Els sistemes solars fotovoltaics (PV) són un dels elements essencials de la transició energètica mundial, ja que permeten la conversió directa de la llum solar en electricitat amb una eficàcia especial i en augment ràpid. Per a qualsevol persona que es dediqui a activitats que van des de la instal·lació fins a la inversió o l'elaboració de polítiques en energies renovables, el coneixement de com funcionen aquests sistemes a diversos nivells, inclòs el coneixement a nivell-atòmic dels materials semiconductors i els inversors-connectats a la xarxa, és fonamental.
L'efecte fotovoltaic: el principi bàsic
L'efecte fotovoltaic, que és el concepte fonamental darrere d'un panell solar, és un fenomen físic confús acreditat a la investigació del científic francès Edmond Becquerel l'any 1839. El fenomen implica l'aportació de fotons, les partícules de la llum solar, que imparteixen la seva energia als materials semiconductors i provoquen excitació en electrons.
Els panells solars solen estar fets d'un material semiconductor específic anomenat silici cristal·lí. El procés de fabricació de silici adequat per a plaques solars implica diversos passos, inclòs "dopar-lo" amb impureses per crear dues capes diferents. Una capa s'anomena capa de tipus n-i té electrons addicionals, mentre que l'altra capa és la capa de tipus p-, que genera deficiències d'electrons (forats). El punt on es troben les dues capes s'anomena unió p-n, i tindrà camps elèctrics interns a causa del moviment de l'electró a causa de l'energia i la posterior creació de càrregues on la capa de tipus n-té més electrons i la capa de tipus p-té forats. Per tant, quan s'il·luminen els panells solars, hi ha una generació de diferència de tensió i, com a resultat, una quantitat substancial de tensió elèctrica de corrent continu.
Tot i que un sol panell solar genera poca energia (entre 0,5 i 0,6 volts i només diversos watts), és per això que cal connectar diversos panells entre si per tal de generar electricitat més gran.
De DC a AC: el paper crucial de l'inversor
Les plaques solars generen electricitat de corrent continu, però la majoria dels electrodomèstics i la xarxa elèctrica utilitzen corrent altern. Per fer la conversió d'electricitat DC en electricitat AC, és necessari l'inversor. L'inversor es coneix com el "cervell" del sistema solar perquè realitza la conversió.
En el món actual, els inversors fan més que realitzar la conversió. Els inversors fan ús de l'última tecnologia de seguiment del punt de màxima potència (MPPT) que està dissenyada per ajudar en l'ajust constant de la càrrega d'electricitat. Garanteix la màxima quantitat possible d'energia elèctrica independentment de les condicions meteorològiques.
Els inversors ofereixen funcions vitals de control i seguretat. Poden detectar talls d'electricitat i desactivar-se ells mateixos (protecció anti-illa) que impedeix enviar l'electricitat a les línies elèctriques, garantint així la seguretat dels treballadors. Nombrosos inversors nous inclouen eines de control-integrades que ajuden els usuaris a mesurar l'estat del sistema, trobar errors i gestionar el consum d'electricitat en temps real-a través d'aplicacions mòbils o sistemes en línia.
Balanç del sistema i altres components
Un sistema d'energia solar complet inclou diversos components d'equilibri-de-sistema (BOS) a més d'inversors i panells. Aquests components inclouen sistemes de muntatge (bastidors de terrat, bastidors de suport a terra o sistemes de seguiment del sol), cablejats i conductes elèctrics, caixes de connexió, seccionadors, dispositius de protecció contra sobrecàrregues i, en determinades situacions, equips de monitorització i comunicació.
Per als sistemes solars de coberta, és important garantir el muntatge correcte perquè l'estructura es mantingui estable i no apareguin fuites, així com els panells es mantinguin en una posició i inclinació òptimes. A la part nord del món, els panells solars es col·loquen cap al sud amb un angle d'inclinació proper al de la latitud per garantir la màxima generació d'electricitat. Els rastrejadors d'un sol i dos eixos-es poden utilitzar en sistemes-muntats a terra que ajuden a augmentar la generació d'energia entre un 15 i un 25%, atès que els sistemes fotovoltaics reben els raigs solars durant tot el dia. Tanmateix, utilitzar aquests sistemes també té els seus inconvenients.
Rendiment, degradació i eficiència
En general, el rendiment d'un sistema solar s'avalua a través del seu factor de capacitat, que és el nombre que reflecteix la quantitat d'energia produïda durant un període de temps en contraposició a l'energia màxima que es pot produir si el sistema solar funcionés a la seva plena capacitat el 100% del temps. Els sistemes fotovoltaics d'inclinació-fixa tenen un factor de capacitat del 10% - 20% en funció de factors com la ubicació; tanmateix, el factor de capacitat dels sistemes de seguiment és lleugerament superior al dels sistemes fotovoltaics d'inclinació fixa-, que oscil·la entre el 20% i el 30%.
Tots els panells solars perden gradualment eficiència amb el temps, i la seva eficiència disminueix en un 0,5 % - 1% anual. Gairebé tots els fabricants garanteixen els seus panells solars durant un període de 25 a 30 anys, assegurant així que l'eficiència del panell solar no baixarà del 80% al 85% de la seva eficiència nominal inicial un cop transcorregut aquest període de temps.
L'eficiència del sistema també depèn de la temperatura: les cèl·lules solars són menys eficients a temperatures més altes-un fenomen conegut com a coeficient de temperatura. Les cèl·lules típiques de silici cristal·lí perden entre un 0,3 i un 0,5 per cent de la seva producció per grau centígrad per sobre dels 25 graus. La ventilació i el muntatge adequats que permeten el flux d'aire darrere dels panells poden ajudar a mitigar aquest efecte.
El viatge de la llum solar a la presa
Pel que fa a un típic sistema d'electricitat solar domèstic connectat a la xarxa, funciona així: primer, la llum solar arriba als panells, que són els que crea electricitat de corrent continu. El corrent arriba a l'inversor que el transforma en electricitat de corrent altern. L'inversor observa constantment els paràmetres de la xarxa elèctrica que li permeten arribar a una sortida de freqüència i tensió constant. Després d'això, l'electricitat s'envia al panell principal de la casa que la lliura a diferents aparells. Val la pena esmentar que durant les hores punta de producció d'electricitat (quan es produeix la major quantitat de generació d'energia solar) l'electricitat s'exporta de nou a la xarxa gràcies al comptador que funciona correctament que podria estar girant a l'inrevés en termes de mesurament net. A la nit, el procés és a l'inrevés, de manera que la casa comença a consumir energia de la xarxa en un sentit normal, cosa que no condueix a res més que a un gir regular cap endavant del comptador.
Els sistemes intel·ligents es poden utilitzar amb solucions intel·ligents de gestió de l'energia a la casa, ja que permeten traslladar els aparells de consum intensiu d'energia-(com ara rentavaixelles i unitats de càrrega de vehicles elèctrics) als moments de major producció solar.
Conclusió
Un sistema d'energia solar és una integració sofisticada de la física dels semiconductors, l'electrònica de potència, l'enginyeria estructural i la intel·ligència del programari. Des del moviment quàntic-de electrons al silici fins a la sincronització perfecta amb la xarxa elèctrica, cada component treballa en harmonia per transformar un recurs abundant, lliure i net-la llum solar-en l'electricitat fiable, sota demanda, que alimenta la vida moderna. A mesura que la indústria continua innovant amb cèl·lules de més-eficiència, inversors més intel·ligents i solucions d'emmagatzematge més assequibles, els principis de funcionament fonamentals es mantenen basats en l'efecte fotovoltaic, un descobriment centenari-que ara està remodelant el panorama energètic mundial. Entendre aquests principis no és només un exercici acadèmic; és la base sobre la qual s'està construint un futur energètic sostenible.
