L'energia fotovoltaica és una forma d'energia renovable que s'obté a partir de la radiació solar i es converteix en electricitat mitjançant l'ús de cèl·lules fotovoltaiques. Aquestes cèl·lules, generalment fabricades amb materials semiconductors com el silici, capturen els fotons de llum solar i generen corrent elèctric.
El procés de generació elèctrica d'un sistema fotovoltaic comença amb els panells solars , que consisteixen en múltiples cèl·lules fotovoltaiques connectades en sèrie o en paral·lel. Quan la llum solar incideix sobre les cèl·lules, els electrons al material semiconductor s'exciten i es mouen, creant un corrent elèctric continu.
Aquest corrent es recull i s'envia a través de cables cap a un inversor, que converteix el corrent continu en corrent altern , la qual és la forma d'electricitat utilitzada a les llars i la indústria.
Parts i funcionament d'una instal·lació fotovoltaica
Un sistema fotovoltaic consta de diversos components que treballen junts per convertir la radiació solar en electricitat utilitzable.
A continuació es descriu com funciona un sistema d'energia solar fotovoltaica bàsic:
Panells solars
Els panells solars, també coneguts com a plaques fotovoltaiques, estan compostos per cèl·lules fotovoltaiques que contenen materials semiconductors, generalment silici. Quan els fotons de llum solar incideixen sobre les cèl·lules, exciten els electrons al material semiconductor i generen un corrent elèctric continu.
Cablejat i connexions
Els panells solars estan connectats en sèrie o en paral·lel per augmentar el corrent o el voltatge, segons calgui. S'utilitzen cables elèctrics i connectors especials per interconnectar els panells i crear un arranjament solar.
Inversor
El corrent elèctric generat pels panells solars és corrent continu (CC), però la majoria dels dispositius i la xarxa elèctrica utilitzen corrent altern (CA). Per tant, s'utilitza un inversor per convertir el corrent continu en corrent altern. L'inversor també controla i monitoritza el rendiment del sistema.
Mesurador bidireccional i sistema de connexió a la xarxa (si escau)
En alguns sistemes fotovoltaics, especialment els connectats a la xarxa elèctrica, es fa servir un mesurador bidireccional per mesurar la quantitat d'electricitat generada i la quantitat d'electricitat consumida. Si el sistema està connectat a la xarxa elèctrica, l'excés d'electricitat generada es pot enviar a la xarxa, i el mesurador registra aquesta producció addicional.
Bateries (opcional)
Algunes instal·lacions solars inclouen bateries per emmagatzemar l'excés d'electricitat generada durant el dia i utilitzar-la durant la nit o en moments de baixa radiació solar.
Les bateries permeten autosuficiència energètica i ús de l'electricitat generada fins i tot quan no hi ha llum solar disponible.
Avantatges de l'energia fotovoltaica
Els sistemes fotovoltaics ofereixen diversos avantatges en comparació amb altres fonts denergia. Aquí es presenten alguns dels avantatges principals d'aquesta tecnologia:
Energia renovable i sostenible: L'energia fotovoltaica es basa en la radiació solar, una font inesgotable d'energia. A diferència dels combustibles fòssils, la disponibilitat dels quals és limitada i contribueixen a l'esgotament dels recursos naturals, l'energia solar és una opció sostenible a llarg termini.
Zero emissions i respectuosa amb el medi ambient: Durant la generació delectricitat mitjançant panells solars, no salliberen emissions de gasos defecte hivernacle ni contaminants al medi ambient. Això contribueix a reduir la petjada de carboni ia mitigar el canvi climàtic.
Estalvi de costos a llarg termini: Un cop instal·lat, un sistema fotovoltaic pot generar electricitat de forma gratuïta a partir del sol. Això permet reduir o eliminar la dependència de la xarxa elèctrica convencional i disminuir els costos d'energia a llarg termini.
Independència energètica: la instal·lació de plaques solars permet als usuaris generar la seva pròpia electricitat. Això brinda independència energètica i redueix la vulnerabilitat davant de possibles interrupcions en el subministrament elèctric.
Àmplia aplicabilitat i escalabilitat: Els sistemes fotovoltaics es poden adaptar a diferents necessitats i escales, des d'instal·lacions residencials fins a projectes a gran escala.
Baixa necessitat de manteniment: Els panells solars requereixen un manteniment mínim. Generalment, només cal netejar-los periòdicament per assegurar que la radiació solar incideixi eficientment.
Generació distribuïda: Els sistemes fotovoltaics es poden instal·lar en àrees properes al punt de consum, cosa que redueix les pèrdues de transmissió i distribució d'electricitat, optimitza l'eficiència i contribueix a l'estabilitat de la xarxa elèctrica.
Països amb més producció d'energia fotovoltaica
El percentatge d'energia elèctrica generada mitjançant energia solar fotovoltaica al món ha experimentat un creixement significatiu en els darrers anys. Segons dades de l'Agència Internacional d'Energia Renovable (IRENA, per les sigles en anglès), a finals del 2020, la capacitat instal·lada d'energia solar fotovoltaica a nivell mundial va assolir els 773 gigawatts (GW).
Segons l'informe Renewables 2021 de l'Agència Internacional d'Energia (IEA), el 2020, l'energia solar fotovoltaica va ser responsable d'un 3% de la generació global d'electricitat al món.
A continuació, es presenta una taula amb alguns dels països principals en termes de generació d'energia fotovoltaica el 2022.
País | Capacitat instal·lada d'energia fotovoltaica (GW) | Percentatge de potència solar respecte altres fonts d'energia |
Xina | 252 | 12.7% |
Estats Units | 110 | 3.4% |
Japó | 67 | 9.7% |
Alemanya | 52 | 11.8% |
Índia | 45 | 4.2% |
Austràlia | 20 | 7.3% |
Corea del Sud | 16 | 2.9% |
França | 12 | 2.7% |
Itàlia | 20 | 8.6% |
Espanya | 10 | 7.3% |
Eficiència de les plaques fotovoltaiques
Actualment, la taxa millor de conversió de la llum solar en electricitat és al voltant del 21,5%.
Depenent de la construcció, les plaques fotovoltaiques poden produir electricitat a partir d‟una gamma concreta de freqüències de llum. De tota manera, en general no pot cobrir tota la gamma solar. En concret, les cèl·lules fotoelèctriques no poden convertir en electricitat a la llum ultraviolada, infraroja i baixa o llum difusa.
Una forma daugmentar leficiència dels panells solars seria il·luminant-los amb llum monocromàtica es podrien obtenir eficiències molt superiors.
Per tant, un altre concepte de disseny és dividir la llum en diferents longituds d'ona. Un cop separades, dirigiu-les cap a diferents cèl·lules sintonitzades en aquests rangs. Una instal·lació daquest tipus és capaç delevar leficiència elèctrica en un 50%.
Exemples d'usos i aplicacions
La finalitat dels sistemes fotovoltaics és la producció delectricitat que es pot utilitzar en múltiples aplicacions. A continuació en presentem alguns exemples:
Generació denergia elèctrica a gran escala. Hi ha grans centrals elèctriques connectades directament a la xarxa elèctrica que poden generar centenars de megawatts. Tot i això, aquestes granges solars es construeixen mitjançant concentradors solars i funcionen com una central d'energia tèrmica.
Sistemes integrats a teulades i edificis: Aquests sistemes poden ser per a autoconsum elèctric però també poden estar connectats a la xarxa pública.
Electrificació rural. Aquest tipus d'aplicació solar es fa servir en llogarets rurals on les línies elèctriques estan molt allunyades de la població.
Enllumenat de carrers i carreteres.
Sistemes independents per alimentar petits dispositius com ara calculadores, carregadors de mòbil solars, etc.
Amb transport: alguns vehicles elèctrics tenen integrats sistemes solars per accionar un motor elèctric i obtenir potència motriu.
Torres de comunicacions i senyalització que utilitzen aparells elèctrics que no consumeixen grans quantitats denergia elèctrica i que resulta complicat connectar-los a la xarxa de distribució elèctrica.
Ús en naus espacials i estacions espacials ja que a lespai les fonts denergia disponibles són escasses.
Sistemes per al bombament daigua.
Tipus d'instal·lacions fotovoltaiques
Les instal·lacions fotovoltaiques es divideixen en dues categories principals segons la seva relació amb la xarxa elèctrica:
Sistemes connectats a la xarxa elèctrica pública
Aquests sistemes fotovoltaics estan connectats a la xarxa elèctrica pública. En aquest enfocament, els panells solars generen electricitat quan hi ha llum solar disponible. Si la producció d'electricitat supera la demanda local en aquell moment, l'excés s'injecta a la xarxa elèctrica. A canvi, el propietari del sistema pot rebre crèdits o compensació per l'electricitat generada, cosa que sovint s'anomena "mesurament net".
Aquest enfocament és comú en àrees urbanes i comercials i pot incloure grans plantes fotovoltaiques o parcs solars que generen electricitat a gran escala.
Sistemes aïllats de xarxa
Els sistemes aïllats de xarxa són independents de la xarxa elèctrica pública i s'utilitzen per a autoconsum en llocs que no tenen accés a la xarxa elèctrica o aplicacions específiques. Aquests sistemes generen electricitat a partir de l'energia solar i l'emmagatzemen en bateries per al seu ús posterior.
S'utilitzen en habitatges aïllats, estacions meteorològiques remotes, il·luminació de carreteres a àrees rurals o llocs remots, i en situacions on no és possible o rendible connectar-se a la xarxa elèctrica convencional.
