L'ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

 
4. VIABILITAT

Hi ha diferents factors que influeixen en el rendiment de les plaques: La intensitat de radiació, la col·locació dels mòduls, la temperatura de les cèl·lules fotovoltaiques, el nombre de cèl·lules per mòdul i el rendiment d'aquestes cèl·lules.

Intensitat de radiació [21]

Sobre cada metre quadrat de terra plana l'energia mitjana anual que cau al migdia a la nostra latitud és d'uns 5 kWh. La mitjana en 24 hores és d'uns 0,2 kWh/m². El problema és que el Sol recorre el firmament terraqui en una inclinació que varia al llarg del dia i de les estacions de l'any.

La trajectòria que segueix el Sol en la nostra latitud (42º N) varia entre els 0º i 20º sobre l'horitzó de l'hivern i els 0º i 60º de l'estiu. Això ens porta directament cap al pròxim factor, la col·locació dels mòduls, ja que depenen de la col·locació la intensitat serà major o menor.

Col·locació dels mòduls

La posició dels plafons està basada en dos angles diferents, l'orientació i la inclinació.

L'orientació dels plafons solars sempre serà al Sud (a l'hemisferi Nord), ja que és la posició en la que aprofitem més la radiació emesa pel Sol al llarg de l'any. Únicament si hi ha circumstàncies que ho impedeixen (ombres creades per altres objectes, impossibilitat de muntatge...) es posaran orientats cap a l'Est.

La inclinació del mòdul és l'angle que forma aquest amb l'horitzontal. Les cèl·lules solars treballen amb el màxim potencial quan reben els raigs solars perpendiculars, i aquest potencial es veu reduït a mida que anem allunyant-nos d'aquest angle. Així, en les aplicacions en les quals el consum d'energia és més o menys constant al llarg de l'any (equips de comunicació, vivendes habitades tot l'any...), és suficient amb una sola posició. En aquests casos es pren un angle de referència d'uns 60º, ja que és l'angle que s'utilitza a l'hivern i és el que serveix per a les condicions més desfavorables. Això t'assegura una energia mínima a l'hivern, però no aprofita tota l'energia de l'estiu.

Però en una instal·lació optimitzada, que són les que demanen una quantitat d'energia major a l'estiu (reg agrícola o vivendes de vacances), l'angle dels plafons solars hauria de poder adoptar una inclinació variable d'uns 60º a l'hivern i d'uns 15º a l'estiu. Els dos canvis de posició, que s'han de realitzar anualment, es fan a finals dels mesos de març (es passa a posició d'estiu) i setembre (es passa a posició d'hivern).

Hi ha taules [22]que ens indiquen l'angle ideal per a la zona on estem situats i la zona de l'any en la qual ens trobem. Habitualment s'adopta una inclinació mitjana fixa ja que els mecanismes de seguiment estacional o fins i tot al llarg del dia de les plaques solars poden encarir força la instal·lació.

Temperatura de les cèl·lules fotovoltaiques

L'exposició al sol de les cèl·lules provoca l'escalfament d'aquestes, i això significa canvis en la producció d'electricitat. Una radiació de 1.000 W/m² és capaç d'escalfar una cèl·lula uns 30º per sobre de la temperatura de l'aire. A mida que puja la temperatura, la tensió generada és menor, pel que és recomanable muntar les plaques de tal manera que estiguin ben airejades, i en el cas que sigui una zona d'altes temperatures, plantejar-se la instal·lació de plaques amb un major nombre de cèl·lules.

Aquest factor condiciona enormement el disseny dels sistemes de concentració, ja que les temperatures que s'assoleixen són molt elevades, pel que les cèl·lules han d'estar dissenyades per a treballar en aquest rang de temperatures o bé comptar amb els sistemes necessaris per a la dissipació de la calor.

El nombre de cèl·lules per mòdul afecta principalment al voltatge ja que cada una d'elles produeix 0,4 V. La tensió en circuit obert del mòdul augmenta en aquesta proporció. Un plafó fotovoltaic es dissenya per a treballar a una tensió nominal que, en les condicions d'il·luminació i temperatura més freqüents, normalment coincideix amb els valors de la tensió en el punt de màxima potència.

El rendiment de les cèl·lules es defineix com el quocient entre la potència elèctrica màxima que pot subministrar una cèl·lula fotovoltaica i la potència lluminosa que incideix sobre la superfície.

El rendiment obtingut en el laboratori sobre cèl·lules de silici monocristal·lí [23] és del 24 %, però un cop es passa a la seva fabricació en sèrie, el percentatge baixa fins a un 15 %, el que vol dir que de cada 100 w que rebem del Sol, tan sols en podem aprofitar 15 w.

El fet de què aquest rendiment sigui tan baix es deu fonamentalment als següents factors:

• Energia dels fotons incidents: Passa bastant sovint que els fotons que porta la llum solar no disposen de l'energia suficient per trencar l'enllaç covalent i crear el parell electró-buit. També es dóna el cas contrari, quan el fotó té més energia de la que necessita, i llavors es perd una certa quantitat d'energia en forma de calor. Aquest fenomen representa un 50 % de l'energia total perduda.
• Pèrdues per recombinació: El fet de què part dels electrons alliberats pels fotons ocupin de nou buits propers (recombinació) fa que la tensió de buit baixi des de 1,1V (tensió teòrica) fins a uns 0,6 V com a màxim en circuit obert. Això és degut al procés de la fabricació de la cèl·lula solar i suposa un 15 % del total de pèrdues.
• Pèrdues per reflexió: Amb els recobriments necessaris per reduir la reflexió el nivell mínim assolit és d'un 10 % de reflexió. Sense aquests recobriments, la quantitat de llum reflectida seria del 30 %.
• Pèrdues per contactes elèctrics: El fet de dotar a la cèl·lula de contactes que canalitzin l'electricitat produïda cap al circuit exterior, fa que part de la seva superfície de captació sigui tapada per aquests contactes de reixeta, i és clar, això resta il·luminació. Les pèrdues solen ser d'una mitja del 8 %, ja que depenen del disseny de la cèl·lula.
• Pèrdues per resistència en sèrie: És degut a l'efecte Joule que es produeix al circular la corrent elèctrica pel silici, produint un escalfament. Representen un 2% del total de pèrdues.

4.2 Economia

Pel que fa a l'economia la podem dividir en dos parts: el que costa instal·lar un sistema fotovoltaic i el profit que en podem treure de vendre'l a les companyies elèctriques o estalvi.

Cost d'una instal·lació

Actualment, el cost per kWh fotovoltaic se situa en unes 1.000 ptes. per Watt de potència instal·lat (Figures 4.1 i 4.2). Si tenim en compte que una instal·lació fotovoltaica pot tenir una durada mínima de 20 anys, en realitat, per a una instal·lació situada en la latitud de les 1.600 hores de llum solar anuals, el kWh seria de 31,25 ptes. A partir d'això sabem que el cost d'una central fotovoltaica és aproximadament d'un milió o un milió i mig de pessetes per kW instal·lat. Al preu resultant se li ha de restar la subvenció del Ministeri d'Indústria i Energia, la subvenció de la Generalitat de Catalunya i la subvenció de l'Ajuntament de Barcelona (o de qualsevol altra comunitat autònoma o població). Tot això pot arribar a restar (en condicions òptimes) unes 1.500 ptes. per Wp, aconseguint un preu econòmic i fàcil d'amortitzar. Actualment, l'Ajuntament de Barcelona subvenciona el 25 % de la inversió. La comunitat que més incentius dóna és València, que a més de la subvenció té un incentiu monetari afegit d'unes 500 ptes. per kWh generat amb energia fotovoltaica.

La reducció dels preus d'aquesta tecnologia ha estat molt espectacular en els últims anys: el cost de la tecnologia s'ha abaratit un 97 %, i, si s'incrementa el seu ús, encara serà més assequible. D'aquí a una dècada pot ser completament assequible [24]. Ara per ara el cost d'una central elèctrica fotovoltaica és assumible per una família de classe mitjana si tenim en compte que cada any es venen més de 250.000 cotxes nous amb un valor mitjà de dos milions de pessetes [25]. L'única diferència és que la central elèctrica fotovoltaica genera energia comercialitzable, mentre que un cotxe únicament genera despeses. La indústria fotovoltaica és una de les més prometedores del futur.

Figura 4.1. Cost d'una instal·lació fotovoltaica de potència menor a 1,5 kWp
Font: CADER (Comisión para el Ahorro y las Energías Renovables)

Figura 4.2. Cost d'una instal·lació fotovoltaica de potència major a 1,5 kWp
Font: CADER

El fet d'instal·lar una central elèctrica fotovoltaica en una llar, comunitat de veïns o empresa ja suposa un estalvi econòmic en la facturació elèctrica. D'altra banda des del 30 de desembre de 1998, quan es va publicar el BOE que contenia el Reial Decret 2818/1998 del 23 de desembre del mateix any, és obligació de les empreses d'electricitat comprar l'electricitat produïda pels sistemes fotovoltaics a 66 ptes. el kWh si ha estat produït per un sistema inferior de 5 kWp, és a dir, de tipus domèstic (la potència mitjana instal·lada en una llar convencional és d'uns 4,4 kW), i 36 ptes. per kWh produït per sistemes majors de 5 kWp. Aquest ajut econòmic, tot i multiplicar per cinc el preu al qual comprem el kWh (13,73 ptes. el kWh) a les empreses elèctriques, no és econòmicament rendible com a negoci. Està pensat per facilitar l'amortització de l'elevat cost d'una central elèctrica fotovoltaica. Amb el nombre d'hores de Sol a la nostra latitud (com ja s'ha comentat abans unes 1.600 hores anuals) aquest incentiu econòmic permet una amortització teòrica d'una instal·lació de 5 kWh com a màxim entre 10 i 15 anys (depenent del consum elèctric convencional) [26]. Per això la connexió a la xarxa elèctrica d'una central elèctrica fotovoltaica requereix prendre tota mena de mesures d'estalvi energètic com aïllaments, aparells de baix consum, etc.

Quan es va començar a recopilar informació per a fer aquest treball de recerca, per poder facturar a l'empresa d'electricitat, era necessari donar-se d'alta en el Ministeri d'Hisenda com a productor d'energia renovable i pagar una quota anual D'IAE (Impost a les activitats econòmiques) d'aproximadament 6.500 ptes. per any, pagar l'IVA, facturar i portar un llibre de registre i tenir una assegurança de responsabilitat civil. Aquest contracte era molt protestat per les fundacions i organitzacions que estan a favor de les energies renovables, ja que posava en el mateix sac una gran central elèctrica de cogeneració i un petit productor d'energia elèctrica fotovoltaica, quan la quantitat d'energia produïda és molt inferior. A més, aquest contracte indica que estàs fent una activitat industrial, i no es pot fer una activitat industrial en un terreny residencial. Aquests motius indicaven que les lleis encara no estaven adaptades a les energies renovables. Actualment, i gràcies al Reial Decret 1663/2000 [27], publicat en el BOE número 235 amb data del 30 de Setembre del 2000, tot això ja no és necessari.

4.3 Aspectes mediambientals

L'energia solar fotovoltaica és, com ja hem dit [28], una font d'energia renovable, el que significa que és inesgotable, al contrari de les energies convencionals. Una altra avantatge és l'obtenció d'energia elèctrica sense recórrer a cap tipus de combustió, pel que no s'emeten a l'atmosfera els contaminants que provoquen la pluja àcida, ni CO₂ (que causa l'efecte hivernacle).

L'aprofitament de l'energia solar fotovoltaica es produeix normalment en un àmbit local, pel que no fa falta la creació d'infraestructures de transport energètic, i això evita l'impacte que provoca la creació de pistes, cables i pals.

El conjunt de tots els efectes que l'energia solar fotovoltaica causa sobre el medi ambient és clarament positiu, sobretot alhora de valorar la producció d'energia, però també hi ha aspectes que poden ser perjudicials per al medi ambient (sobretot relacionats amb la fabricació dels mòduls):

• Es necessiten indústries extractores per a l'obtenció de les matèries primeres utilitzades per a la fabricació dels mòduls. Els impactes mediambientals creats per aquest problema són escassos, perquè el silici, és, després de l'oxigen, el material més abundant de la Terra [29].
• El procés al que se sotmet el silici fins a l'obtenció de les cèl·lules fotovoltaiques és una activitat que, com moltes altres activitats industrials, sí que pot generar un impacte en l'entorn.
• Durant el canvi de les bateries en instal·lacions aïllades de la xarxa s'ha de ser especialment curós amb la seva retirada, ja que contenen elements que poden ser molt perjudicials per a l'entorn. En aquests casos és millor portar les bateries a l'establiment que les va instal·lar o a establiments dedicats al tractament de les bateries.

Per delimitar millor quins són els efectes produïts per l'energia solar fotovoltaica un cop instal·lada, hem dividit els efectes en els produïts per sistemes autònoms, sistemes connectats a la xarxa i altres aplicacions.

Sistemes autònoms

L'avantatge de les energies renovables de no emetre CO₂ i altres components contaminants a l'atmosfera és particularment favorable en entorns ecològics, on és important la preservació del medi natural. A més, la implantació de l'energia solar, la majoria de vegades suposa també la substitució d'un generador alimentat per combustible fòssil.

L'impacte en el medi social és molt positiu perquè, en moltes ocasions, millora la rendibilitat de les explotacions i les condicions de treball. En el cas d'electrificacions de vivendes, millora la qualitat de vida dels habitants.

Il·lustració 4.1. Electrificació d'una granja.
Font: TFM (Teulades i Façanes Multifuncionals)

Una altra avantatge és que no es produeix alteració dels aqüífers o de les aigües superficials ni per consum, ni per contaminació per residus.

Tampoc hi ha cap incidència sobre el sòl, perquè la seva erosió és nul·la, ja que no hi ha contaminants, ni vessaments, ni són necessaris els moviments de terra o les grans obres que s'associen a altres tipus d'aprofitaments energètics.

No són necessaris els cables elèctrics provinents de les centrals elèctriques convencionals, el que evita qualsevol tipus de repercussió sobre el medi vegetal o qualsevol animal volador.

Les diferents formes d'instal·lació dels plafons fan d'aquests, un element fàcil d'integrar a qualsevol tipus d'estructures, amb un mínim impacte visual. Per altra banda, el procés fotovoltaic és absolutament silenciós, i això representa una avantatge pel que fa als generadors de motor, que produeixen un elevat nivell de sorolls.

El sòl necessari per a les instal·lacions fotovoltaiques amb una dimensió mitja no representa una quantitat significativa per considerar-ho com una repercussió negativa a la seva implantació. A més a més, els plafons fotovoltaics es poden instal·lar a les teulades, façanes, etc. fet que minimitza aquest efecte.

Tots aquests efectes fan que l'energia solar fotovoltaica reuneixi les millors condicions per a cobrir les necessitats energètiques en els llocs on s'intenta preservar al màxim les condicions de l'entorn, com per exemple espais naturals protegits o albergs i hotels d'alta muntanya. A més, a vegades és l'única solució per a sistemes destinats directament a la protecció del medi ambient, com pot ser sistemes de detenció i alerta d'incendis o sistemes d'oxigenació d'aigües.

Sistemes connectats a la xarxa elèctrica

Les diferencies d'impacte entre les instal·lacions connectades a la xarxa i les autònomes són principalment diferencies referides al paisatge, a la fauna i al medi social.

Si tenim en compte que la superfície ocupada pels plafons necessaris per a instal·lar 1 kWp pot oscil·lar aproximadament entre 10 i 15 m², l'ocupació de sòl i l'impacte sobre el paisatge seran importants en instal·lacions de gran potencial.

També haurem de tenir en compte l'impacte visual dels pals i cables elèctrics, però si estem en una ciutat, aquests ja estan instal·lats i la nostra instal·lació no tindrà cap nou efecte sobre el paisatge o la fauna.

Altres aplicacions

També hem de considerar altres aplicacions que tenen una aplicació molt més reduïda, però un gran valor ambiental. Aquests són tots els relacionats amb els transports, que actualment són els responsables d'una tercera part de les emissions contaminants. Dins d'aquest camp s'ha plantejat la utilització d'equips fotovoltaics per a l'alimentació de vehicles elèctrics (portant els cotxes les plaques o creant punts alimentats per energia elèctrica fotovoltaica de carga de les bateries), tramvies o troleibús, mitjançant instal·lacions fotovoltaiques que introdueixen directament l'energia en els cables d'alimentació dels vehicles, o d'embarcacions.

Il·lustració 4.2.
Embarcació alimentada per energia solar fotovoltaica.
Font: ELEKTRON

21. V. Punt 3.2 (L'energia emesa pel Sol) d'aquest treball.
22. V. Annex V i VI (Taules de Radiació).
23. V. Punt3.4 (Materials) d'aquest treball.
24. Segons l'estudi Photovoltaics in 2010.
25. Segons la revista ERA SOLAR.
26. Segons un càlcul realitzat per la Fundació TERRA.
27. V. Annex IX.
28. V. Punt 2.1 (L'energia) d'aquest treball.
29. V. Punt 3.4 (Materials) d'aquest treball.