L'ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

  
3. FUNCIONAMENT (p3 de 4)

 
3.5 Fabricació de les cèl·lules

El procés de fabricació d'una placa fotovoltaica mono o pol·licristalina es pot dividir en quatre fases:

• Primera fase: Obtenció del silici

A partir de roques riques en quars (roques formades principalment per SiO₂, molt abundants a la naturalesa), i mitjançant processos de reducció amb carbó, s'obté silici amb una puresa aproximada del 99%, que no resulta suficient per a la seva utilització en electrònica i que se sol denominar silici de grau metal·lúrgic.

La indústria de semiconductors purifica aquest silici per procediments químics, normalment destil·lacions de compostos clorats de silici, fins que la concentració d'impureses és inferior a 0,2 parts per milió. El material obtingut es denomina silici grau semiconductor i encara que té un grau de puresa superior al que necessiten les cèl·lules fotovoltàiques, és la base de l'aprovisionament de les indústries de fabricació de cèl·lules.

Tanmateix, per a usos específicament solars, són suficients concentracions d'impureses de l'ordre d'una part per milió. El silici que té aquesta concentració se'l denomina silici grau solar. Existeixen actualment tres possibles procediments per a l'obtenció de silici de grau solar (tots en fase experimental), que proporcionen un producte quasi tan eficaç com el silici de grau semiconductor i són més barats.

• Segona fase: Cristal·lització

Un cop fos el silici, s'inicia la cristal·lització (Il·lustració 3.10) a partir d'una llavor. A l'extreure una llavor del silici fos, aquest se solidifica en forma cristal·lina, formant-se un monocristall (si el temps és el suficient). El procediment més utilitzat en l'actualitat és el mètode Czochralsky [13], encara que també és poden utilitzar tècniques de colament. El silici cristal·lí obtingut mitjançant el mètode Czochralsky té forma de lingots. També s'està experimentant altres tècniques per aconseguir directament el silici en làmines, basades en l'epitàxia, en el creixement del silici sobre suports o la cristal·lització a partir de silici fos mitjançant matrius.

La diferència principal en l'obtenció d'estructures monocristal·lines (amb un únic front de cristal·lització) i policristal·lines (amb diferents fronts de cristal·lització, encara que amb unes direccions predominants) es troba en el grau de puresa del silici durant el creixement i la recristal·lizació.

Il·lustració 3.10. Cristal·lització del silici
Font: BP Solar

• Tercera fase: Obtenció de cèl·lules i làmines

El procés de tallada té una gran importància en la producció de les làmines o cèl·lules a partir del lingot, ja que suposa una pèrdua important de material (pot arribar al 50 % de pèrdues). L'espessor de les cèl·lules sol ser de l'ordre de 2 a 4 mm.

• Quarta fase: Fabricació del mòdul

Quan ja tenim la cèl·lula, és necessari millorar la seva superfície, que presenta irregularitats i defectes deguts al tall. A més a més, cal retirar de la cèl·lula, mitjançant el procés de decapació, les restes que pot portar (pols, encenalls...).

Amb la cèl·lula ja neta, comença el procés de textura (sempre per a cèl·lules monocristal·lines, ja que les cèl·lules policristal·lines no funcionen amb aquests processos), aprofitant les propietats cristal·lines del silici per a obtenir una superfície que absorbeixi amb més eficiència la radiació solar. A la Il·lustració 3.11 podem veure una cèl·lula que ja ha passat per tot el procés de fabricació.

Il·lustració 3.11.
Cèl·lula fotovoltaica acabada
Font: IDAE

Posteriorment es forma la unió pn [14]mitjançant la deposició de diferents materials (compostos de fòsfor per a les parts N i compostos de bor per a les P), i la seva integració en l'estructura del silici cristal·lí. El pas següent és la formació dels contactes metàl·lics de la cèl·lula, en forma de reixeta per la cara il·luminada pel sol, i continu per la cara posterior. La formació dels contactes en la cara il·luminada es realitza mitjançant tècniques serigràfiques, encara que últimament la tecnologia làser s'està implantant ja que s'obtenen contactes de millor qualitat i rendiment. Finalment, es pot afegir una capa antirreflexiva sobre la cèl·lula, amb la finalitat de millorar les possibilitats d'absorció de la radiació solar.

Una vegada acabats els processos sobre la cèl·lula, s'ha de comprovar el seu correcte funcionament, i després de la comprovació s'encapsulen, interconnecten i munten en els mòduls (Figura 3.3).

Figura 3. 3. Esquema d'un mòdul fotovoltaic
Font: Altener
.

3.6 Elements que formen un sistema fotovoltaic

El sistema fotovoltaic és el conjunt d'elements capaços de realitzar el subministrament d'electricitat per a cobrir les necessitats plantejades a partir de l'energia procedent del sol. Els components d'un sistema fotovoltaic depenen del tipus d'aplicació que es consideri (autònoma o connectada a la xarxa) i de les característiques de la instal·lació.

Els sistemes autònoms tenen les següents subsistemes (Figura 3.4):

• Subsistema de captació, que està format principalment pels mòduls fotovoltaics, que transformen la radiació solar en electricitat.
• Subsistema de regulació (regulador), necessari per a regular l'entrada de l'energia que prové del subsistema de captació dins de la instal·lació.
• Subsistema d'emmagatzematge (acumuladors), necessari per a emmagatzemar l'energia quan sigui necessari consumir-la en els moments en els que no existeix suficient producció energètica per part del sistema de captació, ja que la radiació solar no està disponible contínuament (cicles dia-nit, variacions estacionals, variacions meteorològiques...).
• Subsistema d'adaptació del corrent (inversor), que té la funció d'adequar les característiques de l'energia a les demandades per les aplicacions.

Figura 3.4. Esquema general d'una instal·lació fotovoltaica autònoma.
Font: ICAEN

Pel que fa a les instal·lacions connectades a la xarxa de distribució elèctrica es caracteritzen per no incorporar el subsistema d'emmagatzematge ni el de regulació, ja que l'energia es lliura a la xarxa elèctrica en lloc d'emmagatzemar-se, i per la necessitat de tenir una sortida de corrent alterna (normalment a 220V).

A més a més d'aquests subsistemes, les instal·lacions fotovoltaiques (ja siguin autònomes o connectades a la xarxa) necessiten altres equipaments, com poden ser el cablejat o els sistemes de protecció, i, és clar, els elements de consum de l'energia obtinguda, també denominats càrregues.

3.7 Funcionament

Ara que ja hem situat tots els components d'un sistema fotovoltaic anem a explicar el seu funcionament. Com ja hem dit [15], l'energia emesa pel sol és captada per les cèl·lules fotovoltaiques. En les instal·lacions fotovoltaiques hi ha plaques formades per un bon nombre de cèl·lules. Les plaques són les que produeixen electricitat en forma de corrent continu i normalment a una tensió nominal de 12 V. Cada plafó té les seves pròpies característiques, però, en general, es fabriquen per donar una potència màxima coneguda per Watt pic (Wp), que és la intensitat màxima amb la màxima radiació solar. En aquests moments es comercialitzen plafons solars d'ús domèstic de 40 Wp fins a 130 Wp.

Els plafons es poden connectar en sèrie unint els pols de signe contrari o en paral·lel unint els pols d'un mateix signe. En un cas o altre, la potència és sempre la mateixa, però la tensió variarà. En paral·lel es conserva la tensió d'una placa i augmenta la intensitat, mentre que en sèrie es manté la intensitat del corrent i la tensió és el producte del voltatge d'un plafó pel número que se'n connecten. D'aquesta manera s'obté la tensió o intensitat més adequada per a cada aplicació.

Per a optimitzar el rendiment de les plaques cal orientar-les en direcció sud i amb una inclinació determinada. La millor inclinació en cada indret depèn de la seva latitud i de l'època de l'any. Així, hi ha bastiments de plaques que permeten variar la seva inclinació en funció de l'època de l'any.

L'energia surt de les plaques en forma de corrent continu passant pel regulador, que té la funció de protegir els acumuladors contra la sobrecàrrega i la descàrrega excessiva. En cas de sobrecàrrega, posa les plaques en curtcircuit i talla el pas de corrent cap als acumuladors. En cas de descàrrega excessiva, avisa el consumidor mitjançant una alarma (que indica que la tensió dels acumuladors comença a baixar per sota dels nivells de seguretat) o bé talla el subministrament si el consum continua sense que hi hagi prou càrrega. Últimament estan sortint altres reguladors més avançats que fan altres funcions: seleccionar el tipus de càrrega que s'ha de fer a les bateries (càrrega a fons o bé carrega en flotació) i el voltatge que s'ha de mantenir en funció de la temperatura, fer el seguiment del punt de màxima potència, etc. El subsistema de regulació no solament permet aprofitar al màxim l'energia subministrada per les plaques, sinó que a més és essencial per a garantir una bona protecció i utilització de les bateries.

L'energia passarà pel regulador i si aquest ho creu convenient anirà a parar als acumuladors, on s'acumularà fins que sigui necessària la seva utilització. Aquesta mena de bateries tenen la particularitat d'estar dissenyades per cedir lentament l'energia acumulada. Normalment s'hi fan servir acumuladors elèctrics, ja que és el sistema més eficient i econòmic. Les instal·lacions fotovoltaiques utilitzen normalment bateries estacionàries amb llargs períodes de descàrrega, que s'adapten millor al règim de funcionament de les instal·lacions fotovoltaiques.

La capacitat d'emmagatzematge dels acumuladors es calcula en referència al consum diari estimat i al nombre de dies d'autonomia que es considera convenient. Generalment la capacitat dels acumuladors sol referir-se a temps de descàrrega de 100 hores. L'estat de càrrega d'una bateria és proporcional a la densitat de l'electròlit d'acord amb les característiques de fabricació. És important que la relació plaques-acumuladors-consum sigui la correcta, ja que un excés de capacitat d'emmagatzematge pot significar que poques vegades arribi a fer-se la càrrega a fons, fet que aniria degradant la bateria; així mateix, una capacitat molt petita pot suposar quedar-se sense electricitat quan hi ha uns dies seguits de mal temps. Els acumuladors són un dels elements més cars de les instal·lacions autosuficients i a més requereixen una gran cura en el seu manteniment.

Quan els elements de consum de corrent continu estiguin en funcionament, l'energia sortirà dels acumuladors i anirà a parar directament a aquests elements, passant per un convertidor de tensió contínua-contínua si la tensió dels elements de consum no coincideix amb la tensió proporcionada per l'acumulador.

Quan els que necessitin electricitat per funcionar siguin els elements de consum de corrent altern, l'energia sortirà dels acumuladors i tindrà que passar per l'inversor, que transformarà el corrent continu (12 o 24 V) generat per la instal·lació fotovoltaica en corrent altern (220 V). Això passa perquè la majoria d'aparells de consum estan dissenyats per treballar amb corrent altern sinusoïdal de 50 Hz i 220 V. Durant aquest treball de transformació l'inversor perd entre un 10 i un 20 % d'eficiència en forma de calor. Hi ha dos tipus d'inversor, el que es limita a transformar el corrent continu en altern i el que funciona de forma totalment automàtica. En fer-se de dia, l'inversor automàtic mesura la radiació solar i la potència disponible en el generador fotovoltaic. Així que arriba al nivell mínim de funcionament l'inversor s'engega i comença a generar corrent. En qualsevol situació anormal, com ara un tall de corrent a la xarxa, pujades i baixades de tensió fora del nivell admissible, l'inversor automàtic s'atura i espera que es restableixi la normalitat per arrencar altra vegada. Quan es fa fosc i l'energia del camp fotovoltaic és feble s'atura i desconnecta el transformador de sortida a fi de romandre en un nivell de consum pràcticament nul.

El sincronisme amb l'ona de la xarxa el regula un sistema de modulació d'amplada de pulsacions controlat per un microprocessador que fa un seguiment constant dels paràmetres de la xarxa i en fa les correccions necessàries cada 10 milisegons. D'aquesta manera no genera ona modulada, sinó que s'adapta a l'ona de la xarxa, fet que confereix una elevada seguretat per a la línia elèctrica general.

13. V. Punt 2.2 (Naixement) d'aquest treball.
14. V. Punt 3.4 (Els materials) d'aquest treball.
15. V. Punt 3.3 (L'energia fotònica) d'aquest treball.

(p3 de 4)