d’un automòbil. Són més econòmiques però tenen un manteniment més complexa i una duració menor. Si es connecten en paral·lel, es poden obtenir intensitats variades. Estacionaries, que resulten més apropiades per aquests sistemes ja que la seva durabilitat és major, a part de que ofereixen major versatilitat. Es poden connectar en sèrie, amb el que s’obtenen voltatges diversos (6, 12, 24, 48 Volts); sempre és necessari carregar la bateria abans de que arribi al 80% de descàrrega, ja que en cas contrari es pot espatllar. Figura 41- Exemple de bateries de la empresa APLESOL (marques comercialitzades TROJAN, BAE, HOPPECKE) Encara que en la majoria de les instal·lacions més comuns s’utilitzen aquests dos tipus, per les diverses aplicacions d’una instal·lació fotovoltaica pot ésser convenient considerar altres possibilitats que, encara que són menys comercials tinguin característiques més bones per a condicions concretes. En els últims anys s’han produït un important desenvolupament de bateries per facilitar diferents aplicacions com són els cas de les bateries hermètiques, que no requereixen de manteniment, són més lleugeres, no existeix perill de pèrdua de l’electròlit, funcionen en qualsevol posició, amb una major vida útil en cicles, més resistents a les descàrregues profundes però limitades pel seu elevat preu i per la seva capacitat màxima. Les propietats de la bateria que s’escull per un sistema fotovoltaic influeix de manera molt important en el disseny d’alguns elements de la instal·lació, per tant, hem de rellevar importància els tipus de càrregues per les que es destina el sistema, la potencia total, cicles de consums previstos, etc... Per això, tindrem en compte a l’hora de triar un tipus de bateria o una altre considerant factors com ara: la tensió nominal (tensió compresa entre 1 i 2 Volts), la capacitat nominal (quantitat de corrent que es possible extraure d’ella entre l’estat de plena càrrega i tensió nominal i l’estat de descàrrega i tensió nominal zero, paràmetre expressat en ampers-hora), la descàrrega nominal (valor de la corrent a la que es realitza una descàrrega en un temps determinat equivalent a la capacitat nominal de la bateria en aquest temps, paràmetre expressat en hores) i la càrrega (rendiment energètic en un determinat estat de càrrega, paràmetre expressat en Watts-hores). L’acumulació d’energia es sòl realitzar en bateries electroquímiques podent portar associat un sistema electrònic (inversor), que permeti la transformació de la corrent continua (CC) subministrada pels mòduls fotovoltaics en corrent alterna (CA). APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 71 Reguladors de Càrrega: Controla l’entrada d’electricitat en la bateria, protegint-la contra sobrecàrregues degut a una corrent excessiva proporcionada pel generador o baixades de tensió de les bateries per sota del seu nivell mínim, que pot fer-la malbé. Un regulador funciona generalment per control de la tensió en els terminals de l’acumulador o bateria i existeixen diferents tecnologies en la construcció dels reguladors que estan comercialment disponibles per aplicacions fotovoltaiques. Tots els reguladors solen disposar d’un amperímetre, un voltímetre adequadament graduat, una alarma de tensió per baixa, un sensor de temperatura que regula automàticament el valor màxim de la tensió de càrrega i un diode que impedeix el pas de la corrent entre les bateries i el panell fotovoltaic, en el cas dels reguladors shunt. Podem trobar dos tipus de disposició del regulador en el sistema: - Regulador shunt o paral·lel: Es basa en la dissipació per calor de l’energia sobrant col·locat en paral·lel amb el generador i el sistema de bateries, és a dir, un cop que la bateria està carregada si el panell fotovoltaic segueix donant energia elèctrica, aquesta no es pot emmagatzemar-ne i per mitjà d’un circuit de control (diode Zener i un dissipador de calor) fa que es dissipi aquesta energia sobrant. També es pot donar el cas en que sigui de nit, i per tant, el panell fotovoltaic ja no doni energia i la bateria estigui carregada de tal manera que no cedeixi electricitat al panell fotovoltaic, disposant d’un diode de bloqueig per tal de no donar a la corrent el pas contrari. Normalment s’utilitza per baixes potencies ja que per grans sistemes solars es requereixen dissipadors tèrmics de grans proporcions produint costos elevats, pèrdues d’energia considerable i problemes de fiabilitat. - Regulador en sèrie: El principi d’operació és un interruptor que es col·loca en sèrie entre el generador fotovoltaic i la bateria que actua desconnectant el generador de les bateries quan la tensió en càrrega arriba a un determinat valor, evitant així la sobrecàrrega d’aquestes. També conté un interruptor entre la bateria i la càrrega un cop que la bateria es descarrega fins a un nivell establert per tal d’evitar la sobre-descàrrega i per tant, procedint a continuació, a carregar-se de nou. Normalment s’utilitza per instal·lacions amb intensitats elevades o grans sistemes solars, encara que presenten l’inconvenient en que un cop la bateria està carregada l’energia elèctrica que es rep del panell fotovoltaic es perd. L’augment d’instal·lacions solars fotovoltaiques ha donat lloc a l’aparició de nous sistemes de regulació capaços d’una gestió més perfecta i adequada a la càrrega encara que es basen en els dos tipus anteriorment descrits, com ara, els reguladors de doble circuit, els reguladors amb dos nivells de càrrega, els reguladors multietapa o els relès d’estat sòlid. Els models més avançats tenen capacitat de posar en marxa el generador per produir electricitat quan la bateria pot patir algun risc de descarrega total, que també l’espatllaria. Figura 42- Exemple de Regulador de càrrega Últimament estan apareixent en el mercat mòduls fotovoltaics autoregulats, és a dir, amb reguladors incorporats. Això aporta l’avantatge que no ens hem de preocupar del seu manteniment i que redueix els components de la nostra instal·lació però alhora no es pot utilitzar en grans instal·lacions on les temperatures poden ser elevades. Onduladors, convertidors o inversors: Són els elements del sistema que adapten l’energia subministrada pel generador fotovoltaic o per les bateries (en forma de corrent continua) a les condicions requerides pels diferents tipus de càrregues, ja siguin en corrent continua C.C, corrent alterna C.A. o d’injecció directa d’energia a la xarxa. Per tant, podem diferenciar dos tipus de convertidors: - Convertidors DC/DC: En determinades aplicacions que es treballi amb corrent continua no es possible fer coincidir les tensions proporcionades per l’acumulador amb la sol·licitada per tots els elements de consum produint pèrdues en el sistema. En aquests casos la solució és utilitzar un convertidor de tensió continua-continua, que transforma la corrent continua que surt de les bateries en corrent alterna, per mitjà d’un inversor format per un circuit de condensadors i semiconductors, que mitjançant oscil·lacions a base de donar polsos fan canviar la corrent continua en corrent alterna amb ona quadrada, i que seguidament passa per un transformador que redueix o amplia el voltatge per tal de tornar a convertir a corrent continua fins el valor adequat. D’aquesta manera aconseguim la tensió adequada amb l’avantatge de l’aïllament galvànic que ens produeix el transformador. - Convertidors DC/AC: En altres aplicacions la utilització inclou elements com ara electrodomèstics convencionals que treballen amb corrent alterna i com que els panells fotovoltaics com les bateries treballen en corrent continua es necessària per tant, la presencia d’un aparell que transformi aquesta APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 73 corrent continua en alterna. Per això, l’aparell encarregat de la conversió de la corrent continua produïda pel camp fotovoltaic en corrent alterna d’onda sinusoïdal és l’inversor o ondulador DC/AC. Aquest tipus de convertidor consta d’un circuit electrònic realitzat amb transistors o tiristors, que trossegen (50 cicles per segon) la corrent continua, alternant-la i creant una ona de forma quadrada que simula la característica fonamental que té la corrent alterna. Aquest tipus d’ona pot ser utilitzada desprès de fer-la passar per un transformador que elevi la tensió, obtenint els convertidors d’ona quadrada per il·luminació o petits motors, o bé, si es filtra, obtenim una forma sinusoïdal igual a la de la xarxa elèctrica. Per tant, com que la gamma de convertidors que hi ha actualment al mercat és molt amplia, la decisió d’utilitzar convertidors d’ona sinusoïdal o d’ona quadrada vindrà en funció del tipus de la càrrega que es connecti. A l’hora d’utilitzar aquest tipus de convertidors hem de tenir molt en compte de reflexar en els càlculs el rendiment d’aquest equip ja que segons la càrrega que tinguem el convertidor pot varia el seu rendiment. El valor d’aquest rendiment ens el proporciona el fabricant per tant, el que haurem de fer una aproximació d’aquest valor i el rendiment mig de les diferents potencies consumides. Figura 43- Exemple de convertidor També existeix la possibilitat de combinar, en un únic element, un inversor i un convertidor de corrent continua en la seva entrada, amb el que s’obté el màxim aprofitament del generador. No obstant això, aquesta opció es limita a instal·lacions de potencies elevades i fonamentalment per sistemes connectats a la xarxa, on es pot justificar el cost addicional amb la millora del rendiment energètic que s’aconsegueix amb el seu ús. També podem trobar alguns models d’inversors susceptibles de connectar-los en paral·lel o d’inversors carregadors o reversibles. La incorporació d’efectius sistemes de protecció contra sobrecàrregues, curtcircuit, baixada de tensió de l’acumulador, etc... assegura un funcionament perllongat i sense problemes d’aquests aparells, sempre i quan l’elecció del inversor, potencia i ús al qual estigui destinat sigui l’adequat, així com la compensació de l’energia reactiva susceptible de ser connectada a un d’aquest equips. 4. Disseny d’una Instal·lació Solar Fotovoltaica 4.1. Consideracions a nivell general en el disseny Un cop analitzats els conceptes bàsics d’un sistema solar fotovoltaic hem de desenvolupar el concepte del disseny per a una aplicació i totes les accions que s’han de realitzar un cop coneguda la seva situació geogràfica. Els requisits per a una instal·lació fotovoltaica, són: - Ser capaç de cobrir la demanda - Funcionar de forma eficient amb el cost menor possible - Característica del consum - Dimensionat del mòdul fotovoltaic en Wp - Dimensionat de les bateries en Ah - Tensió nominal del sistema fotovoltaic - Connexionat i proteccions - Posta en marxa i mesures de manteniment És evident que la majoria dels requisits anteriors a complir estan relacionats entre ells i que es condicionen els uns als altres. No obstant això, en tot sistema fotovoltaic s’ha de tindre en compte dos paràmetres molt importants: - Determinar la radiació incident sobre el sistema - Determinar amb precisió el consum Per tal de poder dissenyar la instal·lació al complert: dimensionat (determinar el número de mòduls fotovoltaics necessaris per la nostra instal·lació) i col·locació del sistema (orientació i inclinació del mòduls fotovoltaics), disseny (sèrie i/o paral·lel dels mòduls) i elecció de components (número de bateries, cablejat, inversors, reguladors, etc...), normes de seguretat, estudi dels paràmetres econòmics, operació i manteniment; hem de seguir el següent procés: APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 81 - Elecció de l’angle d’inclinació - Càlcul dels consums - Trobar la tensió de funcionament (voltatge del panell per la instal·lació: 12V, 24V, 48V) - Càlcul de la radiació (interpretació de les taules de radiació) - Calcular la dimensió del panell - Calcular el número de mòduls i determinar la quantitat en sèrie i/o paral·lel - Determinar el número de bateries - Càlcul del número de reguladors - Dimensionat dels convertidors C.C/C.A - Càlcul de la secció del cablejat 4.1.1. Determinació del càlcul del consum Per poder determinar amb precisió el consum que tindrà la nostra instal·lació solar fotovoltaica hem de tindre present tots els elements de consum que tindrem (il·luminació, aigua, calefacció, forn, cuina, rentadores, frigorífics i d’altres aparells domèstics); i per tant, la seva potencia nominal corresponent, tot considerant extremar les mesures d’estalvi energètic possibles com ara: utilitzar sistemes fluorescents de baix consum en comptes de les bombetes convencionals, escollir electrodomèstics de classe A+ o A++ que consumeixen menys energia, tenir cuina de gas en comptes d’elèctrica (vitroceràmica), utilitzar aparells alimentats per corrent continua (C.C) en comptes d’aparells alimentats per corrent alterna (C.A ) ja que sempre implicarà una pèrdua d’energia, etc.... I també, determinar les hores de funcionament diari d’aquests elements tant per a consum contant, consum nocturn o consum diürn. Els càlculs de consum estan determinats si són en C.C o per C.A, per tant, es calcularan de forma independent: * Consum per C.C: c.c= [(100 + M.S) / 100] . T1 On c.c és el consum de corrent continua en Wh/dia (Watts-hora/dia); M.S és el marge de seguretat que es comptabilitza un 15%; i T1 és el total de Wh/dia en C.C * Consum per C.A: c.a= [(100 + M.S) / Rdto] . T2 On c.a és el consum de corrent altern en Wh/dia; M.S és el marge de seguretat que es comptabilitza un 15%; T2 és el total de Wh/dia en C.A ; i Rdto és el rendiment de l’inversor. * Consum total: CT = c.c + c.a On CT és el consum total tant per consum C.C com per consum C.A. en Wh/dia Per sàpiguer l’energia que necessitarà el nostre sistema: E = CT / V On E és l’energia total necessària en Ah/dia (Ampers-hora/dia); CT és el consum total tant per consum C.C com per consum C.A. en Wh/dia; i V és la tensió del panell fotovoltaic en V (Volts). Però a més a més, s’ha de tindre en compte les pèrdues del cablejat dels mòduls fotovoltaics, que poden augmentar en un 10%, 13%, 15% depenent del marge de seguretat de captació o disseny que efectuem: E1 = %.E / 100 On E1 és l’energia parcial adherida segons el coeficient de pèrdues en Ah/dia; E és l’energia total necessària en Ah/dia; i % és el tant per cent, segons sigui 10%, 13% o 15%. Per tant, l’energia total (ET) que tindrem serà la suma de ambdues energies: ET = E + E1 en Ah/dia 4.1.2. Determinar la radiació incident sobre els sistema Per poder determinar la radiació incident sobre el sistema (panells fotovoltaics) hem de conèixer prèviament la situació geogràfica de la instal·lació, és a dir, la seva latitud, orientació i inclinació geogràfica. La elecció de les dades de radiació solar depenen directament de la situació de la instal·lació, així com les condicions meteorològiques predominants i particulars de cada lloc. APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 83 La majoria de les estacions de registre de radiació solar es troben properes als nuclis de població, tot el contrari al que habitualment passa amb les instal·lacions solars, que normalment es situen més allunyades. No obstant això, i en rares excepcions, la radiació és bastant estable dintre d’un ampli radi d’acció, fent possible fer càlculs fiables i amb poc marge d’error. Un cop coneguda la seva latitud geogràfica hem d’utilitzar taules de radiació solar del lloc de l’estudi per tal de tenir la orientació i inclinació òptimes per tal de rebre la màxima irradiació possible. Les dades registrades a les taules de radiació tenen com a unitat de mesura són el langley (caloria per centímetre quadrat) o bé el Kilojoule per metre quadrat (Kj/m2). Aquestes taules es poden trobar a pàgines d’organismes oficials buscant com a “Atles d’irradiació solar” (com ara el Servei Meteorològic de Catalunya, http://www.meteocat.com/, Institut Català d’Energia, http://www.icaen.net/, o d’altres segons la zona); o també hi ha actualment, suports informàtics els quals poden determinar amb precisió aquesta informació (com ara Solar Design Studio V. 6.0.). 4.1.3. Càlcul de mòduls a utilitzar en la nostra instal·lació Per tal d’obtenir la quantitat de mòduls a utilitzar en la nostra instal·lació, prèviament, hem de fer la conversió de la radiació solar obtinguda de les taules facilitades amb l’energia que ens genera un mòdul solar fotovoltaic: Si Q = 0,24 . R . I2 . t = calories (formula de la calor) ; T = R . I2 . t = Joules (formula del treball) i P = T / t = V2 / R = Watts o KJ/m2 (formula de la potencia); per tant: 1 caloria = 4,186 Joules  1 Joule = 0,24 calories  1 KJ/m2 = 0,024 cal/cm2 o langleys Langley = 1 cal/cm2 = 0,00116 (100 mW . h / cm2) Per tant, s’estableix una unió entre l’energia total rebuda i l’energia total proporcionada a un mòdul fotovoltaic durant les hores solars màximes, HORA SOLAR DE PIC ( HSP, que és la mitja de les hores de Sol amb una intensitat de radiació de 1000 Watts/m2): HSP = Radiació (KJ/m2) . 0,024 . 0,0116 També es pot calcular el número de H.S.P. mitjançant la fórmula següent: Hores Solars de Pic= Radiació diària o mensual total (Wh/m2 dia o mes)/ 1000 W/m2 Si la radiació la tenim en KJ/m2 només hem de dividir per 3.6 per tal d’obtenir la conversió a Wh/m2; i si la tenim en Langleys (cal/cm2) només hem de multiplicar por 11.62 per tal d’obtenir la conversió a Wh/m2. Encara hi ha una altre manera de calcular la H.S.P. utilitzant la H.S.P. mitja, que consisteix en sumar la radiació anual i dividir-la pels mesos de l’any; aquest sistema és útil per instal·lacions amb panells fotovoltaics fixes i així aprofitar al màxim la radiació: HSP = ( ENE+FEB+MARÇ+ABR+MAIG+JUN+JUL+AGO+SEP+OCT+NOV+DES ) / 12 Per sàpiguer el número de mòduls necessaris a la nostre instal·lació: Nº Mòduls = ET / (Ah/dia) On Ah/dia = IMODUL . HSP que és la relació de la corrent proporcionada per cada mòdul i l’hora solar de pic. Si és té que arrodonir sempre serà cap a l’alça. Per sàpiguer la distribució amb exactitud, és a dir, el número de panells en paral·lel i/o sèrie: * Número de panells en paral·lel: NPP = ET / (HSP . IP) On NPP és el número total de panells que es connectaran en paral·lel; ET és l’energia total emmagatzemada en Ah/dia; H.S.P és l’hora solar de pic = radiació (KJ m2/dia) . 0,024 . 0,016; i IP és la intensitat de pic (dada del fabricant). * Número de panells en sèrie: NPS = VT / VP On NPS és el número total de panells que es connectaran en sèrie; VT és la tensió d’utilització en Volts; i VP és la tensió del panell (dada del fabricant). * Número total de panells solars: NTP = NPP . NPS APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 85 Per determinar la quantitat de Ah/dia que proporcionen els mòduls solars fotovoltaics: Mòduls (Ah/dia) = Ah/dia . Nº Mòduls Per sàpiguer si el resultat de l’estudi en aquesta instal·lació és correcte o incorrecte, és a dir, si ens trobem en la situació de Dèficit (valors negatius) o Superàvit (valors positius) d’energia; hem de restar la quantitat de Ah/ dia que proporcionen els mòduls solar fotovoltaics (Mòduls (Ah/dia) = Ah/dia . Nº Mòduls) i l’energia total (ET). Per últim, per determinar quina superfície suposen el número de mòduls solars determinats: S = NTP . h . a On S és la superfície requerida pels mòduls solars fotovoltaics en m2; NTP és el número total de panells; h l’alçada del mòdul solar fotovoltaic en mm o m (dada del fabricant); i a és l’amplada del mòdul solar fotovoltaic en mm o m (dada del fabricant). 4.1.4.Càlcul de la resta dels sistema o BOS Com ja s’ha esmentat anteriorment, un sistema fotovoltaic complet consisteix en un generador FV junt amb altres components, globalment coneguts com a “resta del sistema” o BOS (de l’anglès, Balance Of System). Aquests components varien i estan en funció de l’aplicació o el servei que es requereix proporcionar; i entre ells tenim les bateries, reguladors, convertidors o inversors, grup electrogen, cablejat, elements de protecció, etc... * Càlcul de les bateries: Un altre càlcul bàsic d’una instal·lació fotovoltaica es correspon al càlcul de la capacitat d’acumulació, és a dir, determinar el número de bateries que s’utilitzaran en la nostra instal·lació (sempre i quan el nostre sistema precisa d’acumuladors ). La quantitat de dies d’autonomia que podem donar a la instal·lació estarà marcada per dos factors fonamentals: la seguretat de la instal·lació i la possibilitat estadística de que es produeixi molts dies consecutius nuvolats. Per tant, és pot dir que el número de bateries dependrà proporcionalment de la seguretat que vulguem donar a la instal·lació, ja que quan major siguin els dies d’autonomia més seguretat donarem a la instal·lació. C = ( 100 . ET . D) / P On C és la capacitat de la bateria en Ah; ET és l’energia total emmagatzemada; D són els dies d’autonomia; i P és la profunditat de descàrrega depenent de que estiguin compostes: Bateria de Pb+SB = 70% Bateria de Pb+CA = 50% Bateria de Pb = 40% Bateria de Cd+Ni = 1% * Càlcul dels reguladors: El primer pas és definir el tipus de regulador, en sèrie o en paral·lel i desprès fer el càlcul per trobar el número de panells que s’han d’acoblar al regulador; encara que si la instal·lació es reduïda tots els panells poden estar connectats a un regulador però sinó es tindran que fer grups de mòduls connectats a les sortides del mateix acumulador. No és convenient aprofitar al màxim la potencia ja que es podria superar la potencia màxima en el regulador si les variacions de radiació dels mòduls fotovoltaics són suficients. Per tant, és recomanable, deixar un marge de seguretat del 10% entre la potencia màxima produïda pels panells solars i la potencia màxima del regulador, per tal d’evitar possibles errors en el sistema. El regulador normalment es troba en sèrie amb els panells solars fotovoltaics, per tant, la intensitat del regulador es proporcionada pels panells solars: Iregulador = Imaxima  Imaxima = IP . NPP * Càlcul dels convertidors o inversors de C.C/C.A: La incorporació d’un convertidor C.C/C.A dintre d’una instal·lació fotovoltaica s’ha de realitzar només en aquells casos on no és pot agregar un equip de corrent continua o bé perquè hi hagin circumstancies especials que ho recomanin. APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 87 La primera regla és aconseguir el consum exacte de l’equip de corrent alterna així com la seva punta d’engegada, que habitualment és pot incorporar mitjançant un condensador en paral·lel a la càrrega per tal de reduir aquestes puntes. Per tant, la potencia de l’inversor ve determinada en funció de la potencia dels aparells de consum de C.A i del rendiment del propi inversor: WC = Wcons / Rdto. On WC és la potencia del inversor en Watts; Wcons = c.a que és la potencia dels consums en C.A en Watts; i Rdto és el rendiment del convertidor, que s’estima d’un 85%. * Càlcul del cablejat: El càlcul de les seccions dels conductors de la nostra instal·lació es determinaran segons si pertanyen a la part del circuit de corrent continua, alterna monofàsica o alterna trifàsica. Si partim de la base per a tots que: R = ρ . ( L / s )  R = L / ( K . s )  R = (Va - Vb) / I  si ρ = 1 / K ρ = 0,01786 Ω . mm2 / m = resistivitat del coure K = 56 m / Ω . mm2 = conductivitat del coure L = longitud del conductor en m ; R = resistència en Ω (Ohms) s = secció en mm2 ; (Va - Vb) = diferencia de potencial en Volts I = intensitat en A (Ampers) El càlcul de la secció del conductor en corrent continua es treballa amb tensions de 12V, 24V o 48V, com a conseqüència, la intensitat augmenta considerablement fent que les pèrdues en el conductors elèctrics siguin importants degut a l’escalfament. R = (Va - Vb) / I = ρ . ( L / s )  s = ( ρ . L . I ) / (Va - Vb) = ( 2 . L . I ) / [56 . (Va - Vb)] Per les línees que treballin en corrent alterna monofàsica s’utilitza el que estableix el Reglament de Baixa Tensió (R.B.T). Per tant, el càlcul de la secció en aquest cas serà si les línees tenen poca longitud (α = 0): Caiguda de tensió (dues línees)  e = 2 . R . I . cos α  cos α = 1 (coeficient igual a 0) Si e= % V / 100  s = ( 2 . L . P . 100) / ( K% . V2 ) Per tal d’obtenir la secció per a corrent alterna trifàsica utilitzarem el mateix mètode que s’ha utilitzat en corrent alterna monofàsica però tenint en compte que no són dues línees sinó tres i desfasades a 120º (arrel quadrada de tres): Caiguda de tensió (tres línees)  e = √3 . R . I . cos α  cos α = 1 (coeficient igual a 0) Si e= % V / 100  s = ( L . P . 100) / ( K% . V2 ) * Determinació dels elements de protecció: La incorporació de la instal·lació fotovoltaica no ha de suposar cap risc adherit i per això, aquesta instal·lació ha de complir com a mínim les indicacions del Reglament Electrotècnic de Baixa Tensió (REBT) en la seva versió més actualitzada. En general es recomana: - Si és possible, no superar els 120V en el generador fotovoltaic. - Realitzar una correcta presa a terra de la instal·lació (segons indica el REBT). - Minimitzar la possibilitat de curtcircuits, separant els terminals positiu i negatiu que provenen del generador fotovoltaic en la caixa de connexions. - Utilitzar els materials homologats per a realitzar el cablejat. En aquest apartat s’inclouen les caixes de connexió que faciliten la connexió entre mòduls i que incorporen dispositius de protecció com ara díodes antiparal·lels i varistors per a les descàrregues a terra de sobretensions. També s’inclouen els interruptors necessaris per l’operació i seguretat del sistema, que normalment s’instal·len en la entrada i sortida del inversor, i a la sortida del generador i de les bateries. En quant al funcionament i proteccions que s’han de complir en instal·lacions fotovoltaiques connectades a la xarxa elèctrica nacional (de les quals poden estar incorporades en l’inversor), s’ha de tenir en compte: - Les fluctuacions de tensió, que s’ha de mantenir entre el 85% i el 110% del seu valor nominal. - Les fluctuacions de freqüència, que s’ha de mantenir entre 49 i 51Hz. - El factor de potència ha d’estar a prop de la unitat. - Tenir les proteccions mínimes necessàries contra: APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 89 o sobrecàrregues i curtcircuits (3 relès). o sobretensions i subtensions fora dels marges establerts (3 relès amb rearmament manual). o desequilibris en la xarxa de més del 7% en qualsevol sentit (1 relè). o Variacions de freqüència (2 relès, un de màmima i un altre de mínima). - Utilitzar inversors trifàsics per potències superiors als 5KVA. - Utilitzar inversors els quals els seus nivells de THD compleixin amb la norma EN 60555. - Aïllar galvànicament les parts AC i DC. - Incorporar proteccions externes a l’inversor: o Un interruptor automàtic, anomenat frontera, activat per relès de mínima i màxima tensió i freqüència. o Un interruptor manual, anomenat de bloqueig, accessible en tot moment per la companyia elèctrica. Les exigències de la normativa de cara a la xarxa elèctrica tenen com a objectiu: no modificar les condicions de seguretat ni de qualitat del subministrament de la xarxa a altres usuaris i no originar situacions perilloses de treball per al personal de manteniment i d’explotació de la xarxa. * Normativa i legislació: Existeixen normes elaborades pels diferents organismes nacionals i internacionals de normalització tant per als components de sistemes fotovoltaics (mòduls FV, bateries, reguladors de càrrega, inversors, etc...) com per sistemes complerts (autònoms i connectats a la xarxa). Les normes internacionals en el camp de l’energia solar fotovoltaica es desenvolupen dintre de l’IEC (International Electrotechnical Comision). A nivell europeu es desenvolupen dintre del marc de CENELEC on AENOR representa els interessos d’Espanya. També existeixen diferents iniciatives per part d’altres organismes internacionals i a nivell governamental nacional sobre la emissió de determinats documents que recullen les condicions tècniques i criteris de qualitat en instal·lacions fotovoltaiques. Per una altra banda i com s’ha comentat anteriorment, les instal·lacions d’energia solar fotovoltaica han de complir amb la normativa aplicable a instal·lacions elèctriques, el Reglament Electrotècnic de Baixa hiverns acostumen a ser bastant secs, apareixent a finals de l’estiu, les clàssiques pluges de tarda induïdes pels contrastos tèrmics de la massa d’aigua calenta que suposa el mar. 4.2.2. Determinació del càlcul del consum: * Previsió de les càrregues: La previsió de les càrregues s’ha fet en base al que s’indica en l’instrucció ITC BTC10 del REBT-2002, relativa a la previsió de càrregues pel suministre en baixa tensió a l’edifici. (Dades obtingudes del PFC “Reforma y Rehabilitación de la masia CAN JULIÀ de Vallirana” dels alumnes Julián González Berdugo i Félix Posadas Gallardo al 2007). Consums d’equips en C.C Descripció de l’equip Potencia (W) Número d’Equips Funcionament (hores/dia) Consum (Wh/dia) Planta Baixa 4024 1 8 32192 Planta Primera 4426 1 8 35408 Planta Segona 2922,2 1 8 23377,6 Annex Est 5346,2 1 8 42769,6 Annex Oest 7904 1 8 63232 Jardí 6000 1 4 24000 TOTAL 30622,4 220979,2 L’enllumenat de les plantes: Planta Baixa+ Planta Primera + Planta Segona = (201.2 + 221.3 + 146.11) x 20w/m2 = 11.37 Kw Annex Est + Annex Oest = (267.31 + 395,20) x 20 w/m2 = 13250.2 w ó 13.25 Kw Il·luminació del jardí = 6Kw Consums d’equips en C.A Descripció de l’equip Potencia (W) Número d’Equips Funcionament (hores/dia) Consum (Wh/dia) APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 97 Ordinadors 400 50 8 160000 Cafetera 3500 1 8 28000 Frigorífic 450 1 24 10800 Congelador 450 1 24 10800 Rentavaixelles 7500 1 8 60000 Rentatasses 3000 1 8 24000 Forn 3500 1 4 14000 Extractor 1000 1 4 4000 Ventilador (Extractor d’aire) 75 2 4 600 Altres electrodomèstics 2500 1 8 20000 Usos Varis 10000 1 8 80000 TOTAL 32375 412200 Si disposem d’una tensió de funcionament de 48V (1), per tal d’evitar grans seccions en els cables que van des de els mòduls fotovoltaics fins al convertidor: Potencia total de la masia  P = 11.37 + 13.25 + 6 + 32.37 = 62,99Kw Consum total de la masia  CT = c.c + c.a = 220979,2 + 412200 = 633179,2 Wh/dia(2) Energia total necessària  E = CT / V = 633179,2 / 48 = 13191,23 Ah/dia (3) Si s’han previst com a pèrdues per al connexionat un 10%, obtenim: E1 = %.E / 100 = (10 . 13191,23) / 100 = 1319,12 Ah/dia Per tant, obtenim una energia total: ET = E + E1 = 13191,23 + 1319,12 = 14510,35 Ah/dia (4) 4.2.3.Determinar la radiació incident sobre els sistema Tal i com s’ha esmentat anteriorment, l’angle d’incidència del raig solar sobre una superfície captadora determina a la vegada la densitat dels raigs solars que incideixen en una superfície determinada. Una superfície situada perpendicularment a la trajectòria de la radiació solar, recull més raigs solars que una altre superfície de la mateixa dimensió amb una altre inclinació diferent. Com que el Sol té dos tipus de moviment aparent sobre l’horitzó, el recorregut azimutal i la d’altura, l’angle d’incidència dels raigs solars sobre una superfície fixa varia constantment al llarg del dia, i d’un dia a un altre. Per això, com a regla general, la disposició dels mòduls fotovoltaics respecte del Sol s’han d’instal·lar en un lloc on es rebi la major quantitat de radiació solar possible. Per tant, alhora de fer el dimensionat de la instal·lació hem de tindre en compte tres factores bàsics: l’orientació, la inclinació i les possibles ombres. L’origen de les dades geogràfiques i climatològiques de la següent taula, es troben en el llibre “Radiación Solar Sobre Superficies Inclinadas” organisme oficial del Centre d’Estudis de l’Energia (Ministeri d’Indústria i Energia). Província: Barcelona Latitud de càlcul: 41,40 Latitud [º/min.]: 41° 24’ Altitud [m]: 95,00 Humitat relativa mitja [%]: 68,00 Velocitat mitja del vent [Km/h]: 8,00 Temperatura màxima a l’estiu [ºC]: 31,00 Temperatura mínima a l’hivern [ºC]: 2,00 Variació diürna: 8,00 Graus-dia. Temperatura base 15/15 (UNE 24046): 623 (Període Novembre/Març) Graus-dia. Temperatura base 15/15 (UNE 24046): 656 (Tot l’any) Però per tal d’obtenir el grau d’inclinació dels panells fotovoltaics també es pot anar a la següent pàgina web http://sunbird.jrc.it/pvgis/apps/rad...=es&map=europe ; on ens calcula mitjançant la latitud i longitud exacte de la nostra instal·lació el grau d’inclinació òptim dels panells. Per tant, la població de Vallirana es troba: Latitud: 41.387222222222 (41° 23' 14") Nord Longitud: 1.9313888888889 (1° 55' 53") Est Altura: 165 m per sobre del nivell del mar Zona climàtica: III APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 99 Mes Irradiació diaria amb inclinació (Wh/m2) 0 graus 15 graus 25 graus 40 graus 90 graus Inclinació óptima (graus) Dif./global irradiació Gener 1859 2460 2793 3164 3037 62 0.49 Febrer 2567 3160 3469 3777 3257 54 0.47 Març 3957 4557 4831 5027 3711 43 0.42 Abril 4935 5274 5362 5272 3117 27 0.43 Maig 5867 5979 5907 5568 2696 16 0.43 Juny 6582 6575 6407 5913 2524 8 0.40 Juliol 6661 6728 6599 6144 2709 12 0.37 Agost 5839 6138 6177 5971 3209 23 0.39 Setembre 4621 5203 5446 5566 3800 38 0.38 Octubre 3158 3814 4147 4456 3665 51 0.43 Novembre 2027 2615 2936 3283 3052 60 0.48 Desembre 1636 2218 2546 2919 2888 64 0.50 Anual 4151 4568 4725 4760 3138 35 0.42 Per tant, l’angle d’inclinació òptim és de: 35º i orientació sud, amb un dèficit anual de radiació degut a l’efecte d’ombra (horitzontal): 0.8 %. Per el cas de sistemes fotovoltaics connectats a la xarxa on els mòduls solars estan dispostos amb una inclinació fixa al llarg de tot l’any, com és el nostre cas, el criteri a seguir per tal d’obtenir una APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 101 optimització global del sistema consisteix en donar un grau d’inclinació tal que permeti rebre la major quantitat d’energia en el còmput global de tot l’any. Angle GEN FEB MAR ABR MAIG JUN JUL AGO SET OCT NOV DES Anual 5º 2190 2824 3744 4806 5470 6163 6446 5551 4139 3067 2153 1643 1.468.329 10º 2476 3081 3941 4919 5498 6147 6453 5641 4306 3302 2408 1871 1.524.265 15º 2764 3320 4116 5007 5501 6105 6431 5702 4474 3518 2650 2088 1.573.746 20º 3288 3739 4395 5101 5430 5944 6298 5736 4658 3888 3085 2484 1.645.370 25º 3520 3916 4496 5106 5355 5822 6187 5707 4724 4038 3275 2660 1.668.322 30º 3730 4068 4572 5084 5253 5674 6046 5647 4762 4165 3445 2820 1.682.096 35º 3916 4196 4621 5034 5127 5501 5875 5557 4773 4267 3593 2962 1.686.608 40º 4076 4298 4643 4957 4977 5303 5677 5438 4756 3442 3719 3085 1.681.750 45º 4210 4372 4637 4853 4803 5081 5453 5289 4713 4391 3821 3189 1.667.566 50º 4316 4420 4604 4723 4606 4838 5203 5114 4642 4414 3898 3272 1.644.210 55º 4394 4440 4544 4568 4390 4576 4931 4912 4544 4409 3951 3334 1.611.802 60º 4442 4432 4457 4390 4154 4296 4639 4685 4421 4377 3978 3374 1.570.673 65º 4461 4396 4345 4188 3903 4003 4329 4436 4273 4319 3980 3392 1.521.154 70º 4451 4333 4208 3967 3636 3696 4004 4166 4102 4234 3956 3369 1.463.679 75º 4411 4243 4046 3726 3358 3382 3667 3879 3908 4123 3906 3363 1.398.756 80º 4342 4126 3862 3468 3071 3063 3323 3575 3694 3988 3832 3316 1.327.021 85º 4245 3984 3656 3196 2779 2743 2976 3259 3460 3829 3733 3247 1.249.186 90º 4119 3818 3431 2912 2484 2428 2630 2933 3208 3647 3610 3157 1.166.107 Taula de radiació solar (Wh/m2) incident sobre superfícies inclinades orientades cap al Sud a la província de Barcelona (5) A partir de la taula i de les dades obtingudes al programa PVGIS podem observar que per la latitud on es trobem, l’ inclinació que permet rebre una quantitat major d’energia és la de 35º sobre l’horitzontal, ja que obtenim la major quantitat d’energia solar en el còmput global de l’any. Ara per tal de trobar l’hora solar de pic (H.S.P) agafem els valors de la taula de radiació que ens ve donada en Wh/m2 i ho dividirem entre 1000. Taula resum (6): GEN FEB MAR ABR MAIG JUN JUL AGO SET OCT NOV DES HSP 3,91 4,19 4,62 5,03 5,12 5,5 5,87 5,55 4,77 4,26 3,59 2,96 La presencia d’objectes que arriben a tapar una part del recorregut solar respecte a un punt de captació solar, provocarà la projecció d’ombra sobre aquest. Per tant, quant major sigui el recorregut solar tapat per aquest objecte, menys energia podrà captar. El dia més desfavorable del període d’utilització del sistema, els mòduls solars no han de tindre més del 5% de la superfície útil de captació coberta per ombres. (Dades obtingudes en la pàgina de l’ICAEN en el “Pliego de Condiciones Técnicas para instalaciones fotovoltaicas conectadas a red”, Octubre del 2002). En el nostre cas no existeixen edificis més alts del que servirà de suport a la teulada solar, tampoc s’observen muntanyes, arbres o qualsevol altre obstacle proper. Com que la coberta és de doble vertent, l’estudi d’ombres no és necessari ja que tots el mòduls fotovoltaics es situaran sobre el mateix pla i per tant, no es projectaran ombres els uns als altres. 4.2.4. Càlcul del nombre de mòduls fotovoltaics Acte seguit calcularem el número de mòduls necessaris a la nostre instal·lació: Nº Mòduls = ET / (Ah/dia) = ET / IMODUL . HSP I com que necessitem la IMODUL (corrent en el punt de màxima potencia) escollim el mòdul fotovoltaic per la nostra instal·lació; per el nostre cas hem escollit del fabricant ATERSA, el mòdul solar A-127P. Aquests mòduls estan constituïts per 36 cèl·lules policristal·lines que subministren la tensió per sistemes de 12 VCC, com ara per instal·lacions de camps solars destinats a l’electrificació rural, equips de telemetria i telecomunicacions, etc... així com per sistemes connectats a la xarxa elèctrica. Aquest mòdul pertany al grup de gama mitja-alta potencia, i són ideals per qualsevol aplicació que utilitzi l’efecte fotoelèctric com a font d’energia neta, degut a la seva mínima pol·lució química i nul·la contaminació acústica. A més a més, gràcies al seu disseny es poden integrar amb facilitat en qualsevol instal·lació. Cada mòdul està format per un cristall d’alt nivell de transmissivitat. Consta d’un dels millors encapsulats APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 103 utilitzats en la fabricació de mòduls, el etilè–vinil-acetat modificat (EVA), (més dades del fabricant a l’annex adjunt C). MÓDULO SOLAR FOTOVOLTAICO A-127P CARACTERÍSTIQUES ELÉCTRIQUES Potencia (W en proba -2/+5%) 127W Número de cèl·lules policristal·lines en sèrie 36 de 6” Corrent en el punt de màxima potencia 7,28 A Tensió en el punt de màxima potencia 17,48 V Corrent de curtcircuit 7,95 A Tensió de circuit obert 22,05 V CARACTERÍSTIQUES FÍSIQUES Longitud 1476 mm Amplada 659 mm Gruixut 35 mm Pes 12,8 kg Especificacions en condicions de proba standard de: 1.000 W/m2, temperatura de la cèl·lula a 25ºC i amb una massa d’aire de 1,5. En aquest cas la Intensitat que proporciona el mòdul és de 7,28 A; obtenint la següent taula-resum (Ah/dia) = IMODUL . HSP (7): GEN FEB MAR ABR MAIG JUN JUL AGO SET OCT NOV DES Ah/dia 28,46 30,5 33,63 36,61 37,27 40,04 42,73 40,4 34,72 31,01 26,13 21,54 I per tant, el número de mòduls necessaris a la nostre instal·lació seran (8): Nº de mòduls necessaris GENER 509,85 FEBRER 475,74 MARÇ 431,47 ABRIL 396,34 MAIG 389,33 JUNY 362,39 JULIOL 339,58 AGOST 359,16 SETEMBRE 417,92 OCTUBRE 467,92 NOVEMBRE 555,31 DESEMBRE 673,64 Si és té que arrodonir sempre serà cap a l’alça. Però per sàpiguer la distribució amb exactitud, és a dir, el número de panells en paral·lel i/o sèrie: * Número de panells en paral·lel: NPP = ET / (HSP . IP) Si la HSP mitja és de: (3,91+ 4,19 + 4,62 + 5,03 + 5,12 + 5,5 + 5,87 + 5,55 + 4,77 + 4,26 + 3,59 + 2,96) HSPMITJA= --------------------------------------------------------------------------------------------------------- = 4,6 12 NPP = ET / (HSP . IP) = 14510,35 / (4,6 * 7,28) = 433,29 ≈ 434 mòduls (9) * Número de panells en sèrie: NPS = VT / VP = 48 / 12 = 4 mòduls * Número total de panells solars: NTP = NPP . NPS = 434 * 4 = 1736 mòduls Per determinar la quantitat de Ah/dia que proporcionen els mòduls solars fotovoltaics: Mòduls (Ah/dia) = Ah/dia . Nº Mòduls (434) APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 105 (10) Per sàpiguer si el resultat de l’estudi en aquesta instal·lació és correcte o incorrecte, és a dir, si ens trobem en la situació de Dèficit (valors negatius) o Superàvit (valors positius) d’energia; hem de restar la quantitat de Ah/dia que proporcionen els mòduls solar fotovoltaics (Mòduls (Ah/dia) = Ah/dia . Nº Mòduls) i l’energia total (ET). (11) Mòduls (Ah/dia) GENER 12351,64 FEBRER 13237 MARÇ 14595,42 ABRIL 15888,74 MAIG 16175,18 JUNY 17377,36 JULIOL 18544,82 AGOST 17533,6 SETEMBRE 15068,48 OCTUBRE 13458,34 NOVEMBRE 11340,42 DESEMBRE 9348,36 Dèficit (-) / Superàvit (+) GENER - 2158,71 FEBRER - 1273,35 MARÇ 85,07 ABRIL 1378,39 MAIG 1664,83 JUNY 2867,01 JULIOL 4034,47 AGOST 3023,25 SETEMBRE 558,13 OCTUBRE - 1052,01 NOVEMBRE - 3169,93 DESEMBRE - 5161,99 Pel cas de la masia tenim que si l’estructura de l’edifici és (per a més detalls veure l’apartat corresponent als plànols en la secció d’annexes, annex B): La imatge anterior ens mostra la secció sud de l’estructura de la masia, on s’aprecia que la teulada forma dos triangles rectangles, que sàpiguen-te les dimensions dels costats d’aquests triangles podem esbrinar quins angles formen la teulada. I per tant, esbrinar en quina magnitud podem aprofitar la inclinació de la teulada i escollir l’estructura de suport més adient per al cas que ens pertoca. Aplicant el Teorema de Pitàgores i les raons trigonomètriques següent: APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 113 On: Per tant: a = 2,69 m c = 9,3646 m b = 8,97 m cos α = 0,95779 → α = 16,7º Com que l’altre costat de la teulada forma un altre triangle rectangle proporcional a l’anterior, tenim el mateix angle d’inclinació tant en un costat de la teulada com en l’altre. Llavors, a l’hora d’escollir el tipus de suport dels mòduls en aquest edifici hem de tenir en compte aquest angle, per tant, els suports hauran d’estar 18,3º respectivament, ja que per tal d’obtenir una inclinació de 35º hem de restar la inclinació pròpia de la teulada, que en aquest cas és de 16,7º. Per tant, el suport que escollim en aquest cas per la masia és un suport per a superfícies planes, el model TK-ESTSPAT del mateix fabricant ATERSA , però amb un grau d’inclinació de 35º; ja que el departament tècnic de ATERSA dissenya el tipus d’estructura que s’adapti totalment a les necessitats particulars de cada client tal i com es mostra a l’annex adjunt C. Encara que es podia perfectament escollir qualsevol altre tipus de suport i no necessariament per a superfícies planes. Pel cas dels annexes Est i Oest, respectivament, tenim que les estructures dels edificis són (per a més detalls veure l’apartat corresponent als plànols en la secció d’annexes, annex B): En canvi pels annexes trobem un grau d’inclinació de la teulada del 2% o un angle aproximat de 2º, que és pràcticament nul, per tant, en aquest cas considerem que els mòduls fotovoltaics tindran també un suport per a superfícies planes; igual que amb la masia s’ha escollit el model TK-ESTSPAT del mateix fabricant ATERSA, però amb un grau d’inclinació de 35º, ja que el departament tècnic de ATERSA dissenya el tipus d’estructura que s’adapti totalment a les necessitats particulars de cada client tal i com es mostra a l’annex adjunt C. Un altre punt a tenir en compte alhora de fer la instal·lació del sistema és la interconnexió entre el generador fotovoltaic i la xarxa elèctrica, que s’efectuarà mitjançant un interruptor automàtic sobre el qual actuaran els equips de protecció i maniobra. La interconnexió es composa de les següents parts: - Circuit de Potencia: En el esquema unifilar adjunt es defineixen els elements que configuren el circuit de potencia de la interconnexió. - Proteccions: Las proteccions elèctriques tenen com a objectiu assegurar la protecció de les persones i els objectes, així com mantenir el nivell de qualitat del servei de la xarxa. Per això es disposen APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 115 d’un conjunt d’elements destinats a aquest fi, actuant sobre l’interruptor de interconnexió. Tant la instal·lació com la utilització de les proteccions de connexió, es realitzen d’acord amb la normativa vigent i les normes particulars establertes per la companyia subministradora. Amb les proteccions es podrà protegir les instal·lacions pròpies i de les de la companyia subministradora. També es podrà aïllar la instal·lació en cas d’averia interna. Les proteccions a instal·lar es recullen en l’esquema unifilar següent. - Mesura: Finalment s’instal·larà un contador de mesura d’energia generada (venta) i un altre per mesurar l’energia importada de la companyia elèctrica (compra). Nota: Esquema unifilar bàsic de la nostra instal·lació Per tal de garantir una alta productivitat de la instal·lació, és essencial reduir els períodes d’atur del sistema causat per una avaria o un mal funcionament. Per això són necessàries una bona supervisió del sistema per part de l’usuari com una bona assistència del servei tècnic. Normalment, les instal·lacions fotovoltaiques connectades a la xarxa elèctrica ofereixen pocs requeriments de manteniment preventiu i, en general, són poc susceptibles a successos que provoquen la intervenció d’un manteniment correctiu. En qualsevol cas, sempre es recomana seguir les següents tasques de manteniment: Manteniment a càrrec de l’usuari: - Supervisió general: Que correspon a la simple observació periòdica dels equips com ara observar els indicadors dels inversors; verificació de les xifres d’electricitat generada que permetrà detectar baixades imprevistes de producció; la producció solar final que queda registrada en el contador de venta d’electricitat que mensualment s’ha d’apuntar per tal d’enviar la corresponent factura; el balanç mensual, que es manté entre màxim i un mínim que s’ha de conèixer, per detectar ràpidament una baixada no habitual de producció i per tant, una possible avaria o pertorbació periòdica de la xarxa. - Neteja: La neteja inclou l’eliminació d’herbes, rames o qualsevol altre objecte que projecten ombres sobre les plaques. - Verificació visual del camp fotovoltaic: Amb l’objectiu de comprovar problemes ocasionals en les fixacions de l’estructura sobre l’edifici, com ara l’afluixament dels cargols de l’estructura pròpiament, o entre aquesta i les plaques, l’aparició de zones d’oxidació, etc. Manteniment a càrrec del servei tècnic: L’usuari de la instal·lació és l’encarregat d’avisar al servei tècnic quan detecti una baixada o parada total de la producció elèctrica, així com l’aparició de defectes en l’estructura de fixació del camp solar. En aquests casos es realitzarà un manteniment correctiu, que detecti l’origen de l’avaria i es repari. És igualment important, efectuar un manteniment preventiu, mitjançant revisions periòdiques, en on ha d’incloure: una comprovació de la tensió i intensitat per cada sèrie de plaques fotovoltaiques; verificació de la solidesa de l’estructura del camp solar; caracterització de l’ona, freqüència i tensió de sortida en corrent alterna de l’inversor; comprovació de les proteccions, fusibles i diferencials; i finalment, una verificació de les connexions del cablejat a la caixa de connexions . 4.2.9. Càlcul de l’energia generada per la instal·lació APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 117 A efectes de calcular l’energia elèctrica generada pel nostre sistema i determinar la producció mensual teòrica, es partirà de les dades de radiació solar on es troben ubicats els nostres edificis (dades obtingudes de l’Atles de Radiació Solar) i utilitzant la següent fórmula: Pi = Ii . Pp . N On: Pi és la potencia generada en un mes, en KWh; Ii és la irradiància en cada mes, en KWh/m2 ; Pp és la potencia nominal del mòdul fotovoltaic, que en el nostre cas és de 127Wp, en KWp; i N és el número total de mòduls del nostre sistema, que en el nostre cas és de 712 (masia + annexos). Per tant, obtenim: RADIACIÓ (KWh/m2) ENERGIA (KWh) GENER 76,9 6953,6 FEBRER 91 8228,58 MARÇ 139,3 12596,06 ABRIL 148,9 13464,13 MAIG 159,2 14395,5 JUNY 170,2 15390,16 JULIOL 185,4 16764,6 AGOST 176,7 15977,92 SETEMBRE 152,2 13762,53 OCTUBRE 119,5 10805,66 NOVEMBRE 82,4 7450,93 DESEMBRE 75,4 6817,96 TOTAL (anual) 1.577,10 142607,63 La producció real d’energia generada per la nostra instal·lació sempre serà molt inferior al valor teòric calculat, ja que les condicions d’explotació no seran les mateixes que al laboratori i els diferents elements que intervenen en el sistema ( mòduls, conductors elèctrics, inversores, etc... ) produeixen unes pèrdues que redueixen considerablement l’eficiència del conjunt. Tanmateix, la distribució i orientació dels mòduls sobre la teulada, originen una sèrie de pèrdues addicionals que deuen ser contemplades. 4.2.10. Dades complementaries de la nostra instal·lació 4.2.10.1. Pressupost orientatiu Per tal de realitzar el pressupost (aproximat, ja que els preus s’han agafat dels fabricants en algunes pàgines d’Internet i poden ésser no molt fidedignes), i on s’ha tingut en compte la superposició arquitectònica: DESCRIPCIÓ PREU Ap.1.- Mòduls fotovoltaics 420450,24 € Ap.2.- Estructura de suport i elements mecànics 63312,8 € Ap.3.- Inversor, proteccions i contadors 95880 € Ap.4.- Cablejat i varis 9731,25 € Ap.5.- Muntatge i posada en marxa 26952,36 € Ap.6.- Enginyeria del Projecte 3000 € TOTAL DEL PRESSUPOST D’EXECUCIÓ 619326,65 € 16% d’IVA TOTAL PRESSUPOST D’EXECUCIÓ IMPOSTOS INCLOSOS 718418,914 € 4.2.10.2. Anàlisi de sostenibilitat En quan a l’impacte econòmic a que es refereix, és a dir, les tarifes de venta de l’energia generada, tenim que el Reial Decret 436/2004 estableix “la metodologia per l’actualització i sistematització del règim jurídic i econòmic de l’activitat de producció d’energia elèctrica en règim especial”. Concretament, l’Article 2.- Àmbit d’aplicació, apartat b), del citat Reial Decret, es tipifiquen les instal·lacions solars fotovoltaiques subjectes en aquest règim: APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 119 L’Article 33, del mateix RD, s’estableixen les Tarifes, primes i incentius per instal·lacions de la categoria v), grupo b.1: energia solar: Per al 2008 la tarifa de referència és de 8,1069 cèntims d’euro/kWh, tal i com estableix el Reial Decret 1556/2005, del 23 de desembre , amb la regulació de l’ORDRE ITC/3860/2007 del 28 de desembre, por la que es revisen les tarifes elèctriques a partir de l’1 de gener del 2008 del Reial Decret 661/2007, de 25 de maig; que per instal·lacions d’energia solar fotovoltaica de no més de 100KW’s de potencia instal·lada, que durant els 25 primers anys d’operació de la instal·lació la tarifa de venta d’energia produïda serà de 45,5134 cèntims de €/kWh. D’aquesta manera, els ingressos anuals generats pel camp solar seran els que es recullen a continuació: ENERGIA GENERADA (KWh) INGRESOS DE VENTA (€) GENER 6953,6 3164,81 FEBRER 8228,58 3745,10 MARÇ 12596,06 5732,89 ABRIL 13464,13 6127,98 MAIG 14395,5 6551,88 JUNY 15390,16 7004,58 JULIOL 16764,6 7630,13 AGOST 15977,92 7272,09 SETEMBRE 13762,53 6263,79 OCTUBRE 10805,66 4918,02 NOVEMBRE 7450,93 3391,17 DESEMBRE 6817,96 3103,08 TOTAL (anual) 142607,63 64905,52 La taula següent mostra la previsió d’ingressos i despeses (balanç econòmic): Costos d’instal·lació (IVA no inclòs) 619326,65 € Producció anual 142607,63 KWh Facturació anual 64905,52 € Despeses anuals Aprox. 6500 € Facturació neta anual 58405,52 € En quan al període de retorn de la inversió de la instal·lació solar fotovoltaica proposada, es calcula mitjançant la següent fórmula: T = I / (E - M) On: T és el temps de recuperació de la inversió, en anys; I és la inversió total del projecte; E és el benefici anual aconseguit mitjançant la venta d’energia produïda; i M són els costos anuals de manteniment i explotació de la instal·lació (costos financers i d’amortització no inclosos). Per tant obtenim: T = 718418,914 € / 58405,52 € = 12,3 ≈ 12 anys i mig 4.2.10.3. Impacte mediambiental A part del punt de vista econòmic, les instal·lacions solars fotovoltaiques s’estan implantant sobre tot per les consideracions ecològiques que comporten. Per tant, el balanç en aquest nivell és totalment favorable, tant per la reducció d’emissions contaminants com pel balanç energètic. Tots els kWh generats amb un sistema fotovoltaic equival a un estalvi d’energia generada en contraposició amb altres fonts d’energia més contaminant, i per tant, una reducció d’emissions de CO2. Per calcular l’estalvi de CO2 obtingut per la nostra instal·lació fotovoltaica, podem utilitzar l’emissió mitja per unitat d’electricitat generada a Espanya, que al 2004 es va xifrar en 0,464 kg de CO2 per kWh elèctric generat. Amb el que suposa un estalvi d’emissions contaminants 66169,94Kg per una producció anual de 142607,63 KWh. APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 121 CONCLUSIONS (convertidors termoiònics) http://www.madrimasd.org/cienciaysociedad/entrevistas/quien-es-quien/pdf/2.pdf (dispositiu pilot de “película delgada” envers a les cèl·lules fotovoltaiques de silici monocristal·lí) http://www.elp.uji.es/2005xarxaorganisolar/grups.htm (centres on s’estudien noves propostes per millorar els sistemes fotovoltaics actuals a través de la nanotecnologia y nanocompostos) http://news.soliclima.com/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=41 (diferents tipus de dispositius) http://www.fotovoltaica.com/solarcell.pdf (dispositius de polímers conductors i nanoestructures de semiconductors) http://www.upm.es/canalUPM/notasprensa/Doc2007020502.html (Mirar sinopsis, per agafar algunes coses) http://www.idae.es/index.asp?i=es (Per agafar algunes coses pag. IDAE, mirar pagina relacionada www.solarizate.org [Docencia pels profesors]) http://www2.tandar.cnea.gov.ar/doctorado/Tesis/MartinezBogado.pdf (Tipus segons el material molt desenvolupat, agafar algunes coses) http://html.rincondelvago.com/energia-solar-fotovoltaica_2.html (Per agafar coses diverses) 7.3. Empreses: http://www.portalsolar.com/index.html http://www.ibersolar.com/esp/default.htm (portal de l’empresa IBERSOLAR) http://www.energuia.com/es/catalogo.aspx?FAB=577 (Catàleg dels diferents components d’una instal·lació fotovoltaica IBERSOLAR) http://www.otrasenergias.com/results.asp?nSector=3&cSector=Fotovoltaica (pàgina amb diferents adreces d’empreses) APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 129 www.solibertec.com http://www.greenestenergy.com/?gclid=CPrIltnm4I4CFSRPEAodZG2gOA http://www.viessmann.es/web/spain/es_publish.nsf/Content/Home_spain (portal de VIESSMANN, catàleg) http://www.censolar.edu/menu2.htm (mirar a baix del tot de la pàg., hi han fabricants) 7.4. Normativa i ajuts: http://energiasolarok.blogspot.com/2007/02/normas-aenor-de-energa-solar.html http://www.viessmann.es/web/spain/es_publish.nsf/Content/Home_spain (buscar en l’apartat de subvencions, si s’omple un formulari et poden calcular un diagnòstic de quina quantitat d’electricitat generaràs) http://www.idae.es/index.asp?i=es (Per agafar algunes coses en els 3 punts) http://www.idae.es/index.asp?i=es (normativa i legislació) http://www.ayudasenergia.com http://archivo.greenpeace.org/GuiaSolar/S-tecnicos.htm ANNEXOS APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 131 ANNEX A: FOTOS DE LA MASIA APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 133 ANNEX B: PLÀNOLS DE LA MASIA ANNEX C: MÒDUL FOTOVOLTAIC A-127P de ATERSA, INVERSOR SolarMax 20C- 80C i SUPORT PER A SUPERFÍCIES PLANES TK-ESTSPAT de ATERSA APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 135 MÒDUL FOTOVOLTAIC A-127P de ATERSA APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 137 APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 145 Lista de precios de JHRoerden y Cía, S.A.(Junio del 2008) SUPORT PER A SUPERFÍCIES PLANES TK-ESTSPAT de ATERSA APROFITAMENT D’ENERGIA SOLAR AMB DISPOSITIUS FOTOVOLTAICS 147