ELEMENTS D'UNA INSTAL·LACIÓ FOTOVOLTAICA

Les instal·lacions solars fotovoltaïques sorgeixen com a necessitat proporcionar energia elèctrica nuclis o elements que estan aïllats de la xarxa elèctrica. Aquesta tecnologia es va començar a desenvolupar durant els anys seixanta en la cursa espacial per tal proveir d'energia elèctrica els satèl·lits que es posaven a l'espai. Actualment té un gran nombre d'aplicacions des de les ja esmentades electrificacions de nuclis aïllats de la xarxa elèctrica dins a les telecomunicacions o obtenció d'aigua dels pous.

Les instal·lacions fotovoltaïques es componen de:

Pannells fotovoltaics (1).- Són dispositius encarregats de convertir de directament la radiació solar en energia elèctrica de corrent continu.

Reguladors de càrrega (2).- Tenen la funció de controlar de forma automàtica la càrrega de les bateries. També tenen la funció de controlar el consum de les càrregues de corrent continu.

Bateries (3).- Dispositius destinats a l'emmagatzematge de l'energia elèctrica en forma de corrent continu.

Inversor o Convertidor CC/CA (4).

Dispositiu electrònic encarregat de convertir el voltatge de corrent continu en voltatge altern de 220V i 50Hz, per tal d'alimentar les càrregues que funcionen a 220V o per lliurar l'energia sobrant a la xarxa elèctrica.

Càrregues o Equips de consum (5).- Són tots aquells elements que han de consumir energia elèctrica i per els quals s'ha dissenyat la instal·lació. Les càrregues poden funcionar a 220V de corrent altern i a 12V de corrent continu. Aquestes darreres caldria connectar-les al regulador (2).

1. Pannells fotovoltaics

La generació del corrent elèctric és produeix per l'efecte fotovoltaic, que consisteix en la conversió directa de la radiació solar en energia elèctrica en forma de corrent continu. Aquesta conversió la produeixen les cèl·lules fotovoltaïques. Les cèl·lules fotovoltaiques són semiconductors de silici del tipus PN (díode). Quan sobre la unió PN del semiconductor incideix la radiació solar (fotons) aquest es fa conductor generant als seus extrems un voltatge de 0,5V i un corrent que depèn de la superfície d'exposició de la unió i de la intensitat de la radiació solar.

Aquests voltatges i corrents són massa petits per ser utilitzats, per això les cèl·lules s'associen en sèrie per incrementar els voltatges i en paral·lel per incrementar el corrent formant els pannells fotovoltaics. Normalment els pannells es composen de 36 cèl·lules de diàmetres diferents (en funció del corrent que es vol obtenir).

En el mercat existeixen 3 tipus de cèl·lules fotovoltaiques que es diferencien en la seva estructura cristal·lina:

Silici monocristal·lí (1).- El silici es diposita sobre un cristall de forma que mantingui un estructura perfectament ordenada. Es caracteritzen per tenir un color blau fosc amb una brillantor metàl·lica. Tenen un rendiment del 16% de la radiació solar rebuda. Són els més cars i el més emprats.

Silici policristal·lí (2).- El silici es dipositat sobre el cristall sense tanta cura, de tal manera que canvien l'orientació cada cert espai. El seu aspecte sembla una amalgama de colors amb tonalitats diferents entre blau i gris amb brillantor metàl·lica. Tenen un rendiment lleugerament inferior al 16% de la radiació solar. Són més econòmics i no s'utilitzen tant com els anteriors.

Silici amorf (3).- El silici és dipositat en una fina capa sobre el material de suport, la seva estructura cristal·lina ha desaparegut. El seu aspecte presenta tonalitats de color marró o gris fosc. Tenen un rendiment al voltant del 6% de la radiació solar rebuda. Són molt econòmics i s'utilitzen per calculadores i objectes amb petits consums.

Els pannells fotovoltaics estan constituïts per un conjunt de cèl·lules interconnectades entre sí, posades en un capsa de plàstic resistent a la intempèrie i estanca, per la part del davant es col·loca un vidre trempat molt resistent a l'impacte, amb superfície antireflectiva i que no absorbeixi radiació solar. La superfície exterior del vidre ha de ser llisa per evitar l'acumulació de la pols que limitaria el seu rendiment. A la part posterior del mòdul conté la caixa amb les borns de connexió dels cables. Tot el conjunt és dissenyant per que sigui perfectament estanc i suporti les condicions climatològiques més adverses.

Tot i que els sistemes fotovoltaics solen ser de 12V els pannells proporcionen tensions superiors a aquests voltatges per poder carregar les bateries i per compensar les pèrdues de voltatge als conductors.

  La radiació solar que arriba a la superfície de la terra a les nostre latituds sol ser de uns 1000W/m2 , que són les condicions estàndard per les quals els fabricants proporcionen les corbes de potència dels pannells.

A més, hi ha tres aspectes a tenir present:

2. Reguladors de càrrega

Els reguladors són dispositius electrònics encarregats de la càrrega i descàrrega de l'acumulador (bateria), així com controlar que els equips de consum no descarregui massa la bateria. Són dispositius que funcionen automàticament i que tenen un baix manteniment, baix cost, un baix consum i una alta fiabilitat.

Aquest equips incorporen els sistemes de protecció necessaris en qualsevol instal·lació elèctrica. Els equips estàndard tenen 6 borns de connexió, 2 borns ( + i - ) per a connectar als mòduls fotovoltaics, 2 borns (+ i -) per a connectar a les bateries i 2 borns (+ i -)  per alimentar els equips de consum que treballen a 12V de corrent continu.

Les funcions dels reguladors de càrrega són:

• Controlar la càrrega de les bateries i desconnectar-les quan estiguin carregades.

• Desconnexió dels equips de consum en cas de descàrrega excessiva de les bateries.

• Protecció contra curtcircuits, sobretensions, sobrecàrregues i inversions de polaritat.

• Avisar amb indicadors lluminosos dels diversos estats de funcionament de l'equip.

Aquests equips es fabriquen per diverses tensions (12V, 24V i 48V) i per diverses intensitats màximes (fins a 130A).

3. Bateries

Les bateries són els dispositius encarregats d'emmagatzemar l'energia elèctrica produïda pels pannells durant les hores de radiació solar per cedir-la als equips de consum en les hores on no hi ha radiació solar i per tant les hores en que els pannells no produeixen energia.

Les bateries per aplicacions fotovoltaiques són del tipus estacionari (no tenen el moviment de les muntades als vehicles ) i admeten la regeneració en cas de descàrrega profunda. Solen ser del tipus Pb/àcid.

Des del punt de vista comercial hi ha tres tipus de bateries:

• Bateries monobloc.- Semblants exteriorment a les dels cotxes (foto superior). Proporcionen 12V i per obtenir tensions superiors s'associen en sèrie. Tenen l'avantatge de ser més reduïts.

• Bateries d'elements de 2V opacs.- Estan formats per vasos de 2V opacs que s'han d'associar en sèrie per arribar als 12V, 24V o 48V. Tenen l'avantatge que en cas d'avaria d'un dels elements aquest es pot substituir individualment (part esquerra).

• Bateries d'elements de 2V transparents.- Estan formats per vasos de 2V transparents que s'han d'associar en sèrie per arribar als 12V, 24V o 48V. Tenen l'avantatge que es pot observar l'aspecte de l'electrolit i en cas d'avaria d'un dels elements aquest es pot substituir individualment (part dreta).

Les característiques elèctriques i comercials d'una acumulador estacionari són:

• Voltatge.- En el cas de les monobloc el voltatge és de 12V. En el cas de bateries d'elements el voltatge és de 2V (2,04V - 2,09V), per tant s'han d'associar 6 vasos en sèrie (12,24V - 12,54V). Durant el procés de descàrrega es consumeix electrolit disminuint el voltatge i la densitat de l'electrolit, l'estabilitat d'aquests dos paràmetres defineix la qualitat de la bateria. S'anomena tensió de tall a aquell voltatge de descàrrega ( 1,7V en les de vasos ) a partir del qual comencen a aparèixer fenòmens no reversibles i per tan cal evitar-los.

• Intensitat de corrent.- Les bateries estacionaries han de subministrar corrent durant un període de temps més llarg de les dels vehicles per tant han de tenir un disseny diferent. La capacitat de subministrar corrent està relacionat amb la porositat dels elèctrodes i la densitat de l'electrolit (1,24gr/cm3a plena càrrega) per tant aquest és un indicador de l'estat de la càrrega de la bateria. Per comprovar l'estat de la càrrega s'utilitza un densímetre.

• Capacitat.- És la quantitat de càrrega que es pot extreure de la mateixa sense afectar al seu voltatge de forma greu quan està a plena càrrega. La capacitat es mesura en ampers hora (Ah). Les bateries són dipòsits d'energia de tal manera que es buida més ràpidament si el corrent de descàrrega és més elevat.

• Cicles de vida.- Les bateries són sotmeses a cicles de càrrega-descàrrega que poden ser diaris, setmanals o estacionals. La vida útil d'una bateria depèn de la periodicitat dels cicle i de la profunditat de la descàrrega. Les bateries estacionaries no han de tenir una profunditat de descàrrega diari superior al 20% ja que degrada els elèctrodes.

Els principals factors que provoquen avaries en les bateries són:

- Sotmetre'ls a sobrecàrregues perllongades (continuar carregant-les un cop ja són carregades).

- Mantenir-les sense carregar durant llargs períodes.

- No controlar el nivell de l'electrolit (s'ha de mantenir entre dues marques que tenen les bateries).

- No inspeccionar, netejar i protegir els terminals de les bateries.

4. Inversor o convertidor CC/CA

L'inversor o convertidor cc/ca és un dispositiu electrònic que té com a funció principal convertir els 12V de corrent continu que generen els pannells en 220V de corrent altern i 50Hz de freqüència (voltatge i freqüència de la xarxa elèctrica) per tal de subministrar energia als equips de consum que només poden funcionar a aquest voltatge.

Aquests equips també poden tenir un altre funció important i és la poder connectar-se a la xarxa elèctric per subministrar-li l'energia que li sobra a la instal·lació, convertint així la instal·lació en una central generadora d'energia elèctrica que les companyies elèctriques tenen l'obligació (per llei) de comprar a un preu superior.

Segons la funció a la que estigui destinat (de les dos anteriors) l'equip por ser de major qualitat o de menor qualitat, i poden ser de dos tipus fonamentalment:

• Inversors d'ona de sortida sinusoïdal.- Són els destinats a subministrar energia a la xarxa elèctrica de distribució. Són els de major qualitat, ja que tenen un rendiment superior al 90%, i el voltatge, freqüència i fase del senyal produït és molt precís i estable.

• Inversors d'ona de sortida quadrada modificada.- Són els destinats exclusivament a subministrar energia als equips de consum, sense que es puguin connectar a la xarxa elèctrica. Són de menor qualitat i tenen un rendiment entre el 80 i 90%, la precisió de voltatge i freqüència són menors als anteriors.

Els inversors disposen internament de protecció de sobrecàrregues i curtcircuits a la sortida, així com a proteccions contra inversió de polaritats a l'entrada.

El paràmetre més important d'un inversor és la potència que pot subministrar a la sortida de l'equip. Per això en el mercat existeixen una gran gamma de convertidors que pot anar des dels 150W fins als 8000W de potència de sortida.

5. Càrregues i equips de consum

Les càrregues o equips de consum són tots aquells aparells que necessiten consumir energia elèctrica pel se funcionament, i és precisament per fer-los funcionar que cal instal·lar (en determinades ocasions) sistemes d'alimentació d'energia fotovoltaics.

D'equips de consum hi ha de dos tipus:

• Equips que funcionen a 12V cc.- Són tots aquells equips que poden funcionar a 12 V (o 24V) de corrent continu. Quan els equips de consum són només d'aquests tipus no cal instal·lar l'inversor. Pertanyen a aquest tipus de càrregues les làmpades de baix consum, equips electrònics, sistemes de comunicació, bombes d'aigua, fanals autònoms, etc.

• Equips que funcionen a 220V ca.- Són aquells aparells que han de funcionar a 220V i 50Hz de corrent altern i que per tant necessiten l'inversor pel seu funcionament. Pertanyen a aquest tipus frigorífics, rentadores, ordinadors, petits electrodomèstics, televisió, vídeo, etc.

Sovint les instal·lacions solars fotovoltaiques és dissenyen per equips de consum dels dos tipus i per tant cal emprar inversors per convertir el voltatge.

Val a dir que avui en dia fabricants que dissenyen aquest tipus d'aparells amb una molt gran eficiència energètica i per tant baix consum o que fan servir altres fonts energètiques com ara frigorífics a gas o rentadores de bombolles que consumeixen molt poca energia.

BIBLIOGRAFIA

http://www.xtec.es/~ptrilla/fotovoltaica/

http://www.arrakis.es/~fgclobo/teoria/teoria.htm

http://www.solener.com/fotos.html

http://solarfotovoltaica.galeon.com/ARCHIVOS/componentes.htm

6