Energia Solar Fotovoltaica

CURS DE FORMACIÓ ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

Biblioteca de Catalunya - Dades CIP: Energia solar fotovoltaica: curs de formació I. Mitjà i Sarvisé, Albert, II. Institut Català d’Energia 1. Energia fotovoltaica solar - Manuals, guies, etc.

DIRECCIÓ: EQUIP DE TREBALL:

Albert Mitjà Intiam Ruai, S.L. Institut Català d’Energia Març 2002 1.000

PRIMERA EDICIÓ: TIRATGE: Generalitat de Catalunya Departament d’Indústria, Comerç i Turisme Institut Català d’Energia Dipòsit Legal: Disseny: Vicenç Cegarra Maquetació i impressió: CEGE

INDEX CURS D’APLICACIÓ PRÀCTICA D’ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

PRESENTACIÓ ....................................................................................... 7

MÒDUL 0.

LES ENERGIES RENOVABLES EN EL MARC DEL PLA DE L’ENERGIA A CATALUNYA A L’HORITZÓ DE L’ANY 2010 0.1. 0.2. 0.3. 0.4.

MÒDUL 1.

Les energies renovables a Catalunya ......................................... 9 Evolució de les energies renovables en l’horitzó 2010 ............. 10 El rol de l’energia solar fotovoltaica ........................................... 12 Síntesi dels principals plans d’acció .......................................... 12 INTRODUCCIÓ. APLICACIONS DE L’ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

1.1. 1.2. 1.3.

1.4.

1.5. 1.6.

MÒDUL 2.

Els Recursos Energètics més utilitzats al món. Les Energies Renovables .......................................................... 15 Recursos energètics .................................................................... 16 Impacte ambiental de les diferents fonts energètiques ............ 24 1.3.1. L’Efecte hivernacle i el canvi climàtic 1.3.2. La pluja àcida Aplicacions de l’energia solar fotovoltaica ................................ 28 1.4.1. Conversió de l’energia solar en electricitat 1.4.2. Electrificació autònoma 1.4.3. Interconnexió a xarxa 1.4.4. Altres aplicacions Radiació solar ............................................................................ 33 L’efecte fotovoltaica ................................................................... 56

COMPONENTS D’UNA INSTAL·LACIÓ FOTOVOLTAICA (I) 2.1. 2.2. 2.3. 2.4.

MÒDUL 3.

La cèl.lula solar .......................................................................... Mòduls fotovoltaics .................................................................... Connexionat dels mòduls solars ............................................... Estructures de suport i elements de fixació del mòduls fotovoltaics .................................................................................

59 63 69 74

COMPONENTS D’UNA INSTAL·LACIÓ FOTOVOLTAICA (II) 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5.

Acumuladors d’energia elèctrica ............................................... 79 Comprovació de l’estat de càrrega de la bateria ...................... 81 Operacions de manteniment d’una bateria ............................... 82 Operacions de cal evitar en el manteniment i operació d’una bateria ............................................................................... 82 Mesures de seguretat en sales de bateries .............................. 83

3.6. 3.7.

MÒDUL 4.

DIMENSIONAT D’INSTAL·LACIONS SOLARS FOTOVOLTAIQUES 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.6.

4.7.

MÒDUL 5.

5.2.

MÒDUL 6.

• • • • • • • • •

Estudi de rendilitat de les instal.lacions solars fotovoltaiques autònomes ............................................................................... 103 Tipologies bàsiques d’instal.lacions solars fotovoltaiques autònomes ............................................................................... 106

SISTEMES FOTOVOLTAICS CONNECTATS A XARXA 6.1. 6.2. 6.3.

•

Necessitats a cobrir ................................................................... 93 Energia necessària .................................................................... 95 Radiació incident (hsp) .............................................................. 96 Número de mòduls necessaris .................................................. 98 Capacitat de l’acumulador ......................................................... 98 Secció de cable necessari ......................................................... 99 Tipus d’equips auxiliars necessaris ......................................... 101

SISTEMES FOTOVOLTAICS AÏLLATS 5.1.

ANNEX 2.

Regulació del procés de càrrega dels acumuladors electroquímics ............................................................................ 84 Convertidors d’energia elèctrica cc/ca ...................................... 88

Elements integrants de la instal·lació ...................................... 109 Funcionament de la instal·lació ............................................... 109 Rendibilitat d’una instal·lació solar connectada a la xarxa ..... 111

Fitxes tècniques d’instal·lacions ......................................... 113

Instal·lació solar tèrmica i fotovoltaica en una escola. CEIP Falguera (Sant Feliu de Llobregat - Baix Llobregat) Estació de servei equipada amb mòduls fotovoltaics. Estació de Servei British Petroleum (BP). (Tona – Osona) Instal·lació fotovoltaica connectada a la xarxa. IES Celestí Bellera. (Granollers – Vallès Oriental) Façana fotovoltaica de colors connectada a la xarxa elèctrica. Museu de la Ciència i la Tècnica de Catalunya. (Terrassa – Vallès Occidental) Programa d’energetització autònoma amb energies renovables. (Parc Natural del Montseny – Vallès Oriental) Electrificació amb sistema híbrid eòlic–fotovoltaic en el Parc Central del Vallès. (Sabadell – Vallès Occidental) Instal·lació fotovoltaica integrada a la marquesina d’un pàrking. Pàrking Bergé y CIA. (Port de Tarragona – Tarragonés) Electrificació rural fotovoltaica centralitzada al poble San Felices. (Agüero – Osca) Teulada fotovoltaica connectada a la xarxa elèctrica. Edifici Nou, Ajuntament de Barcelona. (El Barcelonés) Torres d’il·luminació amb integració d’instal·lació fotovoltaica, connexio a la xarxa de 5 kW. (Hospitalet de Llobregat – Barcelona)

PRESENTACIÓ

El Pla d’Energia a Catalunya a l’horitzó de l’any 2010 redactat per la Direcció General d’Energia i Mines i per l’Institut Català d’Energia del Departament d’Indústria, Comerç i Turisme de la Generalitat de Catalunya, i presentat al Parlament de Catalunya, té per objectiu adaptar i reforçar la política energètica del Govern de Catalunya per adequar-la als canvis de la societat catalana i del sector energètic. El lliure mercat, la competència i la sostenibilitat són conceptes essencials en aquesta nova realitat. Les energies renovables i, en concret, l’energia solar, tenen un paper molt destacat en aquest canvi. Es tracta, d’una banda, d’un tipus d’energia neta i autòctona, amb un mínim impacte ambiental. Però d’altra banda, des del punt de vista empresarial, també es tracta d’un sector en clar creixement i progrés tecnològic, és a dir, una oportunitat de negoci. La voluntat política del Govern de Catalunya, expressada en el Pla d’Energia, que preveu més que duplicar el consum d’energia a Catalunya generada a partir de fonts renovables en l’horitzó de l’any 2010, només serà possible amb la conjunció de diversos factors. En el cas de l’energia solar cal, d’una banda, difondre informació acurada sobre les possibilitats reals d’aprofitar les instal·lacions, tant tèrmiques com fotovoltàiques. D’altra banda, cal reforçar la formació i el reciclatge professional per garantir l’existència d’una oferta de qualitat, que sigui suficient per a atendre un previsible creixement ràpid del mercat de l’energia solar. Aquesta és la finalitat d’aquesta publicació, elaborada amb l’objectiu de servir com a marc i guió de cursos d’aprenentatge sobre l’energia solar per a instal·ladors, però que també ha de ser útil per a aquells sectors i col·lectius interessats en aprofitar i fer servir aquestes tecnologies.

Albert Mitjà i Sarvisé Director General d’Energia i Mines

Mòdul 0. Les energies renovables en el marc del Pla de l’Energia a Catalunya a l’horitzó de l’any 2010 0.1.- Les energies renovables a Catalunya Descomptant l’energia nuclear, les fonts d’energia pròpies més importants que disposa Catalunya de manera significativa són les energies renovables. L’energia hidràulica per exemple, va marcar el desenvolupament industrial de Catalunya a principis del segle XX. Tanmateix, la intensitat del creixement industrial, demogràfic i el del propi desenvolupament social, unit a una mancança tecnològica per al seu ús va relegar les energies renovables a un paper de segon ordre recolzant les fonts fòssils. No és fins els any vuitanta, a rel de la segona crisi del petroli i de l’evidència de la volatilitat de la dependència d’energies fòssils amb reserves finites que es torna a posar atenció i esforços sobre aquestes fonts. Aquesta atenció pren encara una embranzida més forta amb la presa de consciència de la necessitat de la preservació de l’entorn i d’evolucionar cap a models econòmicament i ambientalment sostenibles. Així, la necessitat d’utilitzar al màxim les fonts d’energia renovable és un fet actualment indiscutiblement acceptat de manera generalitzada per la societat catalana. El consum d’energies renovables a Catalunya l’any 2000 va aportar al balanç d’energia primària l’equivalent a més de 622.000 tones de petroli. Més de la meitat d’aquesta aportació, concretament un 62,7% va correspondre a l’energia hidràulica que és de totes les fonts renovables la que més madura. Aquesta mateixa maduresa fa que la majoria dels aprofitaments factibles per motius econòmics, socials i/o ambientals ja s’hagi dut a terme. La segona font en importància prové de la valoració energètica dels Residus Sòlids Urbans. Aquest fet no és d’estranyar ja que Catalunya ha estat pionera en l’estat espanyol en la instrumentació de sistemes de tractament finalista dels Residus Sòlids Urbans que incorporen la valoració energètica com a part del procés de recuperació de valor d’aquests residus. Finalment, la tercera font renovable per ordre d’importància és la biomassa llenyosa present de manera tradicional en el món agrari i igualment utilitzada de manera generalitzada pel propi sector de transformació de la fusta. La resta de formes renovables d’energia són també presents en el balanç d’energia primària i tot i no aportar una contribució significativa si que han permès desenvolupar un sector que té la preparació tècnica i de gestió suficient per afrontar l’enlairament definitiu de les energies renovables.

9

Consum d'energies renovables any 2000 622,5 ktep Solar fotovoltaica Solar tèrmica 0,0% Eòlica 0,2% 1,4% Biomassa llenyosa 17,2% Biogàs 1,1%

RSU 17,4%

Hidràulica 62,7%

Distribució del consum d’energies renovables l’any 2000

0.2.- Evolució de les energies renovables en l’horitzó 2010 El Pla de l’Energia a Catalunya a l’horitzó de l’any 2010 té com a tasca fonamental redefinir els objectius i les estratègies de la política energètica catalana. Aquestes estratègies s’han concretat dins d’uns plans específics entre els quals hi ha el pla d’energies renovables. El Pla d’Energies Renovables en l’horitzó del 2010 ha definit uns objectius globals a partir de les potencialitats de cadascuna de les fonts renovables. A l’hora d’analitzar el potencial de creixement de les energies renovables i poder , així, establir objectius d’aportació en l’horitzó 2010, cal tenir en compte que Catalunya és un territori especialment densificat que, si bé representa menys del 7% del territori espanyol, hi viu gairebé el 15% de la seva població. Aquesta característica és especialment crítica pel que fa a les energies renovables ja que aquestes, en tant que fonts autòctones de baixa intensitat, el seu potencial d’aprofitament està molt lligat al territori. Un altre factor condicionant és l’actual distribució del balanç de formes renovables és molt indicatiu de com pot ser un escenari de futur. Així tenim d’una banda que l’energia hidràulica és molt present ja en l’actualitat i per tant serà difícil que incrementi encara més la seva aportació. En un altre extrem tenim que la compatibilització del desenvolupament de l’energia eòlica amb la preservació del medi fa que s’hagi d’acotar el sostre potencial d’aquesta forma d’energia renovable.

10

Una altra font d’important intensitat energètica com és la valoració energètica de Residus Sòlids Urbans no es preveu que tingui cap desenvolupament en l’horitzó 2010 ja que, consolidades les infrastructures actuals de tractament finalista, la prioritat d’actuació passa pel reciclatge i l’aplicació d’altres formes de tractament. D’altra banda, la biomassa ens permet treballar sobre tres formes de desenvolupament: -

La biomassa llenyosa, la forma més tradicional de biomassa.

-

El biogàs, procedent bàsicament del tractament de residus orgànics.

-

Els biocarburants, generats a partir de conreus espcecíficament destinats al propòsit energètic.

L’energia solar ha tingut un desenvolupament tecnològic i econòmic molt important en aquest darrers anys fent que tant les aplicacions solars tèrmiques com fotovoltaiques estiguin ara en plena expansió. Tot i la seva important capacitat d’acceptació per part de la població la seva contribució actual és en valor absolut molt residual. Aplicant polítiques actives de promoció, les energies renovables poden passar a multiplicar gairebé un cop i mig la seva aportació actual (increment del 145,3%). Aquest increment és especialment important si s’analitza en valor relatiu respecte del consum total d’energia primària. En aquest sentit, tot i considerant que els esforços per promoure l’eficiència energètica aconseguiran atenuar la demanda d’energia primària, aquesta creixerà d’aquí al 2010 de manera que les energies renovables doblaran la seva proporció passant del 2,7% de l’any 200 al 5,4% l’any 2010.

Consum d'energies renovables any 2010. Escenari IER 1526,9 ktep

Biocombustibles 24,0%

RSU 8,1%

Biomassa llenyosa 17,0%

Solar tèrmica 2,6% Solar fotovoltaica 0,2% Eòlica 15,2%

Hidràulica 32,9%

Consum d’energies renovables l’any 2010. Escenari IER

0.3.- El rol de l’energia solar fotovoltaica Actualment el parc fotovoltaic català compta amb una capacitat instal·lada de l’ordre dels 1200 kWp, repartida en un 55% en instal·lacions d’electrificació aïllada i un 45% en instal.lacions connectades a la xarxa. En els propers anys, es de preveure un creixemnt important sobretot en les instal·lacions connectades a la xarxa, donat que aquesta font s’ha revelat com una eina de conscienciació molt potent, amb una gran 11

capacitat d’acceptació per part de la població. Aquest factor fa preveure una implantació important sobre instal·lacions d’ús públic en especial: -

Sector docent Sector turístic Sector esportiu Grans superfícies comercials i benzineres Zones industrials

Però a més, aquest mateix factor de convicció i la normativa que afavoreix les instal·lacions domèstiques fa preveure l’aparició d’un fort parc en el sector residencial aconseguint situar la potencia generada des dels 0,5 MWp de l’any 2010 fins a 18,2 MWp de sistemes connectats a la xarxa. D’altra banda es preveu la consolidació dels sistemes fotovoltaics autònoms per a assegurar un servei energètic de qualitat per a usuaris distants de la xarxa que contribueix al reequilibri territorial esperant proveir entre 800 i 1.500 usuaris amb una potencia total de 5 MWp. L’aportació total de l’energia solar fotovoltaica en el seu conjunt (autònoma i connectada a xarxa) superaria els 2.100 tep anuals.

0.4.- Síntesi dels principals plans d’acció L’assoliment dels objectius esmentats en l’apartat anterior no s’aconseguirà sense implementar un pla d’acció específic que canviï l’evolució actual d’aquestes formes d’energia. En efecte, sense intensificar la promoció de l’ús de les energies renovables aquestes difícilment superaran el llindar de 800.000 tep any d’aportació a balanç.

1.400.000 1.200.000 1.000.000 800.000 600.000 400.000 200.000

12

01

00

20

99

20

98

Connectat

19

97

19

96

19

95

19

94

19

93

19

92

19

91

19

90

Aïllat

19

89

19

87

19

86

19

85

19

19

19

84

0

Evolució de la potencia solar fotovoltaica instal.lada a Catalunya

A continuació es detallen els punts més significatius d’aquest pla d’acció en matèria d’energia solar: -

Aprovació de reglamentació, tant a nivell de Catalunya com a nivell d’administracions locals, que porti a la obligatorietat de la presència de l’energia solar tèrmica en edificis de nova construcció i rehabilitació, especialment en el sector habitatge, i que afavoreixi l’aplicació en edificis existents.

-

Instrumentació de programes de finançament àgils que combinin suport públic i compromís tecnològic del sector.

-

Consolidació del parc en funcionament mitjançant polítiques de seguiment tècnic i d’assegurament del manteniment.

-

Professionalització i especialització del sector. Creació de nous perfils professionals adaptats a aquest sector.

-

Foment de la recerca tecnològica que permeti cobrir noves oportunitats del mercat.

-

Afavoriment de la cooperació i integració empresarial que porti a una reducció de costos.

-

Simplificació del procediment administratiu per a la legalització d’instal·lacions solars fotovoltaiques connectades a xarxa.

-

Instrumentació de mesures que equiparin en qualitat i cost el servei elèctric autònom fotovoltaic al servei procedent del sistema elèctric en xarxa.

-

Suport a la ampliació i perennització de l’electrificiació fotovoltaica aïllada.

-

Afavoriment de la creació i consolidació d’operadors energètics autònoms.

13

14

Mòdul 1. Introducció. Aplicacions de l'energia solar fotovoltaica 1.1.- Els recursos energètics que més es fan servir al món. Les energies renovables Segons dades recents, el 85% de tota l’energia que es consumeix al món prové de cremar combustibles fòssils. És a dir, la major part de l’energia que consumim és energia no renovable a curt termini: s’esgota a mesura que es fa servir. A més, el consum mundial d’energia augmenta un 2% de mitjana cada any. Aquest creixement i, aparentment imparable augment del consum d’energia, es fa evident amb l’explotació dels recursos fòssils del planeta. Mai no s’havien explotat els recursos naturals a un ritme tan intensiu i extensiu com ara. La constatació d’aquest fenomen ha fet néixer els temors sobre l’esgotament dels recursos naturals i el món científic ha alertat sobre algunes de les conseqüències de les actuacions de l’ésser humà sobre el medi ambient, moltes d’elles relacionades directament amb l’elevat consum d’energia de la societat moderna. D’altra banda, les energies renovables són les que provenen de fonts energètiques que es renoven en un període prou curt a escala humana. L’energia solar, per exemple, es renova immediatament, perquè el sol emet radiació continuadament. L’energia hidràulica que se n’obté, prové de l’aigua evaporada dels mars, dels rius o del desglaç, que triga dies o setmanes a generar-la. Quan obtenim energia de la biomassa (cremant fusta, per exemple) aquesta es renova en el temps que triga un arbre a tornar a créixer. Els avantatges principals de les energies renovables són que l’impacte ambiental que provoca el fet d’aprofitar-les és menor que en el cas de les convencionals, i que fan disminuir la dependència dels recursos energètics convencionals concentrats en uns pocs països.

15

1.2.- Els recursos energètics 1.2.1. El carbó Històricament, el carbó va ser la font d’energia que va impulsar la primera fase de la industrialització, però en iniciar-se el segle XX, el petroli va anar substituint el carbó als països industrialitzats. Les raons principals d’aquest canvi van ser l’encariment dels preus del carbó, influït per la mà d’obra que calia per extreure’l i la facilitat de manipulació del petroli davant dels problemes relacionats amb la neteja i la incomoditat de l’ús dels carbons. A més, el contingut energètic dels combustibles derivats del petroli és més gran que el del carbó. L’any 1996, el carbó representava el 26,7% de la producció mundial d’energia, amb unes reserves suficients per a més de 200 anys. Els usos més habituals del carbó són la producció d’electricitat, la siderúrgia i la calefacció. En la història més recent, el consum mundial de carbó augmenta en els períodes de crisis petrolieres. El problema més difícil de resoldre amb el carbó és que genera una taxa de CO2 molt alta per unitat d’energia, encara que hi ha tecnologies modernes de combustió de carbó que permeten millorar no tan sols les emissions de CO2, sinó també les d’altres components dels fums, com ara els sulfurs, els òxids de nitrogen i les cendres.

Amèrica del Nord

Amèrica del Sud i Central

Europa

Àfrica i Orient Mitjà

Ant. Unió Soviètica

Àsia Pacífic

250,4

10,2

156,7

61,9

241

311,5

Les reserves provades de Carbó l’any 1997 (milers de milions de tones)

16

1.2.2. El petroli Durant molts anys, el petroli només s’havia fet servir per a aconseguir llum i calor a través de fer-ne una combustió directa. És cap a finals del segle XIX, quan la societat comença a fer servir la màquina de vapor i el motor d’explosió. Des d’aleshores, el petroli i els seus derivats han passat a ser el principal combustible de la majoria de transports actuals. Després de la Segona Guerra Mundial, el petroli es va convertir en la font energètica més utilitzada, desbancant el carbó, amb un creixement molt important: del 1950 fins al 1970, la producció mundial de petroli es va multiplicar quasi per cinc. La variació dels preus del petroli, governats per la Organització de Països Exportadors de Petroli (OPEP), ha provocat diverses crisis energètiques. Els preus es donen habitualment per barril, que equival a 156 litres.

América del Nord

Amèrica del Sud i Central

Europa

Àfrica

Orient Mitjà

Ant. Unió Soviètica

Àsia Pacífic

76,6

86,2

20,2

70,0

311,5

65,4

42,3

Gràfic de les reserves provades de petroli (Recorregut. Unitat “L’energia”)

17

1.2.3. El gas natural L’augment del preu del petroli ha fet possible la rendibilitat econòmica del gas natural malgrat les dificultats tècniques del tractament (liqüefacció, vaixells metaners, instal·lacions, etc.) i del transport (xarxa de gasoductes). El fet de descobrir importants reserves de gas natural (Mar del Nord, Rússia) ha estat la causa que la generació i el consum de combustibles gasosos esdevingui el sector energètic amb més expansió. L’aplicació de tecnologies d’alt rendiment, com ara els cicles combinats, l’ús recent que se’n fa en els sectors que produeixen fred i en el transport, i l’impacte ambiental relativament benigne, han ajudat a aquest desenvolupament. A més, les reserves provades de gas natural depassen les del petroli i, actualment, s’arriba a més de 60 anys.

Autobus urbà propulsat amb gas natural a Barcelona

18

Equip de cogeneració amb Gas Natural

1.2.4. L'energia nuclear L’energia nuclear es produeix en una reacció, gràcies a la qual, certs nuclis d’elements químics pesats se separen en dos fragments per l’impacte d’una altra partícula (un neutró). En aquest procés, s’allibera una gran quantitat d’energia en forma de calor. El combustible que es fa servir habitualment és l’urani enriquit, que s’encapsula en pastilles fetes amb material ceràmic i que, a més, s’introdueixen en unes beines. Aquestes beines, agrupades en paquets, reben el nom d’elements de combustible. A mesura que es van produint reaccions de fissió, la presència d’urani enriquit en el combustible és menor i cal canviar aquests elements, que romanen uns 10 anys submergits en aigua per tal de reduir-ne l’activitat radioactiva. Les centrals nuclears, de tecnologia complexa, aprofiten la calor que es genera per a produir vapor i, gràcies a l’accionament d’una turbina, es pot crear energia elèctrica.

Element de combustible

Càpsules de ceràmica Fragment de fissió Urani enriquit

Nucli d’un isòtop físsil U 235 Neutrons Neutró

Beina de zircaloy Fragment de fissió

Esquema de reacció

Esquema de la composició d’un element de combustible

19

1.2.5. El sol • • • • • • • •

Es tracta de la principal font energètica que arriba a la Terra. Es pot aprofitar de moltes maneres, però principalment n’hi ha dues de directes: la tèrmica i la fotovoltaica. Actualment a Catalunya, funcionen més de 38.000 m2 de captadors solars tèrmics per a ACS de calefacció i climatització de piscines i a Espanya n’hi ha més de 400.000. A l’Estat espanyol, hi ha una potència fotovoltaica instal·lada de més de 12 MWp. L'any 2000 es van fabricar al món mòduls fotovoltaics amb una potència total superior als 287 MW, fet que suposa un augment del 43% respecte del 1999 i la potència històrica total fabricada va superar els 1.250GWp. La vida estimada del sol és, com a mínim, de 8.000 milions anys més. L'energia solar arriba pràcticament a tot arreu. No es generen contaminants en l’ús que se’n fa.

Problemàtica • • •

L'energia solar arriba a la Terra amb poca densitat i de forma discontínua. Alguns equips per a aprofitar l'energia solar es fabriquen amb caràcter comercial des de fa només dues dècades, per tant, encara són força cars i en alguns casos tecnològicament immadurs (convertidors cc/ca). Els cal una altra font energètica de suport si es vol garantir el subministrament continu i el nivell de consum actual.

Tendència actual

Instal·lació solar fotovoltaica per electrificació rural

• • • • •

Captadors solars tèrmics en un edifici d'habitatges

Augment de les vendes amb caràcter exponencial (40% anual en fotovoltaica). Es duran a terme moltes instal·lacions fotovoltaiques connectades a la xarxa elèctrica. L'energia solar fotovoltaica és la base de l'electrificació rural. Molts equipaments públics incorporaran energia solar com a exemple demostratiu. Apareixen noves regulacions que normalitzen el sector de l'energia solar.

20

1.2.6. El vent • •

• • • •

És la font d'energies renovables que més ràpidament està creixent en potència instal·lada i en rendibilitat econòmica. Actualment a Catalunya funcionen set parcs eòlics, que fan un total d’una potència instal·lada de 71,7 MW. El més important és el de les Colladetes (El Perelló) amb una potència de 27 MW, però hi ha molts projectes en estudi i/o tramitació. Espanya és el tercer país eòlic del món, amb una potència instal·lada de 2.269 MW a finals del 2000 i amb previsions en pla de foment de 9.000 MW al 2010. Navarra té ja 718 MW i Galícia 1.257 MW instal·lats. A finals del 2000, al món ja hi havia en funcionament 18.100 MW instal·lats amb un creixement mitjà del 25% en la darrera dècada en potència anual instal·lada. Actualment a Europa hi ha pronòstics per arribar al 2010 amb 60GW eòlics instal·lats, subministrant el 10% de l'electricitat mundial.

Problemàtica • •

L'energia del vent no és homogènia a tot el territori; cal aprofitar-la en llocs ventilats (serralades, litorals, etc.) i transportar l'energia elèctrica produïda als centres de consum per mitjà de xarxes elèctriques. Hi ha molta pressió per part dels grups conservacionistes sobre l'impacte visual i sobre l'avifauna i respecte les infrastructures que cal fer.

Tendència actual • • • •

Augment de la potència instal·lada anual amb caràcter exponencial, augment de la competitivitat entre empreses i aparició de grups inversors. Augment de la potència dels aerogeneradors per sobre dels 2,5 MW en parcs eòlics dins del mar. Ja hi ha prototips de màquines de 5 MW. S'està fomentant molt a l'Àsia, a la Índia, a l’Amèrica del Sud i al Magrib. Apareixen normatives que obliguen les companyies elèctriques a produir una part de l'energia amb vent o a pagar un bon preu als que en generen.

Catàleg comercial de la firma VESTAS

Parc eòlic de Colladetes. 36 aerogeneradors de 660 kW

21

1.2.7. La biomassa • • •

• •

És compon de matèria orgànica originada per la fixació de l’energia solar mitjançant la fotosíntesi (matèria vegetal i residus d'indústries alimentàries, urbans, ramaders o de la neteja dels boscos). Es pot aprofitar a través de diversos processos; fermentacions, combustions gasificacions, etc. Actualment a Catalunya ja funcionen diverses plantes de producció de compost, alguns digestors de biogas, una central de combustió de residus de fusta, una planta gasificadora de closca de fruits secs i diferents projectes de biocombustibles, que varen totalitzar un aprofitament de més de 300.000 tep, l’any 2000. Els recursos són a tot arreu i són diversos. En general, no es generen contaminants permanents en l’ús que se’n fa, ja que les emissions tornen a ser fixades per les plantes de la propera collita i sovint suposa la solució a problemes d’eliminació de residus.

Problemàtica • • •

És una forma d'energia poc densa i variada (per tant difícil d'estandarditzar). La societat industrial té un sentiment de menyspreu cap als residus i els relaciona amb processos bruts i contaminants. Els cultius energètics competeixen en terres i aigua amb els conreus alimentaris.

Tendència actual • • •

Augment progressiu de les instal·lacions que utilitzen residus (sobretot en zones amb pocs recursos energètics convencionals). Millora d'algunes tecnologies (Combustió en llit fluiditzat, gasificació, biocombustibles, etc.). Aparició de normatives que obliguen a tractar els residus i que en promouen la valorització energètica.

Equip didàctic de digestió de matèria orgànica

22

Planta de gasificació de pellofes d'ametlla a Tarragona

1.2.8. L’energia hidràulica • • • • •

Els petits salts hidràulics són coneguts com energia minihidràulica (potència menor a 10 MW) i microhidràulica (potència menor a 100 kW). L'energia hidràulica és una de les formes més econòmiques i netes de produir energia elèctrica. A Catalunya hi ha 259 centrals en funcionament, amb una potència total instal·lada de 214,9 MW. A l’Estat espanyol, n’hi ha 1.575 MW, repartits en més de 1.000 centrals. Els recursos són a la vora dels rius, que és on es concentren els municipis. No es generen contaminants en l’ús que se’n fa, però cal tenir en compte l'impacte sobre el llit del riu.

Problemàtica • • • •

És una forma d'energia poc densa. Les obres de construcció poden malmetre el riu. Sempre han de mantenir un cabal biològic mínim al riu. Les centrals i les obres civils que les acompanyen poden patir els efectes de les crescudes (riuades).

Tendència actual • • •

Augment progressiu de les instal·lacions (sobretot rehabilitació d'antigues concessions). Modernització i automatització de les centrals que poden ser telegestionades. Aparició d'empreses que dissenyen centrals d'aprofitament de les ones i les marees.

Turbina d'una central a Ribes de Freser. Girona de 700 kW de potència

23

1.3.- Impacte ambiental de les diferents fonts energètiques Tot ús d'energia és, per lògica, una explotació dels recursos naturals. Si aquesta explotació es fa per sobre de les capacitats de recuperació (que és el cas dels recursos emmagatzemats a la Terra), tal com es fa actualment amb els combustibles fòssils, apareixen dos fenòmens problemàtics: 1. S’esgotaran els recursos a mig termini (en funció de les reserves i del ritme de consum, perquè s'ha de tenir en compte que l'exhauriment es fa primer als jaciments més rendibles o fàcils d'explotar i que això comporta un augment dels costos). 2. S’alliberen els compostos químics que s'havien fixat en el procés de formació dels recursos (en el cas del carbó, el gas, el petroli, i el carboni en forma de CO2). 1.3.1.- L'efecte hivernacle i el canvi climàtic Es tracta d’un fenomen natural que es produeix perquè l'atmosfera no té el mateix comportament per a totes les radiacions. La radiació solar (d'altes freqüències perquè prové d’una font d’alta temperatura) pot travessar l'atmosfera amb relativa facilitat i podem dir que l'aire que ens envolta és transparent al sol. La radiació terrestre (de baixes freqüències, a causa de la baixa temperatura de la Terra) té dificultat per travessar l'atmosfera de retorn cap a l’espai en funció de la concentració de determinats gasos que la componen (principalment el CO2). A mesura que augmenta la concentració d'aquests gasos, podem dir que l'atmosfera és més opaca a la radiació sortint.

24

D'aquesta manera, si la radiació solar continua arribant a la Terra, però aquesta no pot eliminar l'escalfor que li sobra, el resultat és un augment de la temperatura.

25

Font: AUMA 2001.

26

Efectes de la sequera que es poden aguditzar amb el canvi climàtic.

Inundacions a Veneçuela. Desembre del 1999.

1.3.2.- La pluja àcida Cada cop que es crema combustible fòssil (sobretot carbó) s'emet a l'atmosfera una quantitat important de diòxid de sofre SO2, així com diferents òxids de nitrogen NOx Quan aquest gas es barreja amb el vapor d'aigua que està en suspensió en l'atmosfera (formant part dels núvols), reacciona donant com a resultat un àcid. D'aquesta manera, quan plou, l'aigua que cau conté àcid sulfúric en dissolució (pluja àcida) i això provoca diversos problemes: -

S’acidifiquen els llacs interiors (mort de peixos i algues).

-

S’acidifiquen els boscos (mort d'arbres). Amb la informació que facilita el model RAINS (model de simulació de pluja àcida), es port arribar a calcular que reduint a una desena part l'actual emissió d'òxids de sofre, es mantindrien els nivells de degradació dels ecosistemes per sota del 5 %.

27

1.4.- Aplicacions de l’energia solar fotovoltaica 1.4.1.- Convertir l'energia solar en electricitat La producció d’electricitat a través de l’energia del sol adopta diferents configuracions en funció del tipus de sistema de transformació energètica que es faci servir. En general però, els dos sistemes més emprats per a produir electricitat a través de la radiació solar són: -

Els sistemes solars termoelèctrics: El sol es fa servir per a produir vapor d’aigua, que acciona una turbina i aquesta, acciona un alternador i obté electricitat. És un cicle tèrmic convencional tot i que la font principal d’energia no siguin els combustibles fòssils ni l’energia nuclear, sinó el sol.

Central solar de captadors cilíndrics-parabòlics.

Central solar de torre

Central solar de captadors cilíndre-parabòl·lics

- Els sistemes solars fotovoltaics: El sol es fa servir per a produir directament electricitat a través d’un dispositiu de silici semiconductor denominat cèl·lula fotovoltaica. En aquesta transformació, no hi ha elements mecànics ni tèrmics; tot funciona a nivell atòmic. Els sistemes solars fotovoltaics són els sistemes que es fan servir per a subministrar electricitat quan el cost de manteniment i instal·lació de les línies de subministrament general no es rendible, és a dir, per a instal·lacions autònomes. Aquest sistema de fàcil instal·lació i manipulació presenta nombrosos avantatges de confort i ús si ho comparem amb altres sistemes autònoms de subministrament elèctric.

Mòduls fotovoltaics per a produir electricitat a partir de la radiació del sol.

28

1.4.2.- Electrificació autònoma Disposar d’electricitat és un fet habitual a la major part del nostre territori, però actualment encara trobem zones aïllades de les xarxes de distribució. Aquests llocs, presenten sovint, una densitat baixa de població, una orografia difícil i un gran interès natural. A tot el món, hi ha més de 2.000 milions de persones que no tenen accés a aquest subministrament bàsic. En aquestes zones, l’energia solar fotovoltaica sovint és la forma més econòmica i viable de produir electricitat. Les instal·lacions que serveixen per a produir electricitat d’una manera autònoma gràcies a l’energia solar fan servir una tecnologia força madura i comprovada en un gran nombre d’instal·lacions escampades per tota Europa. La gran fiabilitat d’aquests sistemes i el fet que aprofitin una font energètica gratuïta són les raons que fan que aquest sigui un sector en fort creixement. El cor de la producció elèctrica solar és el mòdul fotovoltaic, fet de cèl·lules que estan fabricades a partir del silici, un material força abundant al planeta. En ser il·luminat pel sol, el mòdul solar genera una petita quantitat d’electricitat. La seva potència varia en funció del nombre de cèl·lules que el formen i de la insolació que estigui rebent.

Instal·lació solar per a electrificar una masia aïllada. Font: Trama Tecnoambiental.

29

Un sistema format per dotze mòduls fotovoltaics de 100 Wp de potència nominal proporciona l’electricitat suficient per a cobrir el consum d’una família que respecti les normes bàsiques d’ús racional de l’electricitat (ús de llums i electrodomèstics de baix consum, minimitzar consums innecessaris, eliminar els aparells elèctrics que serveixen per escalfar la llar). L’electricitat que es genera al camp solar, en hores d’insolació, s’emmagatzema en unes bateries electroquímiques per tal de poder fer servir l’electricitat en el moment que es vulgui. El regulador de càrrega controla el procés de càrrega i de descàrrega d’aquests acumuladors. El manteniment d’aquest tipus d’instal·lació consisteix normalment en tasques molt senzilles que fa l’usuari: Netejar els mòduls fotovoltaics, verificar que el funcionament del regulador de càrrega és correcte (comprovar el valor dels indicadors i de les alarmes) i vigilar el nivell d’electròlit a les bateries. El cost d’aquests equips varia molt en funció del tipus de muntatge que es faci i, sobretot depèn de la dimensió que calgui donar-hi, en funció del consum energètic a cobrir. Tot i això, es pot parlar de costos que van de les 180.000 Pta. per a una instal·lació d’una casa de cap de setmana, fins als 2-3 milions de Pta. per a un habitatge que tingui el consum elèctric que correspon a una família de quatre persones.

Esquema genèric d’una instal·lació fotovoltaica autònoma. Font: ICAEN. 1.4.3.- Interconnexió a xarxa La ràpida evolució de la tecnologia i el major grau de conscienciació medi ambiental està obrint les portes a un augment progressiu de les instal·lacions solars fotovoltaiques en zones que ja disposen de subministrament elèctric. Si la zona on es fa una instal·lació solar disposa de xarxa elèctrica, aleshores es fa una interconnexió de manera que hi hagi un intercanvi energètic entre totes dues. L’electricitat que genera l’equip solar durant el dia i que no consumeixi l’edifici, es pot enviar a d’altres consumidors a través de la xarxa (venda d’energia). Les estones en què no hi ha prou insolació per a produir l’electricitat que necessita l’habitatge per a cobrir el consum, la instal·lació agafa l’energia elèctrica de la xarxa (compra d’energia).

30

Edifici amb façana i teulada fotovoltaica connectat a la xarxa elèctrica. Font: ICAEN.

En aquestes instal·lacions, s’estableix una relació de compra-venda d’energia elèctrica entre l’usuari i la xarxa elèctrica, de manera que a final de mes, es factura o es paga el balanç energètic. Les instal·lacions fotovoltaiques connectades a la xarxa elèctrica es poden classificar en dos grups: • •

Les centrals solars fotovoltaiques. Els edificis amb instal·lacions integrades.

El cas de les centrals solars és el que formen un grup de mòduls solars fotovoltaics col·locats estratègicament en una zona de màxima insolació, amb la finalitat de produir energia elèctrica durant les hores d’insolació. Tota l’energia que generen aquestes centrals es subministra a la xarxa elèctrica per a poder distribuir-la pel territori. L’energia elèctrica que produeix una central solar es barreja, doncs, amb l’electricitat que generen la resta de centrals elèctriques, sense cap diferenciació. Ara per ara, les centrals solars tenen uns costos superiors als de la resta de centrals convencionals i això fa que sigui difícil que proliferin actualment.

31

Esquema genèric d’instal·lació solar fotovoltaica connectada. Font: ICAEN. Els edificis amb instal·lacions integrades ofereixen alguns avantatges que cal tenir en compte: 1. 2. 3. 4.

Generen l’electricitat en el mateix lloc on s’ha de consumir. Permeten substituir elements estructurals pels mòduls solars. Integren els mòduls solars en l’estructura de l’edifici. Difonen un model energètic més sostenible.

El fet de poder integrar les cèl·lules solars en els elements estructurals de l’edifici comporta estalvis econòmics importants pel que fa a la instal·lació solar, a més, atès que la producció elèctrica es fa en el lloc de consum, s’eviten les pèrdues de transport i la sobrecàrrega de línies i, atès que es tracta d’edificis integrats a la ciutat, fan que la societat s’adoni de les possibilitats de l’energia solar per a subministrar electricitat d’una manera més sostenible des d’un punt de vista mediambiental. 1.4.4.- Altres aplicacions Les possibilitats que ofereix l’efecte fotovoltaic (generar electricitat a partir de la radiació solar) ha obert un munt de possibilitats d’aplicacions. Així doncs, hi ha un gran nombre d’enginys domèstics que funcionen a partir de l’aplicació de cèl·lules fotovoltaiques per a subministrar l’energia que els cal per a funcionar. L’aplicació més coneguda de les cèl·lules solars és sens dubte l’ús que se’n fa com a font energètica per als satèl·lits de comunicació. I, de fet, hi ha un mercat molt important en aplicacions quotidianes, com ara, les calculadores, els rellotges, els accessoris per a caravaning, les joguines, etc. Un dels usos dels mòduls fotovoltaics no gaire conegut són els fanals solars. En realitat, un fanal solar és una instal·lació solar completa, de petita escala, integrada en el suport que presta un fanal per a il·luminar la via pública.

32

1.5.- Radiació solar: Principis bàsics de la transformació energètica de la radiació solar 1.5.1.- Ones electromagnètiques L'energia solar arriba a la terra en forma d'ones electromagnètiques que es desplacen per l'espai en totes les direccions sense cap suport material, aquest efecte és el que anomenem radiació i fa referència a un fenomen físic vibratori que es representa en forma d'ones. La quantitat d'energia d'aquestes ones es proporcional a la seva freqüència (ritme d’oscil·lació) tal i com expressa en l'equació de Planc:

E = A× n En què: A: n:

És la constant de Planc i té un valor de 6,62 x 10 -34 J x s És la freqüència vibratòria expressada en s -1

La freqüència de les vibracions ondulatòries és la quantitat de vegades que es repeteix la forma d'ona completa en la unitat de temps. La seva unitat és el Hertz (Hz) o també la inversa del temps (s -1 ). Un altre paràmetre característic de les radiacions és la longitud de l'ona, que és la distància que hi ha entre dos punts iguals d'una ona. Per exemple, entre crestes o passos per zero. Longitud d'ona

Per tant com més petita sigui la longitud d'ona, més gran serà la freqüència (valor de n) i es pot transportar més energia.

33

Alta freqüència

Baixa freqüència

Ona llarga

Ona curta

A més, en funció de la seva freqüència, les radiacions tenen més o menys capacitat de penetració en els materials. La llum visible (amb longituds d'ona d’entre 0,4 i 0,7 µm) no pot travessar parets, però per aturar els raigs gamma (de longitud d'ona deu mil vegades més petita) cal blindar les centrals nuclears amb parets de formigó i de plom d'un metre de gruix.

34

1.5.2.- Dades importants del sol El sol és l'estrella, al voltant de la qual gira el sistema de planetes que inclou la Terra. El sol és l'astre més proper al nostre planeta i, per tant, la principal font de llum i d’escalfor. Algunes dades interessants del sol. Radi del sol:

700.000 km (109 vegades la Terra)

Massa del sol:

300.000 vegades la massa de la Terra.

Edat aprox. del sol:

5.000 milions d'anys.

Vida estimada aprox.:

8.000 milions d'anys més.

L'energia que irradia el sol, procedeix de reaccions nuclears de fusió en què, els àtoms d'hidrogen es fusionen i formen àtoms d'heli. Aquest és un procés que allibera molta energia en totes les direccions possibles. La superfície del sol s'anomena fotosfera i, per a nosaltres, és la part "visible". La distància entre el sol i la Terra és de 150 milions de km i, atès que la llum viatja a una velocitat de 300.000 km/s, les radiacions que emet el sol triguen vuit minuts en arribar al nostre planeta. S’ha calculat que la potència d'irradiació del sol és de 4 x 1023 kW, aproximadament unes 200 x 1012 vegades la potència de totes les centrals que actualment hi ha funcionant al món. En un segon, el sol irradia més energia que la que ha consumit la humanitat en la seva història.

Protuberància solar.

La Terra il·luminada pel sol un dia de gener, a les 16:00 hores GMT.

35

1.5.3.- Descripció dels components de la radiació La constant solar és la potència de radiació solar que rep una unitat de superfície (m2), sobre un pla tangent a l'esfera imaginària que forma la capa externa de l'atmosfera. El valor d'aquesta constant és:

1.353 W/m2

Encara que aquest valor s'anomeni "constant solar", no és un valor fix sinó que varia aproximadament ± 3 % en funció de les variacions de la distància Sol-Terra. Aproximadament, l’ull humà percep la meitat de la radiació solar que incideix en l'atmosfera terrestre a través de la banda de freqüències de la llum visible. La resta pertany a bandes que els nostres ulls no poden captar, principalment la infraroja (la radiació associada a processos tèrmics) i una petita component de llum ultraviolada que presenta longituds d'ona una mica més petites que la visible. Característiques i distribució de la radiació que incideix en l'atmosfera extraterrestre: Banda Longitud d'ona (µm) Percentatge energètic Potència de radiació (W/m2)

Ultraviolada 0,01 - 0,38 5% 54

Visible 0,38 - 0,78 49% 662

Infraroja 0,78 – 1.000 46% 620

Variació del valor de la constant solar durant l'any.

Distribució de la radiació solar extratmosfèrica.

36

La radiació solar, en incidir i travessar l'atmosfera de la Terra, experimenta tot un seguit de processos d'interacció amb la matèria (gasos, pols en suspensió, vapor d'aigua, etc.) que, de fet, formen l’atmosfera. En tota interacció entre energia radiant i un cos, es donen els següents fenòmens físics: a) Reflexió. Una part de la radiació no penetra sinó que es desvia cap a l'exterior. b) Transmissió. Una part de la radiació travessa el cos i pot patir més o menys canvis de direcció i/o velocitat. c ) Absorció. Una part de la radiació és absorbida i produeix un escalfament del cos. A partir dels fenòmens de reflexió i d’absorció que pateix la radiació en incidir a l'atmosfera, podem deduir que només es podria aprofitar una part de l'energia disponible a nivell del mar. Aquest valor depèn bàsicament de les condicions climatològiques i de la posició del sol respecte de la Terra. De l'energia solar que travessa l'atmosfera i que incideix, per tant, sobre l'escorça de la Terra, una part principal arriba en forma directa, és a dir, que no pateix canvis de direcció. La resta d'energia arriba de manera difusa o dispersa. Aquesta última correspon als raigs que desvien les gotes d'aigua en suspensió (núvols). Com més núvol sigui el dia, més important és la radiació difusa i com més clar, més radiació directa. També s'ha de tenir en compte que del total de radiació que arriba, una part la reflecteix el terra i la poden reabsorbir els objectes més propers.

37

Cal tenir en compte que si es planteja fer una instal·lació solar a gran altitud (refugis de muntanya, repetidors de comunicacions, etc.) a mesura que guanyem altitud, disminueix el gruix d'atmosfera que travessa la radiació i, per tant, augmenta l'energia disponible. En la següent taula es mostra aquest efecte. Altitud sobre el nivell del mar (m) Intensitat de radiació (W/m2)

0

900

1.500

2.250

3.000

950

1.050

1.100

1.150

1.190

En la següent taula s'observa com poden quedar distribuïdes les diferents porcions de radiació que incideixen en un emplaçament en funció de les condicions climatològiques.

Una altra manera d'apreciar com minva la radiació que produeix l'efecte atmosfèric i com es distribueix durant les diverses bandes de radiació, és observant l'espectre de radiació a les dues zones, segons el següent gràfic. Tot i aquesta accentuada variabilitat pel que fa a possibles valors de la radiació incident en un lloc i un moment determinats sobre la Terra, la indústria ha trobat un valor de referència per a provar equips, etc.

Radiació global (W/m2) 750 – 1.000 200 - 500

Densitat de potència: W/m x banda nm

Condicions climatològiques Cel clar Parcialment núvol

Percentatge de difusa (%) 10 – 20 20 – 90

Atmosfera exterior

A la superfície de la terra

Valor estàndard de referència de radiació solar:

1.000 W/m2 Còsmic

Raigs X

38

Ultravioleta

Infraroig llarg

Radar

UHF VHF SW

RÀDIO

1.5.4.- Descripció del moviment solar diari La Terra fa una rotació completa sobre si mateixa cada vint-i-quatre hores (aproximadament) aquest fet implica que, des de qualsevol emplaçament, un observador té la sensació que ell està estàtic i és l’univers el que gira al seu voltant. Per tant, tot i que sigui la Terra la que gira, ens em acostumat a dir que és el sol que surt al matí per l’Est, puja fins a la màxima alçada al migdia i es pon a la tarda per l’Oest. En aquest capítol continuarem aquesta nomenclatura tradicional d’associar el moviment relatiu sol–terra al sol. 1.5.5.- Posició del sol i intensitat de la radiació Tal i com hem vist en l’estudi de la radiació solar, aquesta és força constant abans d’entrar en l’atmosfera; en canvi un cop travessada la franja d’aire que ens envolta, la radiació mesurada a nivell del mar descendeix força en funció, principalment, de dos paràmetres: L'espessor d’atmosfera travessada i la climatologia regnant. Pel que fa a la climatologia, no podem fer prediccions fiables que ens permetin avaluar la radiació incident per a qualsevol època de l’any; en canvi, a través de l’estudi de la “geometria solar” podem conèixer amb força exactitud la posició del sol qualsevol dia de l’any i a qualsevol moment del dia, fet que ens permet avaluar els angles d’incidència de la radiació i, per tant, el comportament de les ombres projectades per objectes, que juntament amb les mesures de radiació efectuades, s’obté la base dels càlculs solars. 1.5.6.- Paràmetres principals de la posició d’un emplaçament a la terra Latitud [F]: És l’angle que formen la vertical del punt geogràfic que es consideri de la superfície terrestre (emplaçament) i el pla de l’equador. La dada de la latitud és bàsica per a poder conèixer a través de complexes expressions matemàtiques o bé de taules la resta de dades referents a la posició solar.

Emplaçament

EQUADOR

39

Longitud [L]: És l’angle que formen la vertical del punt geogràfic que es consideri de la superfície terrestre (emplaçament) i una projecció vertical a un punt geogràfic situat a igual latitud però sobre un eix de referència anomenat meridià de Greenwich.

EQUADOR Emplaçament

Nord magnètic [Nm]: És la direcció indicada per la part magnetitzada d’una brúixola degut a l’atracció que fa el pol magnètic (concentració de massa) del planeta. Nord geogràfic [N]: És la direcció que indicaria una brúixola si la concentració de massa del planeta fos simètrica (indica la direcció des del punt d’observació i l’extrem superior geomètric del planeta). Declinació magnètica: És l’angle que formen la direcció que indica la brúixola i el nord geogràfic. Degut a la deriva dels continents la concentració de massa de la terra va variant de manera que cada any la declinació varia. Els mapes dels serveis cartogràfics nacionals solen donar la referència de la declinació magnètica absoluta de la darrera data en què va ser mesurada i un valor de variació anual a partir de la data indicada. A més, la declinació, per definició, és pròpia de cada lloc. A continuació, es mostra la declinació magnètica a Catalunya segons l’Institut Cartogràfic de Catalunya.

Smagnètic

Valor mitjà de la declinació magnètica, el juliol del 1996

Sgeogràfic

δ = -0º 53,25’ δ

Ngeogràfic

Variació anual: 9,32’

Nmagnètic

40

1.5.7.- Paràmetres principals de la posició del sol Azimut [A]: És l’angle que forma la projecció dels raigs solars sobre el pla tangent a la superfície terrestre i al sud geogràfic (L’azimut 0º correspondrà al moment en què el sol es trobi exactament sobre el Sud geogràfic i indiqui el migdia -12:00- de l’hora solar).

Sud

A

Alçada solar [h]: És l’angle que formen els raigs solars amb l’horitzontal quan arriben a la superfície de la Terra.

h

L’alçada solar varia durant el dia. El sol surt molt baix, sobre l’horitzó, assoleix l’alçada màxima al migdia per tornar a amagar-se a la tarda per l’Oest. De la mateixa manera, cada dia de l’any el sol arriba a una alçada màxima diferent. El valor més alt és a la latitud 42N, el dia del solstici d’estiu, proper als 71º i el més baix, el dia del solstici d’hivern, proper als 25º.

41

1.5.8 Descripció del moviment solar anual Conceptes bàsics de l'òrbita terrestre La Terra gira al voltant del sol formant una eclíptica en la qual el sol és el focus, amb una separació màxima, el 4 de juliol (afeli) i una distància mínima, el 31 de desembre (periheli), mentre que la distància mitjana entre els dos astres és de 149.600.000 km.

D'altra banda, la Terra gira sobre un eix imaginari que està inclinat 23º 30' respecte el pla de l’eclíptica (òrbita terrestre al voltant del sol), o sigui que l’eix de la Terra no és perpendicular a la seva òrbita. Com a conseqüència d’aquesta inclinació en cada punt de l'òrbita terrestre, la geometria de la situació d’un emplaçament respecte dels raigs solars és diferent. Aquest fet fa que els raigs solars hagin de travessar una espessor d’atmosfera més gran (hivern) o més petita (estiu) donant pas a les estacions meteorològiques, que són oposades en dates als dos hemisferis, degut a que la radiació solar incideix amb angles diferents.

42

SOL D’ESTIU

SOL D’HIVERN

Sol d’estiu

Sol d’hivern

3

Atmosfera

1

2

La distància 1-2 és força més gran que la 2-3.

43

1.5.9 Descripció de l'evolució de les ombres Per assolir el màxim aprofitament d’un sistema d’energia solar, s’haurà de tenir cura de la incidència de possibles ombres sobre els captadors. Els captadors tèrmics no són especialment crítics a les ombres i per regla general no queden inoperants tot i trobar-se parcialment ombrejats (15-30%), encara que aquest fet evidentment produeix una disminució important de la producció, sobretot si té lloc durant les hores centrals del dia (màxima insolació). Fórmules trigonomètriques Les fórmules trigonomètriques són una eina matemàtica que ens permet relacionar les dimensions dels costats i dels angles que formen part d'un triangle rectangle. Un triangle rectangle és aquell que té un angle recte (90º).

catet oposat

hipotenusa

α

catet contigu La denominació (oposat o contigu) dels catets va en funció de si formen o no part de l'angle amb el qual estem treballant. Exemple. En el dibuix de la figura anterior s'anomena catet contigu al costat horitzontal perquè forma angle. En aquest tipus de triangles sempre es compleixen les següents relacions matemàtiques:

44

Càlcul i dibuix de les ombres projectades per un objecte Per determinar la possibilitat d’incidència d’ombres en el mòdul, establirem el següent procés de càlcul i dibuix de projecció d’ombres, i farem servir les taules d’alçada i azimut solars que correspongui a la nostra latitud. [42º N per a la província de Barcelona]. A la taula de coordenades solars apareixen les dades d'alçada i azimut per al dia 1 de cada mes de l'any i a diferents hores del dia. Cal tenir en compte que l'òrbita descrita pel sol diàriament al cel és simètrica i que l'alçada solar màxima coincideix amb el migdia solar, això fa que les dades d'alçada siguin iguals per a cada interval de temps anterior i posterior al migdia. Amb l'azimut passa el mateix, tot i que per a distingir-lo li donarem signe negatiu ( - ) si és abans del migdia (direcció est) o signe positiu ( +) si és després del migdia (direcció oest). Hora

Gener

Febrer

*

A

H

A

H

A

H

A

H

A

H

A

H

A

H

A

H

A

H

A

H

A

H

A

H

0

0

27

0

35

0

46

0

58

0

67

0

71

0

70

0

62

0

51

0

39

0

29

0

25

1

16

26

18

33

21

44

26

55

33

64

38

68

36

66

29

59

23

49

19

37

16

28

15

23

2

30

21

34

29

39

38

48

48

57

56

63

59

60

58

52

52

43

42

36

32

31

23

29

19

3

43

15

48

21

55

30

64

39

73

46

78

48

76

47

68

42

58

34

50

25

44

17

42

13

4

54

6

60

12

67

20

76

29

85

35

89

37

87

36

80

32

71

24

62

15

56

8

53

4

71

2

78

9

87

18

95

23

99

26

97

25

91

20

82

13

73

5

97

6

104

12

108

15

106

14

101

9

92

2

114

2

117

5

116

4

5 6 7

Març

Abril

Maig

Juny

Juliol

Agost

Set.

Octubre

Exemple: Trobar a la taula de coordenades solar l'alçada solar i l'azimut per al mes de juny a les 11:00h i a les 13:00 h (hora solar). Com que el migdia solar (referenciat com a 0 a la columna d’hores de la taula) correspon a les 12:00 h (hora solar), les 11:00h i les 13:00 h es diferencien en una hora del migdia o 0.

45

Nov.

Des.

Per tant, buscant a la fila marcada com a “Hora 1” i a la columna del mes de juny, trobem les següents dades: Azimut: 38. Alçada solar: 68. Aplicant aquestes dades, donarien els següents resultats: 11:00 h 13:00 h

Azimut: - 38 º (38 º de desviació a l'Est respecte del Sud). Alçada: 68. Azimut: + 38º (38º de desviació a l'Oest respecte del Sud). Alçada: 68.

Un cop coneguem l'alçada solar i l'Azimut corresponent a la data i hora de càlcul només ens caldrà saber l'alçada de l'objecte per a poder fer el càlcul de la longitud de l'ombra projectada. Per a calcular-la, aplicarem els conceptes que il·lustra el següent dibuix:

I H A

I la següent expressió:

En què: l és l'alçada de l'objecte a partir de la cota on es col·locarien els captadors. H és l'alçada solar (angle) a partir de les taules de coordenades.

46

1.5.10.- Diagrama d'ombres El diagrama d'ombres és una representació gràfica de l'àrea ombrejada per un objecte en el decurs de les hores centrals del dia (hores amb més radiació). La importància d'aquest diagrama radica en que ens permet prendre una decisió sobre la ubicació dels captadors sense sorpreses posteriors (captadors a l'ombra) o bé avaluar l'energia disponible en cas que no sigui possible trobar una localització sense ombres. El primer pas per a representar el diagrama en planta, és dibuixar l'objecte d'estudi. A continuació, es tracen uns eixos de coordenades que coincideixin amb els punts cardinals i es determina l'escala del dibuix. A partir de les taules solars i de l'expressió matemàtica de càlcul d'ombres es fan els càlculs relatius a les hores centrals del dia (9-15:00 h "solar"). Amb el resultat d'aquests càlculs es confecciona una taula de dades que ens ajudarà a fer el dibuix. Comencem a dibuixar les dades referents al migdia (12:00 h "solar"), que serà una projecció dels vèrtex de l'objecte en direcció paral·lela al Nord (donat que el sol és al Sud), a partir d'aquesta projecció, es fa la resta tenint en compte la desviació del Sud segons les dades d'Azimut. A continuació es mostra un diagrama d'ombres fet a partir d'un pal vertical d'1 m d'alçada per al mes de gener i latitud 42º.

ZONA D’OMBRES

Hora solar Azimut (º) Alçada solar (º) Ombra (m)

09:00 42 13,5 4,16

10:00 29,3 20,1 2,73

11:00 15,2 24,4 2,2

47

12:00 0 25,9 2

13:00 15,2 24,4 2,2

14:00 29,3 20,1 2,73

15:00 42 13,5 4,16

1.5.11.- Distància mínima entre captadors Una de les principals aplicacions del càlcul d'ombres que projecta un objecte és la de conèixer si una línia de captadors solars farà o no ombra a una altra que es troba darrera seva, o dit d'un altra manera, calcular la distància mínima de col·locació entre bateries de captadors per evitar que els de davant tapin els de darrera. Aquest cas s'il·lustra en el següent dibuix:

I H a

b Distància mínima

Tal com es veu en el dibuix, la distància mínima és la suma de dues longituds (a i b), que corresponen a l'ocupació del primer captador, més la longitud de l'ombra. El càlcul de b (catet contigu) del triangle, format pel primer captador i l'horitzontal del terra, seria:

b = l × cosβ Per a poder trobar el valor de l’ombra (a) necessitem conèixer un altre costat (c), que és l'alçada de la part posterior del primer captador.

c = l × senβ

48

Aleshores,

a=

c tgH

Agrupant les dues expressions anteriors, obtenim:

dmin = l × cosβ +

l × senβ tgH

En què: dmin És la distància entre captadors per evitar ombres expressada en m. l És la longitud del captador solar.

Exercicis

1.- Un pal vertical de 4 m d'alçada projecta una ombra de 5,3 m. Quina es l’alcada solar en aquest moment?

2.- Quin angle formen els raigs solars amb un captador adossat a una paret vertical, quan l'alçada solar és de 50º? Cal tenir en compte un Azimut 0.

49

3.- Si un captador solar tèrmic estigués ubicat en una zona de contínues boires matinals, cap a on seria convenient orientar-lo ?

4.- Un captador per a escalfar una piscina es troba 6 m. al Nord d'un mur de 4 m. d'alçada i Azimut 0. Es troba a suficient distància per evitar les ombres? Tingueu en compte que la piscina és descoberta i que, per tant, es fa servir a l'estiu.

50

1.5.12 Unitats energètiques i canvis d'unitats La física intenta explicar tots els fenòmens de la natura a partir de teories que es basen en l'observació i la simulació de processos. Per entendre aquests processos s'han definit unes magnituds (característiques) que permeten mesurar, comparar i quantificar els mateixos fenòmens. Exemple. Per a poder identificar la durada d'un fenomen es va veure la necessitat de definir una magnitud anomenada “temps”, per a poder comparar les dimensions d'un objecte es va acordar emprar la magnitud “longitud”, etc. Per conveni internacional, algunes magnituds han quedat definides com a fonamentals, de manera que la resta, anomenades derivades, es poden expressar com a combinacions d'aquest grup reduït. Exemple. La velocitat es defineix com el quocient entre l'espai recorregut i el temps emprat en fer el desplaçament estudiat. L'espai i el temps són magnituds fonamentals, en canvi, la velocitat és una magnitud derivada.

MAGNITUDS FONAMENTALS MAGNITUD UNITAT SÍMBOL DE LA UNITAT Longitud metre m Massa quilogram kg Temps segon s Intensitat de corrent elèctric amper A Temperatura termodinàmica kelvin K Intensitat lluminosa candela cd

MAGNITUD Volum Força Treball / Energia Potència Calor / Energia Potencial elèctric Resistència elèctrica Pressió

MAGNITUDS DERIVADES UNITAT SÍMBOL DE LA UNITAT metre cúbic m3 Newton N Joule J Vat W caloria cal volt V ohm Ω Pascal Pa

51

Múltiples i submúltiples Sovint, quan fem càlculs, les quantitats numèriques obtingudes són o molt grans o extremadament petites i arrossegar aquestes quantitats comporta riscos d'equivocació o de saturació de la pantalla de la calculadora. És per això que fem servir abreviatures que, afegides a les unitats de treball ens ajuden a expressar quantitats grans i petites d'una forma més senzilla. Exemple. Si disposem d'una central solar amb 100 mòduls de 120 Wp de potència nominal cadascun i volem saber quina és la potència total instal·lada, només caldrà multiplicar els mòduls per la potència unitària. 100 mòduls x 120 Wp/mòdul = 12.000 Wp Aquesta quantitat la podem expressar emprant el prefix quilo [k] que equival a mil unitats, aleshores el resultat s'expressaria com 12 kWp (quilowats pic) Els múltiples i submúltiples més emprats són:

VALOR 1012 109 106 103 10-3 10-6 10-9

MÚLTIPLES I SUBMÚLTIPLES PREFIX Tera Giga Mega quilo mili micro nano

SÍMBOL T G M k m µ n

Recordatori: Una potència positiva de 10 és igual a un 1 seguit del nombre de zeros que indiqui l'exponent. Una potència negativa de 10 és igual a 0...1 amb tants llocs de decimal com indiqui l'exponent. 10-3 equival a 0,001.

52

Exercici: Expressar les següents quantitats en d'altres equivalents de tres xifres, emprant múltiples i submúltiples: 100.000 m = _________________________ 300.000 W = _____________________ 0,300 g = _________________________ 0,25 MW = ______________________ 267.000.000 J= _______________________

0,20 A = ______________________

Canvi d'unitats. Factors de conversió. Les unitats representen un valor patró, escollit per conveni, de la magnitud que representen. Així doncs, sempre que expressem el valor d'una mesura o el resultat d'un càlcul, l'hem d’acompanyar de la unitat corresponent, o bé, el resultat serà incomplet. No és el mateix dir que cal caminar 100 metres, que 100 milles, iardes o peus. Tot i que es tracta d’unitats correctes de longitud, el seu valor és diferent. Exemple: 1 milla són 1.600 m. Per tant, 100 milles són 160.000 metres. Cada cultura ha definit i emprat el seu propi sistema d'unitats al llarg del temps. Actualment, atès el caire global de la ciència i de la tecnologia, s'intenten unificar totes aquestes unitats i escollir-ne unes que siguin universals. Això és l'anomenat Sistema Internacional (SI). Per a poder passar d'una unitat a una altra (de la mateixa magnitud), hem de conèixer la relació que hi ha entre ambdues i aplicar un càlcul anomenat factor de conversió, què és una fracció en la que figuren totes dues unitats, una a dalt i l'altra a baix, amb la seva relació numèrica que multiplica el valor que volem canviar de manera creuada. Tenim una caldera de gasoil de 20.000 kcal/h i volem conèixer aquesta potència, expressada en kW, sabent que la relació de conversió és d’1kW = 860 kcal/h. Aleshores: 20.000kcal / h ×

1 kW = 23,256kW 860 kcal / h

53

D'aquesta manera, emprant els factors de conversió, passem d'una unitat a qualsevol altra, sempre i quan coneguem la relació numèrica d'ambdues o la seva relació amb una tercera unitat, per tal de fer la conversió en diferents passos. A continuació s'expressen algunes relacions entre unitats tècniques habituals: UNITAT INICIAL 1 cavall de vapor (HP) 1 galó 1 kWh 1 kWh 1 barril de petroli 1 cal 1J 1 MJ 1 kg d'urani 1 kg d'urani 1 m3 de gas de piròlisi de fusta 1 tep (tona equivalent de petroli) 1 tep 1 tèrmia (th) 1 bar 1 bar 1 metre de columna d'aigua (mcda)

UNITAT FINAL 735 W 3,7854 l 3,6 MJ 860 kcal 158,98 l 4,184 J 0,24 cal 240 kcal 82 x 1012 J 2.500 Tn de carbó 10.465 kJ 4,2 x 1010 J 107 kcal 1.000 kcal 1,09 atmosferes (atm) 1,0197 kg/cm2 0,1 atm

Exercici: Fer les següents conversions d'energia: 15 atmosferes =

bar

3,5 bar =

kg/m2

250 W =

cavalls

1.000 l =

galons

12 kWh =

J

1.020 mbar =

atm

1.000 Tn carbó =

kcal

1 kg d'urani =

tep

1 tep =

tèrmies

1 kWh =

kcal

54

1.5.13.- Mesuradors de radiació Per a mesurar la radiació total que una superfície rep en un determinat nombre de dies (o mesos) es fan servir uns aparells anomenats piranòmetres, els quals detecten la intensitat de la radiació incident en cada moment i que, acoblats a un ordinador, acumulen aquestes dades en el decurs del temps en què es prenen les mesures. Un piranòmetre col·locat sobre una superfície perfectament horitzontal, lliure d'obstacles al seu voltant que li poguessin projectar ombres, rep la radiació total (directa més difusa) de tota la bòveda celeste, i permet avaluar l'energia disponible a la zona on es troba ubicat. Òbviament les dades de radiació obtingudes a partir dels piranòmetres han de ser de gran fiabilitat, ja que un cop recopilades al llarg dels anys i després d'un intens procés matemàtic i estadístic, donen joc a les anomenades taules de radiació solar. Un altre element (de menor precisió) emprat en la mesura de la radiació solar són les anomenades cèl·lules calibrades. Es tracta de cèl·lules fotovoltaiques que un laboratori acreditat ha posat a prova, il·luminant-les amb sol artificial i establint una relació proporcional entre radiació rebuda i producció elèctrica. Tot i ser de menor precisió, el baix cost de les cèl·lules les fa ideals per a emprar-les com a comprovadors del bon funcionament de les instal·lacions de manera que, col·locant una d'aquestes cèl·lules, es pot contrastar la producció de les instal·lacions amb la radiació (aproximada) rebuda.

Estació meteorològica

Piranòmetre per a mesurar radiació solar.

Cèl·lules calibrades

55

1.6. L'efecte fotovoltaica Els materials semiconductors (el silici entre ells) tenen la particularitat de presentar un comportament diferent davant l'electricitat (flux de càrregues) en funció de si són o no són excitats per una font energètica externa. Quan un fotó (partícula de llum radiant) impacta contra un electró del darrer orbital d'un àtom de silici, li proporciona l'energia amb la que viatjava (energia cinètica). Si l'energia adquirida per un electró supera la força d'atracció del nucli (energia de valència) aquest surt de la seva òrbita, queda lliure de l'àtom i, per tant, pot viatjar pel material. En aquest moment, es diu que el silici s'ha fet conductor. Per tal de poder crear un camp elèctric que impulsi els electrons a sortir de la cèl·lula solar, es crea una unió P-N, és a dir que una zona del material té excés d'electrons i l'altra n’està mancada. Normalment, en el procés de fabricació de les cèl·lules fotovoltaiques, es parteix de silici del tipus P i es fa a través d’una lleugera contaminació amb bor que té un electró menys que el silici. Sobre aquest material, es difon un gas ric en fòsfor que és més negatiu; el fòsfor penetra lleugerament en el silici, formant la capa anomenada N. Aquest procés rep el nom de dopatge. La unió P-N crea un camp elèctric (0,5 V) de manera que, en alliberar un electró, se l’impulsa a través del material fins als conductes de plata, de baixa resistivitat, serigrafia en la superfície de la cèl·lula.

Contactes de plata Fotó Silici tipus N (0,3 µm) Silici tipus P (250 µm )

Secció figurada d'una cèl·lula fotovoltaica de silici cristal·lí.

56

Coeficient d’absorció (m )

A continuació, es mostra una figura amb la resposta dels diferents materials semiconductors i les diverses freqüències que envia el sol.

Longitut d’ona ( µm)

En la següent figura, es mostra un esquema de com es produeixen els alliberaments d'electrons en les diferents zones de la cèl·lula solar fotovoltaica i de com aquests viatgen pel material.

Pèrdues per reflexió

Camp elèctric

Pèrdues per transmissió

Fotocorrent:

En què: W és l'espessor de la cèl·lula solar (habitualment 0,3 mm). F són fotons de llum. IL és la intensitat de corrent generat i és la suma de la generació en la capa P-N i en la unió.

57

Mòdul 2. Components d’una instal·lació fotovoltaica (I)

2.1. La cèl·lula solar 2.1.1.- El silici cristal·lí La cèl·lula solar més habitual és una làmina de silici d’un gruix d’aproximadament 0,3 mm. i d’una superfície d’entre 10x10 cm. i 16x16 cm. El procés d’elaboració té un nivell sofisticat i delicat per a poder aconseguir una homogeneïtat del material. L’elaboració es fa en forns a temperatures d’uns 1.400ºC. A través d’una barreta, que en el extrem conté un germen de silici, es fa créixer un lingot de secció circular i d’una longitud d’un metre aproximadament, partint d’una massa fosa de silici amb una puresa del 99,99%. Prèviament, s’ha afegit a aquesta massa una ínfima quantitat de Bor (material menys electronegatiu que el silici). Aquest lingot és un monocristall amb certa mancança d’electrons (tipus P). El temps d’elaboració d’aquesta barra es d’unes 8 hores. A continuació se secciona la barra de silici en oblees (fines llesques de només 0,3 mm. de gruix), que es tracten químicament (difusió de Fòsfor) per crear la unió p-n, és a dir, un semiconductor amb un camp elèctric per diferència d’electronegativitats entre la zona P i la zona N. S’aconsegueix així, que una de les seves zones tingui defecte d’electrons, la p, i l’altra tingui excés d’electrons, la n. Degut a aquesta diferència de càrrega elèctrica en el material, es produeix un camp elèctric Barres de silici encarregat d’empènyer els electrons a sortir de la cèl·lula per la superfície de la capa N, i això comporta que s’estableix un corrent elèctric. La cèl·lula que se n’obté ha d’estar dotada d’uns contactes elèctrics per a poder canalitzar l’energia que produeix quan se la il·lumina. Aquests contactes estan dissenyats de forma ramificada (en la cara assolellada). Hi ha dos contactes principals i ramificacions que els uneixen, per recaptar millor els electrons, en tota la superfície de la cèl·lula.

59

Procediment Czochralski i Zona flotant per créixer monocristalls de silici

En el dibuix anterior, es veuen els dos processos que es fan servir actualment per a fabricar el silici monocristal·lí. •

Mètode Czochralski: Es suca una llavor o mostra de silici en un magma de silici fos i s'extreu a una velocitat controlada de manera que, a la part de darrera, se solidifica una barra que copia fidelment l'orientació electrònica de les molècules. • Sona flotant: Un cop extreta una barra de silici a una velocitat elevada, es va reescalfant per mitjà d’una bobina i fer que les molècules es vagin reorientant, seguint la llavor o mostra. A continuació, es mostra un dibuix comparatiu de com s'alineen els àtoms en el silici mono i policristal·lí.

60

Cèl·lules solars fotovoltaiques

Marc

Fixació dels fils Alimentació

Taula

Procés de tall de les barres de silici per a obtenir oblees.

Metall

Secció d'una cèl·lula solar amb detall de la superfície antireflectora, gràcies a la qual es forma una superfície rugosa que permet captar millor els fotons.

61

2.1.2.- Altres materials Actualment hi ha altres tecnologies i/o materials que es fan servir per a fabricar cèl·lules solars, entre els quals cal destacar els següents: Materials amorfs: Silici amorf hidrogenat (a-Si:H). Materials policristal·lins: Silici policristal·lí. Teluro de Cadmi (CdTe). Diseleniuro de coure-indi (CIS). Materials monocristal·lins: Arseniur de Gal·li (AsGa). Fosfur d'Indi (InP).

Procés de fabricació de lingots de silici policristal·lí.

Tot i que alguns d'aquests materials encara no han passat dels assaigs de laboratori, d'altres com el silici policristal·lí, estan competint en el mercat amb el monocristall, atès que té un menor cost energètic i econòmic i que la diferència en rendiment és relativament petita. Sembla que en els darrers anys, i gràcies a noves patents que n’eleven el rendiment i n’estabilitzen el funcionament en el temps, s’ha rebut el vist i plau per a produir silici amorf i Teluro de Cadmi de forma massiva.

Fàbrica de mòduls solars fotovoltaics de la firma Shell, a Alemanya, amb una producció de 12 MW anuals, inaugurada l'any 1999.

62

2.2.- Els mòduls fotovoltaics El mòdul fotovoltaic és l’element de la instal·lació solar encarregat de transformar l’energia del sol en electricitat de corrent continu de forma directa. Un mòdul fotovoltaic està format per un conjunt de cèl·lules solars o petits generadors d’intensitat connectats en sèrie, o de grups de cèl·lules connectades en sèrie disposats en paral·lel (aquest darrer cas només es dóna en mòduls de gran potència), encapsulats entre un vidre temprat i vàries capes de material plàstic; el conjunt es reforça amb perfils metàl·lics d’alumini que formen un marc exterior i que donarà fermesa i facilitarà poder col·locar el mòdul a l’estructura de suport. A la part posterior del mòdul, s’hi ubica la caixa (o caixes) de connexions amb els terminals, identificant-ne el positiu i el negatiu. Normalment, Un mòdul fotovoltaic estàndard de mercat està format per una associació de 33 a 36 cèl·lules en sèrie i un voltatge nominal de 12 V cc. Actualment trobem en el mercat mòduls amb el doble o triple de cèl·lules i que poden funcionar a altres voltatges de sortida (24,36 V). A continuació, es descriu cadascun dels components que conformen el mòdul fotovoltaic per separat, a més de les cèl·lules que hem vist en el punt anterior. 2.2.1.- Coberta exterior Té una funció eminentment protectora, ja que és la que pateix l’acció dels agents atmosfèrics. Es fa servir el vidre temprat ja que presenta una bona protecció contra els impactes i, a la vegada, té una excel·lent transmissió a la radiació de l’espectre solar. L’espessor més habitual és de 4 mm. 2.2.2.- Capes encapsulants

Mòdul fotovoltaic ATERSA de 120 Wp format per 36 cèl·lules de 16 mm. de costat.

Són les encarregades d’envoltar les cèl·lules solars i els seus contactes. El material més emprat és l’etilen-vinil-acetat o l’EVA, que proporcionen una excel·lent transmissió a la radiació solar, així com una nul·la degradació davant les radiacions ultraviolades. També, confereix certa elasticitat al conjunt de cèl·lules, davant les possibles vibracions exteriors en l’ús del mòdul.

63

2.2.3.- Protecció posterior La seva missió consisteix, fonamentalment, en protegir contra els agents atmosfèrics, exercint una barrera infranquejable contra la humitat. Normalment, es fan servir materials acrílics, TEDLAT o EVA. Sovint són de color blanc, ja que això afavoreix el rendiment del pannell, gràcies al reflex que produeix en les cèl·lules. 2.2.4.- Marc de suport És la part que presta robustesa mecànica al conjunt i que permet ubicar-lo en estructures que han d’agrupar els mòduls. El marc, normalment, és d’alumini anoditzat i va proveït dels forats necessaris per a ancorar-lo a un bastidor, evitant així haver-lo de manipular posteriorment. Alguns mòduls porten acoblats una presa de terra, que sobretot s’haurà de fer servir si el nombre d’unitats a instal·lar és gran.

MARC SUPORT

TREPANT PER A FIXACIÓ EN UNA ESTRUCTURA

COBERTA

A - Goma butílica. D- Vidre temperat. G- Polivinil butiral.

B- Alumini anoditzat. E- Contactes elèctrics

64

.

C- Presa terra. F- Cèl·lula.

2.2.5.- Paràmetres d’un mòdul fotovoltaic Les característiques d’un mòdul fotovoltaic vénen determinades pel tipus de la cèl·lula. Hi ha tres tipus bàsics de mòduls fotovoltaics. El mòdul de silici monocristal·li: Presenta una tonalitat uniforme de les oblees i ofereix un rendiment mitjà d’un 14-15%, amb prestacions acceptables amb radiació solar baixa. El mòdul de silici policristal·lí: Presenta una tonalitat poligràfica de les oblees i ofereix un rendiment mitjà d’un 12-13%, amb molt baix rendiment amb radiacions solars baixes. El mòdul de silici amorf: Presenta un to fosc uniforme i ofereix un rendiment mitjà d’un 6%, però presenta un bon comportament amb radiacions solars mínimes. 2.2.5.1.- Corba d’intensitat La corba d’Intensitat-Tensió (I-V) que defineix el comportament d’un mòdul fotovoltaic està representada a la següent figura: En aquesta figura es pot veure un exemple de corba I-V d’un mòdul solar monocristal·lí de la firma BP Solar de 85 Wp de potència. A la corba es poden apreciar els paràmetres bàsics que defineixen un mòdul fotovoltaic i que són els següents:

INTENSITAT (A)

BP-585

TENSIÓ (V)

65

2.2.5.2.- Intensitat de curtcircuit Icc (Isc)

BP-585

És la intensitat que produeix el mòdul quan és forçat a treballar a voltatge zero. Aquesta situació és dona quan la càrrega del mòdul té una resistència nul·la al pas del corrent.

Icc

A nivell experimental, es pot mesurar directament amb un amperímetre (impedància molt petita) connectat a la sortida dels borns del mòdul solar. El valor varia de forma proporcional en funció de la radiació solar a la qual la cèl·lula o el mòdul estan exposats.

Zona de la corba I-V del mòdul solar fotovoltaic on podem observar el valor de la Icc (5,00 A).

Aquesta mesura no és destructiva, no deteriora el mòdul, atès que la intensitat resultant és la màxima que poden produir les cèl·lules i per a la qual estan preparades. Aquesta prova no es pot fer en un generador de voltatge, ja que aleshores el generador forçaria el pas de corrent per restablir el voltatge nominal i s’acabaria cremant.

2.2.5.3.- Tensió de circuit obert Vco (Voc) És la tensió que mesuren els borns del mòdul en no haver-hi cap càrrega connectada i representa la tensió màxima que pot donar el mòdul. Aquesta mesura es pren connectant un voltímetre entre borns del mòdul quan no hi ha cap altre element connectat. El valor de la mesura pot arribar a ser molt elevat respecte del voltatge nominal del mòdul. Per tant, cal recordar de seleccionar una escala del tèster superior als 12 o 24 V.

66

Vco

Zona de la corba I-V del mòdul solar fotovoltaic on podem observar el valor de la Vco (22 V).

2.2.5.4.- Intensitat de màxima potència Imax És el valor de la intensitat que pot oferir el mòdul quan les condicions de càrrega li permeten treballar a la màxima potència.

INTENSITAT (A)

BP-585

TENSIÓ (V) Tensió de màxima potència Vmax És el valor de la tensió que pot oferir el mòdul a la màxima potència. Punt de màxima potència Els valors d’Imax i de Vmax conformen el que es coneix com a punt de màxima potència. El producte dels dos valors dóna la potència màxima o pic del pannell i qualsevol altre punt de la corba I-V té potència inferior al primer. Potència nominal del pannell La potència nominal del pannell quedarà determinada pel punt de màxima potència amb una radiació de 1.000W/m2. Aquest és el valor estàndard per a provar i homologar els pannells. Amb el producte, els fabricants de pannells faciliten tots els paràmetres comentats anteriorment. És important recalcar que la corba I-V admet variacions quan varia la radiació solar i quan varia la temperatura de la cèl·lula. A continuació, es presenten els gràfics I-V, en funció de la variació de la temperatura i de la variació de la radiació.

67

48 40 32

Potència (W)

24 100 m W/cm

16

80 m W/cm

8

60 m W/cm

2

2

2

0

0

4

8

12

16

20

24

Voltatge (V) Variació de la potència en funció de la radiació.

140 120

I

(%)

100

V

80 P

60 40 20 0 -50

–25

0

25

50

75

100

t (°C) Variació de les magnituds de sortida d’una cèl·lula en funció de la temperatura.

68

2.3.- Les connexions dels mòduls solars Un mòdul fotovoltaic té una potència limitada, en funció del fabricant, que va des dels 5 Wp als 165 Wp que actualment es fabriquen. Aquesta gamma de potències fa que, quan es calculen les instal·lacions, sovint calgui fer servir un nombre concret de mòduls fotovoltaics per assolir la potència necessària. Les connexions de mòduls fotovoltaics segueix, evidentment, les regles bàsiques de l'electricitat. Es poden connectar mòduls fotovoltaics en sèrie, en paral·lel i combinant les anteriors per tal d'aconseguir sumar la potència del mòduls connectats i alhora adaptar el funcionament al voltatge del circuit de càrrega de bateria. Recordem que els mòduls fotovoltaics ens donen, generalment, un voltatge de referència (nominal) de 12 V en corrent continu, és a dir, diferenciant el positiu i el negatiu. Actualment, els fabricants poden subministrar els mòduls de més gran format, a partir de 100 Wp amb voltatges de 12 o 24 V. El mòduls més petits (fins a 85 Wp) només es comercialitzen per a voltatge de 12 V.

2.3.1.- Connexió en sèrie Aquest tipus de connexió es basa en connectar el terminal positiu d'un mòdul amb el negatiu del següent, i així, successivament fins acabar la sèrie completa. Finalment, la sortida serà entre el terminal positiu del darrer mòdul connectat i el negatiu del primer. Exemple: Connexió de dos mòduls (amb dues caixes de connexió cadascun) en sèrie:

12 V ; 4 A

12 V ; 4 A

+

-

-

+

+ 24 V ; 4 A

-

En la connexió en sèrie, la intensitat elèctrica que genera el mòdul fotovoltaic ha de travessar la resta de mòduls, de manera que l'augment de potència es basa en mantenir la intensitat que pot donar un mòdul i la suma del voltatge dels mòduls connectats.

69

Normalment, es fan connexions en sèrie per aconseguir voltatges de 24 o 48 V, en instal·lacions autònomes d'electrificació i superiors, de 96 a 144 V, en instal·lacions de connexió a xarxa o alimentació de variadors de freqüència per a bombeigs directes. Cal recordar que el voltatge d'un mòdul fotovoltaic, quan funciona en el punt de màxima potència, pot arribar a ser d’1,4 vegades el voltatge nominal.

Cal tenir en compte que superar els 48 V en corrent continu equival a disposar d'un voltatge perillós per a les persones.

2.3.2.- Connexió en paral·lel Aquest tipus de connexió es basa en connectar junts els terminals positius de tots els mòduls i, d’altra banda, tots els terminals negatius. Finalment, la sortida serà entre el terminal positiu comú i el negatiu també comú.

Exemple: Connexió de dos mòduls (amb dues caixes de connexió cadascun) en sèrie:

12 V ; 4 A

+

12 V ; 4 A

+

+

-

-

12 V ; 8 A

En la connexió en paral·lel, la intensitat elèctrica que genera el mòdul fotovoltaic s’afegeix a la que generen els altres mòduls, de manera que l'augment de potència es basa en mantenir el voltatge que pot donar un mòdul i la suma d’intensitats que generen els mòduls connectats. Normalment, es fan connexions en paral·lel fins aconseguir intensitats de 20 o 25 A, en instal·lacions autònomes d'electrificació i/o bombeig i superiors, en instal·lacions de connexió a xarxa d’elevada potència. Cal recordar que l'augment d'intensitat produeix un augment de les pèrdues per l’efecte Joule (escalfor dels conductors) de forma quadràtica P = R*I2 , fet que obliga a muntar conductors de molta secció per tal que puguin suportar intensitats elevades.

70

Cal tenir en compte que no podem superar la intensitat màxima admesa pel reglament electrotècnic de baixa tensió per a cada secció de conductor. 2.3.3.- Connexió mixta

Exemple: Connexió de quatre mòduls (amb dues caixes de connexió cadascun) per tal d'aconseguir 24 V: 12 V ; 4 A

+

12 V ; 4 A

+

+

-

12 V ; 4 A

-

12 V ; 4 A

24 V ; 8 A +

+

-

-

Sovint, en les instal·lacions solars, cal fer connexions en sèrie i en paral·lel atès que voldrem treballar a un voltatge determinat i tindrem un nombre concret de mòduls. En aquests casos, connectem en sèrie el nombre grups de mòduls (connectats en paral·lel) que calgui per assolir el voltatge de funcionament.

71

2.3.4.- Triar la configuració correcta Sovint ens trobem davant del dilema de a quin voltatge cal dissenyar una instal·lació (12, 24 o 48 V). Aquesta pregunta no té una resposta clara i contundent i la podríem enfocar des de dos punts de vista diferents. •

Criteri eficientista: És a dir el que procura minimitzar les pèrdues d'energia per escalfament dels conductors i/o dels equips de regulació. Segons aquest criteri hauríem de dissenyar les instal·lacions a 48 V, ja quan més voltatge hi ha, menor és la intensitat per un valor de potència constant. És clar que aquest criteri té un problema: Treballar a 48 V equival a fer servir 24 vasos de bateria (2V/vas) i això, generalment, encareix la instal·lació.

•

Criteri economicista: És a dir, el que procura el mínim cost d'instal·lació. Segons aquest criteri, muntaríem sempre instal·lacions a 12 V, fent servir només 6 vasos de bateria, però a costa de tenir intensitats de pas en conductors i controls elevades, a mesura que augmentem la potència de la instal·lació.

Una vegada analitzats aquests plantejaments, sembla assenyat trobar algun paràmetre que ens permeti ponderar l’economia i l’eficiència. Normalment, aquest paràmetre és la intensitat que es calcula que pot generar el camp fotovoltaic (conjunt de mòduls instal·lats).

I T = Icc× N p En què: IT = Intensitat màxima que s’espera rebre en el camp solar. Icc= Intensitat de curt circuit d’un mòdul. Np= Nombre de grups o de mòduls en paral·lel. Exemple: Disposem d'un camp fotovoltaic de 14 mòduls ATERSA A-120 de 120 Wp de potència i 7,7 A d'intensitat de curtcircuit. Quina intensitat màxima generaran connectats per a subministrar 24 V? El camp solar es compondria de 8 grups en paral·lel i cada grup el formarien 2 mòduls en sèrie.

I T = Icc × N p = 7,7 A × 7 = 53,9 A 72

Com que hem d'escollir un criteri tècnic i econòmic que ens permeti treballar, sempre que sigui possible, amb conductors de mida habitual (estandarditzada), i amb reguladors de baixa intensitat (són econòmics i nombrosos en el mercat), proposem treballar al voltatge més baix possible, sempre i quan la intensitat màxima no superi gaire els 50 A. A partir d'aquest valor, augmentaríem un graó el voltatge (de 12 a 24 V) o (de 24 a 48 V) per tal de controlar la intensitat en nivells baixos. A partir de 48 V, les condicions de disseny varien, ja que un augment de voltatge ha d'estar molt justificat pel perill i pels problemes legals que comporta.

El criteri de selecció: Intentar no superar els 50 A, ampliant el voltatge fins a arribar a 48 V. A partir de 48 V, haurem de dimensionar en funció de la intensitat màxima que hi hagi d’haver (una possibilitat és dividir els grups de mòduls i de reguladors). Cal tenir especial cura alhora de fer les connexions entre mòduls, ja que cada fabricant té un disseny de caixa de connexions diferent (mòduls amb una sola caixa, o amb dues caixes). A més, cal tenir molt en compte la polaritat. Les inversions de polaritat, normalment ocasionen avaries en els diodes de bloqueig. En cas de dubte, sempre cal fer servir el tèster, per assegurar-se de la polaritat i del born correcte de connexió a partir de les mesures de voltatge en cc.

73

2.4.- Les estructures de suport i els elements per a fixar de mòduls fotovoltaics Sovint, quan es projecta una instal·lació solar fotovoltaica es presta tota l'atenció a la dimensió i a la tria dels mòduls fotovoltaics, i se’n descuida el disseny i/o selecció dels elements que s’encarreguen de suportar o de fixar aquests mòduls al terra, al sostre o a la façana de l'edifici. Cal recordar que els mòduls fotovoltaics pesen molt poc, però en canvi, són una gran superfície que s’oposa al vent i que pot generar esforços. Per tant, pot passar que durant un episodi de fort vent, els mòduls surtin projectats des d’on es troben ubicats. A Catalunya, cal preveure vents màxims de 150 km/h, tret de les àrees de l'Ebre i de l’Empordà, on cal dissenyar les instal·lacions per a vents de 170 km/h. A l’hora de decidir la dimensió d’un suport, cal tenir en compte els següents elements: ♦ El material que es fa servir: Cal que sigui estable en el temps. Preferiblement d’acer inoxidable o d’alumini. També es munten suports de ferro galvanitzat i de fusta tractada amb autoclau. ♦ Els cargols i els elements de fixació: És preferible que sigui d'acer inoxidable. Els cargols que posin en contacte físic metalls diferents, haurien d'incorporar virolles de plàstic per tal d'evitar corrosions galvàniques. ♦ Punts de subjecció: Sempre que sigui possible, cal instal·lar els suports en superfícies horitzontals sobre estructures de formigó en massa per mitjà de tacs metàl·lics d'expansió. En cas de fer servir suports de molta volada o pals cilíndrics, cal tenir en compte de subjectar-los amb cables d'acer (vents).

Daus de formigó Estructura metàl·lica de suport de mòduls sobre terra horitzontal.

74

A més de servir de suport dels mòduls solars, l’estructura també serveix per a donar l'orientació i la inclinació correctes. A continuació, s'enumeren alguns criteris per a escollir millor la inclinació:







Instal·lacions d'ús d'hivern; inclinació latitud del lloc + 20 º Instal·lacions d'ús continuat tot l'any sense grup electrogen de suport; inclinació latitud del lloc + 15 º Instal·lacions d'ús continuat tot l'any amb grup electrogen de suport; inclinació latitud del lloc + 10 º Instal·lacions amb connexió a xarxa; inclinació latitud del lloc Instal·lacions d'ús principal a l'estiu latitud del lloc -10 º Instal·lacions d'ús estacional Angle complementari a l'alçada solar de l'època d'ús

Suport per a mòduls fotovoltaics construït in-situ a partir d’una perfileria metàl·lica i amb imprimació posterior de protecció.

S'ha de tenir en compte que el llistat anterior forma part d’un conjunt de recomanacions basades en l'experiència i que d'altres autors poden diferir en algun dels valors absoluts recomanats. Cal fer la comprovació que en aplicar les inclinacions recomanades, no s'observi cap descens important de radiació durant els mesos favorables que els col·loquin aleshores com a crítics. És convenient connectar l'estructura a una presa de terra, que s'ajusti a les especificacions del Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión REBT (Instrucción Técnica MI.BT.039).

75

Suport d'uns mòduls fotovoltaics basat en un pal o post.

Suport encastat en una paret (façana) amb perfileria metàl·lica.

2.4.1.- Estudi d'esforços dels suports per a mòduls solars fotovoltaics El tipus d'ancoratge per a un suport de mòduls fotovoltaics dependrà de l’ocupació que tingui a la coberta, al terrat, a la façana o sobre el post, i de les forces que hi actuïn a sobre com a conseqüència de la pressió del vent a la que es trobi sotmès. Com que els mòduls estaran orientats cap al Sud, l'únic vent que pot representar un risc és el que vingui del Nord, ja que produirà forces de tracció sobre els ancoratges, que sempre són més destructives que les forces de compressió. Per tal d'avaluar amb precisió la força que pot actuar sobre cadascun dels mòduls, es fa servir la següent expressió matemàtica:

f = pS sen2 α En què: S: Superfície de mòduls. α: Angle d'inclinació dels mòduls respecte de l'horitzontal. p: Pressió frontal del vent, es a dir, pressió que faria el vent sobre el mòduls si estiguessin en posició perpendicular al vent. Aquest valor ve en funció de la velocitat del vent i es pot consultar a la taula següent: Velocitat del vent (m/s) 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46

Velocitat del vent (km/h) 100,8 108 115,2 122,4 129,6 136,8 144 151,2 158,4 165,6

76

Pressió del vent (N/m2) 479 550 626 707 792 883 978 1.078 1.184 1.294

Velocitat del vent (m/s) 48 50 52 54 56 58 60

Velocitat del vent (km/h) 172,8 180 187,2 194,4 201,6 208,8 216

Pressió del vent (N/m2) 1.409 1.528 1.653 1.783 1.917 2.057 2.201

Exemple: Calcular la força que fa un vent de 100 km/h sobre un grup de quatre mòduls fotovoltaics de 120 Wp que estan inclinats 60º sobre l'horitzontal. Per tal d'aplicar l'expressió de càlcul, cal conèixer la superfície dels mòduls. Ja que no tenim les dades del fabricant, ni les dimensions, farem una aproximació tenint en compte un rendiment de mòduls del 15% respecte de la radiació estàndard de 1.000 W/m2. Potencia de mòdul per metre quadrat de 1.000 W/m2 *15 /100 = 150 W/m2. Superfície d'un mòdul de 120 Wp.

Superfície total dels quatre mòduls = 4*0,8= 3,2 m2. Apliquem l'expressió per al càlcul de la força

F= 479 * 3,2 * sen2 60 = 1.150 N (Newtons)

2.4.2.- Solucions simples per a instal·lacions petites El mercat ofereix un sistema de subjecció (suport de mòduls fotovoltaics) molt útil, pràctic i econòmic per a petites instal·lacions. El sistema consisteix en uns calaixos de plàstic que s'omplen de material pesant (runa, blocs de ciment, pedres, sorra, etc.) a sobre dels quals es fixen els mòduls fotovoltaics.

77

Aquest sistema combina algunes qualitats remarcables, • • • • • • • • • •

És ràpid i fàcil de muntar. Es tracta d’un sistema modular (un suport per a cada mòdul). Ofereix la possibilitat de col·locar-lo sobre qualsevol superfície horitzontal sense obra civil. Està fabricat amb polietilè reciclat sense clor. Té un disseny funcional. Ofereix una llarga durabilitat. És lliure de corrosions. És lleuger. Incorpora aïllament elèctric. Té un cost baix.

Sistema de suport "ConSole-2.1" fabricat per l'empresa Ecofys. (Holanda).

78

Mòdul 3. Components d’una instal·lació fotovoltaica (II)

3.1.- Els acumuladors d'energia elèctrica A les instal·lacions autònomes de subministrament d'electricitat, cal emmagatzemar l'energia captada durant les hores de sol a fi de poder cobrir el subministrament durant les hores de no insolació (cicle diari). La principal característica dels acumuladors és la capacitat que tenen de contínua càrrega i descàrrega. A més, els acumuladors han de tenir prou capacitat per a assegurar el subministrament d’electricitat durant períodes de nuvolositat abundant. Les funcions bàsiques dels acumuladors en instal·lacions solars són:




Subministrar una potència instantània superior a la dels mòduls solars. Mantenir estable el voltatge de la instal·lació. Subministrar energia en absència de radiació (nits i dies núvols, cicle diari i estacional). Tot i que hi ha acumuladors de diferents tecnologies, com ara les bateries alcalines de Níquel-Cadmi, els acumuladors que es fan servir en energia solar són en un 99 % del tipus plom-àcid, és a dir que estan formats per uns elèctrodes (plaques) de plom com a material bàsic, immersos en una solució electrolítica (aigua amb àcid sulfúric). D'entre els acumuladors electroquímics de plom àcid disponibles en el mercat, cal destacar-ne dos tipus:

Secció d'un vas de bateria de la firma FULLMEN.

1.- Els acumuladors compactes del tipus monobloc (semblants a les bateries d'arrancada). Cal evitar-ne l’ús tret del cas d'instal·lacions molt petites (per ex. ús de cap de setmana) i sempre que sigui possible rebaixar la densitat de l’electròlit, perdent capacitat, però disminuint la corrosió a l’ànode (pol +).

2.- Acumuladors estacionaris (construïts en vasos independents amb plaques tubulars i reixes amb baix contingut d'antimoni. Són les ideals per a instal·lacions solars, donat que han estat dissenyades per a poder-les descarregar lentament i recarregar-les quan hi hagi disponibilitat d’energia.

79

3.- Les bateries de tracció que estan pensades per a moure vehicles i carretons elèctrics, són més econòmiques que les estacionàries i poden donar un bon servei en instal·lacions fotovoltaiques, sempre que es tingui en compte que necessiten un manteniment més freqüent. Al conjunt que formen una parella d'elèctrodes (positiu i negatiu) en bany electolític se l'anomena cel·la o vas de bateria i té com a característica principal la capacitat de mantenir una diferència de potencial elèctric nominal de 2 V. A través de la connexió d'un grup de cel·les en sèrie, podem obtenir acumuladors de voltatges diversos (6, 12, 24, 48 V, etc.). Tot i que normalment els acumuladors s'identifiquen per aquest voltatge nominal, en realitat, el voltatge de cada vas varia en funció de l'estat de càrrega fluctuant entre valors d’1,85 V (bateria descarregada) a 2,40 V (bateria carregada), aproximadament en funció del tipus i del fabricant. TAPETA BORN NEGATIU BORN POSITIU

PLAQUES POSITIVES

SEPARADORS FORVIC

MONO TAPA

PLACA POSITIVA

SEPARADOR FORVIC

PONT PLAQUES NEGATIVES

REIXETA

OBTURADOR TERMINAL POSITIU PAQUET COMPLET

TERMINAL NEGATIU

RECIPIENT MONOBLOC

Bateria d’acumuladors estacionaris de vas transparent de la firma FULLMEN.

Elements d’un acumulador d’arrancada o monobloc.

En una bateria formada per 6 vasos (12 V nominals), aquest marge de fluctuació varia entre 10,5 i 14,4 V. Cal tenir en compte que, normalment, en una instal·lació solar, el voltatge de mòduls serà similar al de la bateria (tret dels casos en què el regulador tingui seguidor del punt de màxima potència de mòduls). Aquest fet comporta que els mòduls treballin a voltatges inferiors al de màxima potència i, per tant, a menor potència de la màxima possible.

80

La capacitat d'acumulació d'una bateria s'expressa en [Ah] i es calcula multiplicant la intensitat de descàrrega pel temps que la bateria podrà mantenir-la. Exemple: Una bateria de 100 Ah pot subministrar "teòricament" 1 A durant 100 hores o bé 2 A durant 50 hores, etc. "A la pràctica", les bateries varien la capacitat de càrrega en funció de quin és el règim de descàrrega. És obvi que el procés de descàrrega d'una bateria no és el mateix si li mantenim un nivell de descàrrega suau (100 h), que si aquest és intens (5 h). En el segon cas, l'escalfor que emeten les plaques conductores i el desordre intern produït fan menys eficient la descàrrega, per tant:

Si el temps de descàrrega ⇓, aleshores, la capacitat ⇓ De manera que la bateria de l’exemple a un règim de descàrrega de 2 A només duraria 40 h i per tant, la descàrrega total quedaria en 80 Ah, enlloc de 100 Ah seguint un règim més suau.

3.2.- Comprovar l’estat de càrrega de la bateria Cal conèixer de forma permanent l’estat de càrrega de les bateries, ja que a partir d’aquesta dada podrem decidir quins consums podem fer (rentar la roba, en cas de tenir excedent energètic, reduir les hores de televisió si tenim mancances, etc.). La densitat de l’electròlit de les bateries és l’indicador més fiable per saber en quin estat de càrrega es troben i, per tant, quanta energia hi ha acumulada. Per mesurar la densitat fem servir el densímetre, que està format per una “pera” de goma o cautxú i que ens permet succionar l’èlectròlit de la bateria i omplir un tub transparent on hi sura un flotador que indica el valor de la densitat segons el nivell al qual arribi el líquid en una escala graduada. És molt important que el flotador suri lliurament per tal que la mesura sigui correcta; sense que toqui a la part superior (massa líquida) ni descansi a la inferior (massa poc). També és important portar el densímetre a l’alçada dels ulls per evitar errors de lectura, tenint la precaució de no esquitxar la pell ni la roba amb l’electròlit (àcid). ESTAT DE CÀRREGA D’UNA BATERIA Densitat de l’electròlit % de càrrega 1,24 100 1,23 94 1,22 88 1,21 82 1,20 75 1,19 69 1,18 62 1,17 56 1,16 50 1,15 45 1,14 39 1,13 33

81

1,12 1,11 1,10

28 24 20

Aquests valors poden variar en funció del tipus de bateria. La tensió de les bateries, també indica l’estat de càrrega de la bateria (sempre cal fer la mesura en absència de càrrega dels mòduls i sense connexió de grans consums a la bateria a fi que el valor sigui indicatiu).

3.3.- Les operacions de manteniment d’una bateria El manteniment preventiu en petites instal·lacions passa principalment per tenir cura de la bateria: •

Reomplir-la amb aigua destil·lada per restituir les pèrdues per vaporització i electròlisi (en cas de no tenir aigua destil·lada, es pot fer servir aigua de pluja recollida en recipients nets). Cal tenir cura de no omplir-la massa ja que la podríem fer vessar i perdre matèria activa. Verificar els borns de la bateria i les connexions. Eliminar les restes d’òxids i de sals. Protegir les connexions amb vaselina neutra i collar-les fort.

•

3.4.- Les operacions que cal evitar en el manteniment i funcionament d’una bateria -

Descarregar-la per sota del 20% de la capacitat absoluta que tingui. Deixar el nivell d’electròlit per sota el nivell de cobertura de les plaques de plom. Fer la connexió directa a mòduls sense passar per un regulador de càrrega. Tocar l’electròlit amb les mans. Reomplir les bateries amb àcid. Connectar bateries diferents en sèrie o en paral·lel. Canviar la polaritat de la connexió. Manipular les bateries amb eines no protegides. Fer servir la bateria solar com a element d’arrancada de vehicles. Afegir aigua de consum a la bateria. La proximitat de flames (bufadors, cigarretes, etc.).

3.5.- Les mesures de seguretat a les sales de bateries • • •

Les bateries han d’estar protegides d’un contacte eventual amb objectes i/o eines metàl·liques en els borns. La millor solució consisteix en col·locar una coberta de plàstic o de fusta. Les bateries contenen àcid, que és perillós. En cas d’esquitxos que arribin als ulls, cal rentar-los immediatament amb aigua abundant i consultar a un especialista en un temps breu. Garantir una bona ventilació i evitar les temperatures extremes.

82

Capacitat (Ah)

Corrent (A)

Evolució de la tensió en els borns de la bateria durant un procès de descàrrega a corrent constant.

sdasdasd%Capacidad % Capacitat 10 h (a) % Capacitat 1 h (b)

Percentatge de capacitat en funció de la temperatura: A – règim 10 h B – règim 1 h

83

3.6.- La regulació del procés de càrrega dels acumuladors electroquímics A primera vista, sembla que una instal·lació solar fotovoltaica només necessiti mòduls fotovoltaics (per a generar el corrent elèctric) i acumuladors (per a emmagatzemar l’electricitat fins al moment que calgui consumir-la). Tot i que aquest concepte intuïtiu podria ser vàlid, hi ha un element clau en les instal·lacions que és que s’encarrega que, tant el procés de càrrega com el de descàrrega dels acumuladors, es faci de manera que l’acumulador estigui sempre dins les condicions correctes de funcionament. Aquest element és el regulador de càrrega. Al mercat hi ha reguladors de càrrega de diferents fabricants i amb diferents prestacions. A continuació, es detallen les prestacions més habituals dels reguladors de càrrega que es fan servir en instal·lacions solars autònomes (que són les que porten acumulació).

Família de reguladors de càrrega de la firma ISOFOTON ⇒ Protecció contra sobrecàrrega de l’acumulador (tall per alta): Aquesta és la funció bàsica del regulador ja que, d’aquesta manera, s’evita que la bateria s’escalfi; que es perdi aigua de l’electròlit i que les plaques s’oxidin. ⇒ Alarma per bateria baixa: Consisteix en indicadors sonors i/o lluminosos que indiquen que l’acumulador està força descarregat. A partir d’aquest moment, l’usuari té la possibilitat de moderar el consum, evitant una descàrrega molt perjudicial i excessiva de l’acumulador. ⇒ Desconnexió per bateria baixa (tall per baixa): Aquesta funció fa que el regulador talli el subministrament de corrent elèctric cap als consums si el nivell de càrrega de l’acumulador és massa baix i, per tant, corre perill d’una descàrrega profunda, fet que originaria problemes de sulfatació.

84

 Protecció contra curtcircuits: Aquesta funció permet, per mitjà d’un fusible, protegir el propi regulador, així com protegir la sortida de l’acumulador de patir intensitats elevades en cas de curtciruit en algun dels circuits de consum de la instal·lació.  Visualització de funcions: La majoria dels reguladors del mercat tenen algun sistema visual que permeti obtenir alguna informació sobre l’estat de la instal·lació, bé sigui simplement amb uns indicadors de si els mòduls fotovoltaics estan donant intensitat, si la bateria està carregada o descarregada o més acuradament per mitjà d’indicadors dels nivells actuals de càrrega, voltatge de la bateria, etc. Les dades característiques més importants a l’hora de seleccionar un regulador són: 1. El voltatge de funcionament. Aquest ha de ser el mateix que el de la bateria (12, 24, 48 V). 2. La intensitat màxima de comandament. Aquesta ha de ser d’almenys un 10% a la màxima intensitat de càrrega que poden proporcionar els mòduls fotovoltaics de la instal·lació. Hi ha diferents tipus de reguladors de càrrega en funció del principi de funcionament que tinguin: 3.6.1.- Reguladors del tipus paral·lel Basen el funcionament en un transistor que deriva el corrent procedent dels mòduls fotovoltaics cap a una càrrega resisitiva de dissipació. Aquest sistema permet establir valors de voltatge de bateria per als quals aquesta desviació es fa de forma intermitent a fi d’aconseguir mantenir l’acumulador en el nivell de màxima càrrega (flotació). Aquest sistema provoca l’escalfament dels reguladors i, per tant, un major desgast. Aquest fet fa que els reguladors d’aquest tipus tingui limitada la intensitat de treball a pocs ampers (per ex. l’antiga gamma de reguladors ISOFOTON). 3.6.2.- Reguladors del tipus sèrie Basen el funcionament en un interruptor electrònic que permet o no el pas de corrent cap a l’acumulador, en funció del voltatge que tingui. Actualment, aquest interruptor és progressiu, de manera que es pot comandar per poder tenir diferents nivells (etapes) de càrrega. En aquests reguladors, la càrrega en flotació es fa doncs, mantenint un nivell baix d’intensitat de càrrega continu, o bé commutant moments de càrrega i moments de no càrrega per tal d’afavorir el gaseig de la bateria.

85

Regulador del tipus sèrie model mino de la firma ATERSA de 12 V i 11 A

Característiques Amplada Alçada Gruix Pes Capsa Pintura Nivell d’estanqueïtat Voltatge nominal I màxima generador I màxima consums Sobrecàrrega adm. Autoconsum Pèrdua màxima Tipus de regulació Selecció bateria Sistema de regulació Senyalitzacions Compensació temp. Descon. de consums Alarmes Protec. canvi pols Protec. sobrecarrega Protec. curtcircuit Protec. sobretensió Protec. contra desc. bateria Rearmament curtcircuits

Isoler 10

Isoler 20

Isoler 30

172 mm 105 mm 24 mm 600 g Xapa d’acer Epoxy al forn IP-32 12/24 V amb selecció automàtica 10 A 20 A 30 A 10 A 20 A 30 A 25 % < 30 mA 1W 2W 3W Sèrie, controlat per microprocessador amb relé d’estat sòlid Àcid plom / gel Càrrega profunda / flotació / igualació LED d’estat de càrrega de la bateria Amb sonda exterior Si (amb reconnexió automàtica) Tall per alta i baixa, sobrecàrrega i curtcircuit Si (totes les línies) Temporitzada Instantània Si (totes les línies) Si Manual

Taula de característiques de la família de reguladors per a petites instal·lacions de la firma ISOFOTON.

3.6.3.- Reguladors amb seguiment del punt de màxima potència Aquesta és la versió més sofisticada de regulador dels que hi ha al mercat, ja que incorporen un convertidor cc/cc a l’entrada de mòduls que permet aïllar el voltatge de treball dels mòduls fotovoltaics del voltatge de bateria. D’aquesta manera, els mòduls poden treballar en el seu punt de màxima potència i, per tant, al màxim rendiment possible. Aquest sistema permet aprofitar sempre, tota la potència de mòduls que correspon a la radiació incident de cada moment, sense que afecti el voltatge de bateria. Prenent com a exemple un mòdul fotovoltaic ATERSA-M55L, les dades que aportades el fabricant són (53 Wp a 17,4 V i 3,05 A). Quan connectem el mòdul directament a un acumulador, el voltatge entre borns que el mòdul està lliurant realment en aquell moment és de 12 V.

Preal = 12 V x 3,05 A = 36,6 W

86

És a dir, que dels 53 W disponibles, quan es carrega directament una bateria amb 12 V en borns, només n’aprofitem 36,6 W i això suposa un 30 % de pèrdues de potència. La pregunta és: On són la resta de W que falten ? La resposta: Enlloc, ja que si observem el gràfic de producció I-V del mòdul, veiem que la generació del mòdul és de corrent i no de potència. 3.6.4.- Centrals de control i equips combinats Centraleta per a instal·lacions solars fotovoltaiques Taps. Incorpora diferents mòduls en funció de la configuració desitjada. En la centraleta de la foto d’esquerra a dreta: 1.- Mòdul d’adquisició de dades. 2.- Mòdul de regulació amb seguidor de punt de màxima potència. 3.- Ranures per a col·locar el convertidor cc/ca i etapes de potència.

87

3.7.- Els convertidors d’energia elèctrica cc/ca Quan va néixer l’energia solar fotovoltaica, les instal·lacions d’electrificació feien servir l’electricitat per als consums al mateix voltatge i forma d’ona que el rebien dels mòduls solars i dels acumuladors, és a dir de 12, 24 o 48 V de corrent continu. Això va marcar una gran diferència amb els usuaris que disposaven de xarxa elèctrica o de grups electrògens (220 V de corrent altern). El mercat dels electrodomèstics s’ha adaptat a la majoria dels usuaris i, per tant, podem trobar qualsevol aparell per a funcionar a 220 V. En canvi, aconseguir electrodomèstics fiables, de qualitat i a un preu raonable que funcionin a baix voltatge i corrent continu és quasi impossible. L’avenç de l’electrònica de potència i l’aparició dels transistors anomenats GTO ha facilitat la construcció d’aparells convertidors de corrent continu a corrent altern (cc/ca), anomenats inversors o onduladors, en funció de si la seva sortida és més o menys semblant a l’ona senoidal que subministra la xarxa elèctrica. Els avantatges de disposar d’energia elèctrica en forma de corrent altern són diversos: ⇒ És el tipus de corrent elèctric que més es fa servir al món i, per tant, dóna un punt de normalitat. ⇒ Facilita la compra d’electrodomèstics per poder accedir als que són més eficients. ⇒ Permet mantenir valors estables de voltatge i forma d’ona tot i la variabilitat de l’estat de càrrega de les bateries. ⇒ El fet de treballar a voltatges superiors (220 és 18 vegades 12 V) permet treballar amb corrents elèctrics baixos i, per tant, es poden fer servir conductors més prims, proteccions elèctriques habituals i es minimitzen les pèrdues energètiques per a escalfar els conductors (efecte Joule). Evidentment, no tot són avantatges i també hi ha algun inconvenient: ⇒ La instal·lació consta d’un element més, el convertidor. Per tant, disminueix la fiabilitat (ja que en cas de fallada del convertidor, l’usuari quedarà sense subministrament energètic a 220 V). ⇒ El convertidor té unes pèrdues elèctriques que s’han de compensar generant més electricitat en els mòduls (Fet que ens fa modificar el quocient de rendiment global de les instal·lacions en un 5 %). ⇒ En instal·lacions petites, el convertidor pot representar una part important del cost (per a una instal·lació de 100 Wp de potència de mòduls, un convertidor de 250 W pot suposar el 20 % del cost total). ⇒ A més, els convertidors (sobre tot els econòmics) solen donar problemes d’acoblament elèctric amb alguns aparells electrònics, com ara les ràdios, els telèfons mòbils o els ràdiotelèfons i les emissores. Aquests acoblaments es fan evidents amb sorolls força molestos i és difícil eliminar-los.

88

Las principals característiques que defineixen un convertidor són: 1. El voltatge d’entrada (Vcc): Aquest valor ha de ser igual al de l’acumulador (12, 24 o 48V). 2. El voltatge de sortida (Vca): Ha de ser normalitzat (230 V a Europa) i 115 V a alguns països de l’Amèrica Central i del Nord. 3. Estabilitat del voltatge de sortida: S’ha de mantenir, com a màxim, al voltant del ± 10 %, que és el valor que les normes admeten per al voltatge de les xarxes elèctriques convencionals. 4. Tipus d’ona: Hi ha diverses possibilitats: ♦ Ona quadrada Són econòmics, poc estables, no suporten gaire sobrecàrrega i fan moltes interferències sobre aparells electrònics de ràdio i telefonia. De fet, simplement estan formats per un oscil·lador biestable i una etapa de potència de sortida transistoritzada. La principal aplicació que tenen és l’alimentació de circuits d’il·luminació i de càrregues resistives. ♦ Ona senoidal modificada (trapezoidal) Són els més habituals a causa de la bona relació preu / qualitat. Tenen una sortida força estabilitzada, suporten bé les sobrecàrregues i poden generar interferències i soroll en les telecomunicacions. Aquestes convertidors fan un tipus d’ona més aviat trapezoïdal que, sovint, és més a prop de l’ona quadrada que de la senoide. Normalment, aquests convertidors incorporen proteccions contra sobrecàrregues i curtcircuits i desconnexió per voltatge baix de bateria.

Convertidor d’ona Convertidor d’ona quadrada de la firma quadrada de la firma ATERSA ATERSA

♦ Ona senoidal pura Són els més cars, tot i que actualment el seu preu és força competitiu. Molt estables (en voltatge i freqüència de sortida), no suporten gaires sobrecàrregues i normalment no generen interferències ni incompatibilitats. 5 . Capacitat de sobrecàrrega i de protecció tèrmica. És molt útil en instal·lacions on hi ha motors, ja que en el moment d’arrancada es pot duplicar la potència necessària per al funcionament nominal, encara que només durant uns segons. Cal tenir en compte que, en el moment d’engegar, qualsevol motor (màquina, bomba o compressor) consumeix un pic de corrent que pot arribar a ser de cinc vegades la intensitat nominal i que, per regla general, és, aproximadament, de tres vegades.

89

Gamma de convertidors d'ona senoidal de la firma MASTERVOLT.

6. Eficiència. L’eficiència energètica o el rendiment d’un convertidor és, per definició, la relació que hi ha entre l’energia que facilita el convertidor als consums en corrent altern i l’energia que necessita aquest convertidor a la bateria, a fi de donar el servei. 7. Arrencada automàtica i estat en espera. Permet que l’equip desconnecti els circuits de potència en absència de consum i els reconnecti en el moment que calgui. 8. Protecció contra inversió de polaritat i curtcircuits. Aquestes opcions són bàsiques ateses les possibilitats d’error o de funcionament defectuós dels circuits de consum que són elevades al llarg de la vida del convertidor. En aquest sentit és molt important conèixer la corba d’eficiència completa per a qualsevol índex de càrrega, ja que, sovint, hi ha convertidors amb capacitat per a suportar la potència de diversos electrodomèstics i que funcionen tota la nit alimentant una bombeta de 15 W (en aquest cas potser suposa el 10 o el 15% de la potència nominal). Per tant, interessa més que un convertidor mantingui valors d’eficiència raonables per a un ampli ventall de potències de sortida que no un altre que doni una eficiència espectacular a la potència nominal i després sigui dolent a la resta de la gamma.

90

Família de convertidors cc/ca d’ona quadrada modificada de la firma CONVER.

RELACIÓ EFICIÈNCIA / POTÈNCIA DE SORTIDA MOD. 1.200 W

% EFICIÈNCIA

POTÈNCIA DE SORTIDA (W)

91

Mòdul 4.- Dimensionat d’instal·lacions solars fotovoltaiques Hi ha diversos mètodes per a calcular la dimensió de les instal·lacions solars fotovoltaiques. En aquest curs exposarem un del mètodes que s’anomenen intuïtius i que es basa principalment en generar cada dia la quantitat d’energia que es preveu consumir, analitzant els rendiments globals de la instal·lació, sense entrar en un detall excessiu dels diversos elements dels components. Per decidir quina ha de ser la dimensió d’una instal·lació fotovoltaica, cal tenir en compte bàsicament els següents conceptes: a) Les dades d'entrada -

Necessitats a cobrir. Energia necessària. Radiació incident ( hsp ).

b) Les dades a calcular -

Nombre de mòduls necessaris. Capacitat de l’acumulador. Secció de cable necessari. Tipus d’equips auxiliars necessaris.

A les grans instal·lacions, a més d’aquestes altres variables, s’analitzen com podria ser l’estacionalitat, el rendiment individualitzat de cada component, les temperatures de funcionament dels equips, etc.

4.1.- Les necessitats a cobrir Aquest punt és bàsic en la dimensió d’una instal·lació fotovoltaica, ja que d’aquí partiran tots els càlculs per saber la dimensió que han de tenir els equips de la instal·lació. Per tal que el nostre càlcul de consums sigui el més precís possible, determinarem les següents dades de partida: * Tipus d’ús que se n’ha de fer. * Estacionalitat de l’ús. * Ús de cap de setmana / diari. * Nombre d’usuaris. * Instal·lació anterior. Un cop determinades aquestes dades, farem una previsió, elaborant una taula de consum, tenint en compte la potència i l’ús que es vol fer dels diferents electrodomèstics que alimentarà la instal·lació. A continuació, per mitjà d’una taula s’indica el valor més habitual de consum d’alguns electrodomèstics. Aquests valors són útils quan no es disposa de la informació concreta 93

a partir de la placa de característiques o del catàleg del fabricant. També és útil, per a fer previsions de consum quan encara no es disposa de l’aparell concret. Aquesta taula està dividida en aparells d’ús no continu i en aparells d’ús continu. El consum típic d’electrodomèstics d’ús no continu es produeix quan es fa servir durant unes hores al dia o a la setmana i l’energia que consumeixen al dia és igual al producte de la potència que tenen, expressada en (W), pel temps que es calcula que funcionen cada dia, expressat en (h). Aparell Bombeta incandescència Bombeta de baix consum Fluorescent Bombeta halògena Televisor Radio Cassette Tocadiscs Bomba d’aigua Assecador de cabells Ventilador Cuina elèctrica Forn elèctric Liquadora Fregidora

Potència [W] 25 – 100 (60) 9 –20 (15) 4 – 58 (36) 15 – 300 50 – 150 10 – 25 35 – 50 100 – 200 70 – 500 500 – 2.000 25 – 50 2.000 – 7.000 1.500 – 2.500 200 1.400 – 2.100

Aparell Emissora de ràdio Batedora Extractor de cuina / bany Vídeo reproductor Planxa Aspirador Ordinador Monitor color Impressora Mòdem telefònic Torradora Microones Espremedor de taronges Batedora Cafetera elèctrica

Potència [W] 35 – 50 200 – 300 50 – 70 30 – 45 800 – 2.000 300 – 600 100 – 150 100 – 200 15 – 25 15 – 30 500 – 1.000 500 – 700 30 – 160 250 – 400 600 – 1.100

El consum típic d’electrodomèstics d’ús continu es produeix quan es fa servir durant tot el dia o bé les dades disponibles es refereixen a cicles de funcionament, com és el cas de les rentadores. L’energia que consumeixen al dia bé donada directament pel fabricant a través dels catàlegs . Aparell Radio telèfon Rentadora en fred Rentadora 90º 5 Kg. Rentavaixelles 14 serveis Assecadora 5 Kg. Nevera normal combi de 300 l Nevera baix consum combi 300 l Nevera de baix consum 300 l Congelador de baix consum 250 l

Energia [Wh] 150 400 / rentada 1.800 – 2.500 / rentada 1.300 – 1.700 / rentada 3.200 – 3.500 / assecat 1.700 – 2.500 800 – 1.200 300 – 400 650 – 800

Aparell Amplificador d’antena Contestador telefònic Ràdio rellotge Ambientador elèctric Espanta mosquits elèctric Nevera normal 300 l Congelador normal 300 l

Energia [Wh] 125 – 150 175 – 250 65 – 100 20 – 30 20 – 30 800 – 1.500 1.500 – 2.000

Amb instal·lacions fotovoltaiques en funcionament, no es recomana fer servir equips amb escalfament elèctric com, per exemple, els forns elèctrics, els microones, els radiadors elèctrics, les rentadores d’aigua calenta, les assecadores, els escalfadors d’aigua elèctrics, etc. Aquests electrodomèstics tenen un consum elevat i una eficiència energètica global baixa. D’altra banda, en el cas de tenir instal·lacions fotovoltaiques, es recomana fer servir electrodomèstics de baix consum, ja que, en reduir el consum, reduirem la inversió en l’equip fotovoltaic.

94

4.2.- L’energia necessària Per tal d’ordenar el llistat d’aparells consumidors segons sigui la potència i el consum que tenen, farem servir una taula de consums que ens permetrà determinar l’energia que cal preveure per a cada dia o setmana, en funció de si el càlcul es fa per un ús diari o de cap de setmana. Consums no continus Aparell

Nombre d’aparells

Potència (W)

Temps (h)

Energia (Wh/ dia)

Total consums no continus Consums continus Aparell

Nombre serveis

d’aparells

o Energia (Wh/dia o servei)

Energia (Wh/ dia)

Total consums continus Total consums previstos diaris Al valor obtingut de la taula (Consum energètic diari), li aplicarem un factor global de rendiment de la instal·lació fotovoltaica, que engloba els rendiments particulars del regulador, de l’acumulador i del convertidor cc/ca, de manera que l’energia que cal produir en els mòduls sempre serà superior a l’energia que es vol subministrar als consums. El rendiment global que farem servir en els nostres càlculs és de: ♦ 0,75 per a instal·lacions amb subministrament en ca ♦ 0,80 per a instal·lacions amb subministrament en cc Dividint el valor de l’energia requerida pels consums (taula), pel rendiment global, obtenim l’energia necessària.

Total d’energia de consums E= 0.75 rendiment global de la instal·lació Exemple: Calcular el consum energètic diari per saber la dimensió d’una instal·lació solar fotovoltaica que ha d’electrificar una masia on viuen 3 persones tot l’any. A partir d’una conversa amb els usuaris, establirem el llistat d’electrodomèstics que faran servir i el nivell d’ús de cadascun dels aparells, que ja reflectim directament sobre la següent taula de consums.

95

Consums no continus Aparell Bombeta b. consum Bombeta b. consum TV petit Ràdio Planxa Ordinador

Núm. d’aparells 4 3 1 1 1 1

Potencia (W) 15 11 75 15 800 250

Total consums no continus Consums continus Aparell Núm. d’aparells Ràdio telèfon 1 Rentadora en fred 0,5 rentada dia Nevera baix consum 1 Congelador baix consum 1

Temps (h) 4 1 4 6 0,15 1

Energia (Wh/ dia) 240 33 300 90 120 250

1.033 Energia (Wh/dia) 150 200 300 700

Energia (Wh/ dia) 150 200 300 700

Total consums continus

1.350

Total consums previstos diaris

2383

Tindrem en compte que el subministrament de corrent es farà a 220 V ca. Per tant, apliquem un rendiment global de la instal·lació de 0,75.

Energia necessària = 2.383 Wh / 0,75 = 3.177 Wh

4.3.- La radiació incident (hsp) Per a calcular la radiació incident, farem servir les taules de radiació que ens determinaran la radiació incident, el lloc, la inclinació i la orientació que hem determinat. A diferència del càlcul de captadors tèrmics (en què buscàvem un compromís tècnic i econòmic), en la fotovoltaica, el càlcul està encaminat a procurar el màxim nivell d’autoabastament energètic. Per tant, a l’hora de calcular escollim les dades del mes de l’any més desfavorable (el mes amb menor radiació solar disponible). Com que els fabricants de mòduls fotovoltaics expressen la capacitat de generació dels seus productes en W i, a més, en condicions de radiació de 1.000 W/m2, farem un canvi d’unitats per passar dels MJ/m2/dia de les taules de radiació (Atles de radiació a Catalunya) a kWh/m2/dia, dividint el valor de la taula entre 3.6, atesa la relació que hi ha entre aquestes unitats: 1 kWh = 3.6 MJ Un cop disposem de la radiació en kWh/m2/dia, la dividirem entre la potència de radiació estàndard que es fa servir per calibrar els mòduls i obtindrem la quantitat de hsp (hores sol pic equivalents). Aquest valor vindria a ser les hores de sol a intensitat fixa de 1.000 W/m2, que produirien la mateixa energia que el dia mitjà del mes escollit (tot i que sabem que, en realitat, el sol varia d’intensitat contínuament durant el dia).

96

hsp =

radiació segons taules de radiació = potència estàndard per a calibrar els pannells

[KWh/m2/dia] = [h] [Kwh/m2]

Exemple: Determinar les hores sol pic per al càlcul d’una instal·lació solar fotovoltaica en una masia propera a la població de Manresa d’ús diari durant tot l’any. A partir de les dades de l’Atles de Radiació a Catalunya, editat per l’ICAEN (base de dades “Radiació” del curs) obtenim que la radiació a Manresa, amb Azimut 0, per a una inclinació d’ús tot l’any amb grup electrogen de suport (latitud + 10º = 50º) és de: Mes Radiació a 50º [MJ/m2dia]

Gener 12,17

Febrer 14,48

Març 17,66

Abril 19,62

Maig 20,28

Juny 20,42

Mes Radiació a 50º [MJ/m2dia]

Juliol 20,65

Agost 20,77

Setembre 19,77

Octubre 17,09

Novembre 13,71

Desembre 11,55

Aplicant el factors de conversió, obtenim: Mes Radiació a [kWh/m2dia] Radiació a [hsp/dia] Mes Radiació a [kWh/m2dia] Radiació a [hsp/dia]

50º

Gener 3,38

Febrer 4,02

Març 4,90

Abril 5,45

Maig 5,63

Juny 5,67

50º

3,38

4,02

4,90

5,45

5,63

5,67

50º

Juliol 5,74

Agost 5,77

Setembre 5,49

Octubre 4,75

Novembre 3,81

Desembre 3,21

50º

5,74

5,77

5,49

4,75

3,81

3,21

Radiació del mes més desfavorable (desembre): 3,21 hsp

97

4.4.- El nombre de mòduls necessaris El nombre de mòduls necessaris quedarà determinat per la següent fórmula:

nombre de mòduls =

Energia necessària [Wh/dia] Potència pic del mòdul [Wp] x Radiació [hsp/dia]

La potència pic del mòdul ens serà subministrada pel fabricant ja que és la característica que els fabricants solen integrar en la nomenclatura. D’aquesta manera, el mòdul I-110 d’ISOFOTON té una potència pic de 110 W i el A-55 d’ATERSA és de 55 W. Exemple. Calcular el nombre de mòduls A-120 de la firma ATERSA que calen per a produir l’energia elèctrica d’una masia on viuen 3 persones tot l’any, segons la taula de consums i les dades de radiació dels exemples anteriors. Nombre de mòduls = Energia necessària / (Potència pic * Radiació solar de desembre). Nombre de mòduls = 3.177 Wh/dia / (120 Wp * 3,21 hsp/dia) = 8,25 mòduls. Arrodonint el resultat per excés, obtindríem 9 mòduls ATERSA A-120 (Atès és un nombre imparell, estaríem obligats a treballar a 12 V. Connexió en paral·lel de tots el mòduls). Arrodonint el resultat per defecte, obtindríem 8 mòduls ATERSA A-120 (Atès que és un nombre parell, podríem treballar a 12 o a 24 V).

4.5.- La capacitat de l’acumulador La bateria és el magatzem d’energia de la instal·lació fotovoltaica. Per tant, la capacitat quedarà determinada per l’autonomia que vulguem obtenir, que varia en funció del tipus d’instal·lació. A continuació, es donen alguns criteris per a poder-la establir:  Instal·lacions totalment autònomes i de difícil accés (equips de telecomunicacions, boies, etc.). Aplicar tants dies d’autonomia com dies núvols seguits mostrin les estadístiques meteorològiques més properes al lloc d’ubicació (7 a 15 dies).  Electrificació rural d’us diari (4 a 6 dies). Aquest valor es pot reduir a tres si hi ha un grup electrogen de suport amb engegada automàtica.  Electrificació d’habitatges de cap de setmana (2 a 3 dies). Un cop determinada l’autonomia, podem calcular la capacitat de la bateria amb la següent expressió:

Capacitat de la bateria =

Energia necessària x dies d’autonomia voltatge * Profunditat de descàrrega de la bateria

98

La profunditat de descàrrega mitjana d’una bateria que cal en compte en el càlcul, depèn del tipus que es faci servir:  0,6 a 0,8 , per a acumuladors estacionaris d’alt volum d’electròlit.  0,5 a 0,6 , per a acumuladors del tipus monoblock.  0,3 a 0,5 , per a acumuladors d’arrancada (automòbil). Caldrà escollir el voltatge de l’acumulador de manera que sigui prou elevat com per a obtenir uns corrents de càrrega/descàrrega raonables (I < 50 A), així com un bon acoblament amb el voltatge del grup de mòduls fotovoltaics (12, 24 o 48 V). Exemple: Calcular la capacitat de l’acumulador adient per a instal·lar a la masia de l’exemple anterior, per a una autonomia de 4 dies i fent servir bateries estacionàries de darrera generació. Capacitat d’acumulació = (Energia necessària * dies d’autonomia) / (Voltatge * Profunditat de descàrrega. Capacitat d’acumulació = (3.177 Wh/dia * 4 dies ) / (24 V * 0,8) = 662 AhC100 El subíndex C100 indica que aquesta capacitat de bateria serà subministrada en cicles de descàrrega de 100 hores que és el valor que més es fa servir per a instal·lacions d’electrificació rural.

4.6.- La secció de cable necessari És bàsic que la secció del cable sigui adequada per tal d’obtenir un bon rendiment global de la instal·lació. Els conductors elèctrics (de coure) tenen per funció transportar l’electricitat, però malauradament no són perfectes i ofereixen una resistència al pas de l’energia. Aquesta resistència elèctrica es materialitza en dos efectes: 1.- Caiguda de tensió en el conductor. Aquest efecte fa que la càrrega alimentada tingui un voltatge inferior al de la font alimentadora (si els mòduls fotovoltaics generen 14,5 V i la caiguda de tensió en el cable fins al regulador és d’1 V, al regulador li arriben només 13,5 V. 2.- Pèrdues energètiques per efecte Joule (escalfament del conductor). Aquestes pèrdues són una funció quadràtica de la intensitat (a doble intensitat, les pèrdues creixen 4 vegades). Si la calor és massa forta, el conductor es deteriora i pot arribar a situacions perilloses (incendi). Per evitar aquests dos problemes, calcularem els conductors per tal que: 1.- La caiguda de tensió màxima sigui d’un 3% en el cablejat del trajecte mòdulsacumulador- convertidor i un 5 % en la línia de consum. A partir de la següent expressió: Secció del cable de coure = 200 x 0,0172 x longitud del cable x intensitat % caiguda de tensió x voltatge L’expressió anterior ens dóna la secció del conductor expressada en mm2.

99

2.- Un cop determinem la secció del conductor, comprovarem que la intensitat de circulació és menor que el màxim admissible segons el Reglament Electrotècnic de Baixa Tensió. A continuació s’adjunta una taula orientadora de la intensitat màxima admissible per a conductors elèctrics que discorren per l’interior de tub de protecció a temperatures de servei de 45ºC. Secció nominal del conductor (mm2) 1,5 2,5 4 6 10 16 25 35 50 70 95 120 150

Un sol cable Un cable unipolar 15 21 28 34 49 64 85 110 130 160 200 230 265

Un cable bipolar 12 16 22 28 38 51 68 83 98 118 140 -------

Un cable tripolar 10 14 19 24 34 44 59 72 85 100 120 -------

Més d’un cable Dos cables unifilars 12 17 23 29 40 54 71 88 110 135 165 190 220

De tres a cinc cables unifilars 11 15 20 26 36 36 64 78 95 120 145 170 195

Exemple. Calcular la secció del cable adient per a conduir el corrent generat al camp de mòduls fins a l’acumulador de la instal·lació de la masia de l’exemple anterior, per a una distància de 10 m de separació. Secció del cable de coure = 200 x 0,0172 x longitud del cable x Intensitat % Caiguda de tensió x Voltatge On:

longitud: Intensitat: Caiguda : Voltatge:

10 m 9 mòduls x 7 A W = 63 A 3% 12 V

Secció del cable de coure = 200 x 0,0172 x 10 x 63 = 60,2 mm2 3 x 12 Les seccions normalitzades més properes serien 50 o 70 mm2. En aquest cas escolliríem 50 mm2, atès que hi ha els següents factors: A. La potència a transportar sempre serà inferior a la màxima dels mòduls. D’altra banda, a partir de la taula d’intensitats màximes, veiem que per a conductors bipolars (+ i -) el conductor de 50 mm2 admet fins a 98 A, que és força inferior a la màxima esperada. Cal tenir en compte que si féssim treballar la instal·lació amb 10 mòduls (número parell), podríem fer la connexió en grups de dos mòduls en sèrie amb la qual cosa obtindríem 5 grups i un voltatge de 24 V. I si refem els càlculs de secció de conductor amb un voltatge de 24 V i un corrent elèctric de 5 x 7 = 35 A, obtenim: Secció del cable de coure a 24 V = 200 x 0,0172 x 10 x 35 = 16,72 mm2 3 x 24 En aquest cas, la secció normalitzada més propera seria de 16 mm2.

100

4.7.- Els tipus d’equips auxiliars necessaris Podem considerar com equips auxiliars, el regulador i el convertidor, tot i que aquests equips són, en realitat, imprescindibles per al bon funcionament de la instal·lació fotovoltaica. Els reguladors es classifiquen per la intensitat màxima que poden suportar, així com pel voltatge de treball. Els valors estàndards de mercat són els 8A, 11A, 15A, 30A i 50A d’una banda i els 12V, 24V o 48V, de l’altra. El tipus de regulador necessari quedarà determinat per la potència màxima del camp de mòduls, de manera que per a una potència màxima de 120 W a 12 V, correspondrà un regulador de 10 A:

Imax del regulador > Intensitat màxima del camp de mòduls

Exemple. Escollir el regulador de càrrega adient per a la instal·lació de la masia de l’exemple anterior. Imax del regulador > Intensitat màxima del camp de mòduls Imax del regulador

> 63 A per a un muntatge a 12 V > 35 A per a un muntatge a 24 V

Per tant, posaríem un regulador de 40 A a 24 V o dos reguladors de 40 A a 12 V. D’altra banda, la potència nominal del convertidor adient serà la resultant de la suma de totes les potències nominals dels equips consumidors multiplicat per un coeficient de simultaneïtat d'entre 0,5 a 0,75 (en funció de la tipologia i quantitat de consums, ja que mai no funcionen tots els equips alhora). (suma de la potència nominal de tots els aparells de consum) x 0,75 < Pconvertidor > (suma de la potència nominal de tots els aparells de consum) x 0,5 El resultat d’aquesta operació ens determinarà la potència nominal del convertidor, amb l’excepció que la potència nominal d’algun dels aparells de consum sigui superior a aquest valor i que, per tant, aquest aparell ens determini la potència del convertidor. En aquest sentit, cal tenir en compte que alguns electrodomèstics demanen puntes de potència superiors a les nominals (fins a 4 vegades més). Per exemple, els televisors de color i les neveres. Exemple. Escollir el convertidor cc/ca adient per a la instal·lació de la masia de l’exemple anterior.

101

A partir de la taula de consums, determinem el valor total de potència instal·lada en els consums: Aparell Bombeta b. consum Bombeta b. consum TV petit Ràdio Planxa Ordinador Ràdio telèfon Rentadora en fred Nevera baix consum Congelador baix consum

Nº 4 3 1 1 1 1 1 1 1 1

Potència [W] 15 11 75 15 800 250 6 400 200 350

Total potència instal·lada

Potència total [W] 60 33 75 15 800 250 6 400 200 350 2.189

Potència del convertidor > (suma de la potència nominal de tots els aparells de consum) * 0,5 < (suma de la potència nominal de tots els aparells de consum) * 0,75 Potència del convertidor < 2.189 W * 0,75 = 1.642 W Potència del convertidor > 2.189 W * 0,5 = 1.094 W Per tant, muntarem un convertidor de 1.000 o de 1.500 W en funció del rang del fabricant escollit.

102

Mòdul 5. Sistemes fotovoltaics aïllats 5.1.- Estudi de rendibilitat de les instal·lacions solars fotovoltaiques autònomes En el cas de les instal·lacions fotovoltaiques, caldrà separar clarament les autònomes de les connectades a xarxa per tal de poder fer una anàlisi de quina rendibilitat econòmica tenen. Tal com s’ha definit, les instal·lacions autònomes són les que no tenen suport de la línia elèctrica i, per tant, es troben en llocs remots o en finques on no hi ha escomesa de la xarxa. En aquests casos, caldrà avaluar la viabilitat en funció de tres paràmetres: • • • •

Cost i possibilitat de connexió a la xarxa elèctrica més propera. Cost de la instal·lació solar fotovoltaica. Consum energètic a fer. Font energètica de suport

Efectivament, combinant els paràmetres, es pot accedir a moltes possibilitats, des d’una instal·lació molt propera a la xarxa, amb un consum energètic tan baix que un equip econòmic fotovoltaic surti competitiu, fins a una instal·lació remota en què l’elevat consum previst decanti la balança cap a una derivació de la xarxa elèctrica, per cara que resulti. Respecte de la connexió a xarxa, podem tenir en compte un cost mitjà de tres milions de pessetes per quilòmetre, més el cost del centre de transformació, més un cost d’aproximadament cinc milions que correspondrien al primer quilòmetre, que inclou els estudis, els tràmits i l’estació transformadora. Aquests valors són orientatius, ja que depenen força dels paràmetres de la companyia elèctrica: l’orografia, l’interès de diversos usuaris, les subvencions (que solen estar a l’entorn del 50 %), etc. Pel que fa al cost de la instal·lació solar, un cop dimensionat tot el material, cal fer el pressupost que inclogui materials i mà d’obra (un valor orientador sobre la mà d’obra en tasques d’instal·lació és aplicar el 10–15% del valor dels materials en instal·lacions mitjanes P > 1 kWp i fins al 25% en petites instal·lacions P < 300 Wp). Quant al consum que cal dur a terme, es poden fer diferents hipòtesis de càlcul: • • •

Avaluar el cost de l’energia que produeix el sistema durant el temps de vida previst de la instal·lació. En aquest cas, cal preveure que la bateria sigui substituïda cada 10 anys, fet que incrementarà el cost i allargarà l’amortització. Calcular el cost que s’hauria pagat per l’energia produïda si l’hagués subministrat la xarxa elèctrica. Calcular el cost de l’energia produïda com si s’hagués de produir amb un grup electrogen. En aquest cas, cal tenir en compte el preu del combustible més els manteniments.

103

La viabilitat de la instal·lació quedarà palesa comparant, d’una banda, el cost de la escomesa, més el cost energètic del consum convencional i, de l’altra, el cost de la instal·lació fotovoltaica. Tot i perdre exactitud, s’aconsella no tenir en compte les fluctuacions futures en el cost de l’energia que quedarien compensades pel cost financer de la inversió fotovoltaica (atès que en un marc d’estabilitat econòmica, ambdós factors s’acostaran a la inflació). Exemple. Analitzar la viabilitat econòmica per a la instal·lació de la masia de l’exemple que apareix al capítol anterior (amb configuració de 8 mòduls de 120 Wp a 24 V) per a una distància de la casa a la xarxa més propera de fins a 1 km. Cost aproximat de la xarxa elèctrica (2 km) Cost = (1r km) * 5.000.000 Pta./km = 5.000.000 Pta. Cost aproximat de la instal·lació fotovoltaica 8 mòduls ATERSA A-120 (24 V / 120 Wp ) a 102.880 Pta./mòdul 1.083.150 Pta. 12 vasos de bateria FULMEN (735 Ahc100 ) a 29.003 Pta./got 348.036 “ 1 regulador ATERSA model LEO (24 V / 60 A) 95.088 “ 1 convertidor CONVER (24 Vcc – 220 Vca 1.000 W) 112.604 “ Subtotal material fotovoltaic Material de connexió i suports

1.638.878 Pta. 131.110 “

(8 %)

Subtotal materials instal·lació

1.769.988 Pta.

Instal·lació del material (10 %)

176.998

Subtotal instal·lació

“

1.946.986 Pta.

Imprevistos (3 %) Projecte i benefici industrial ( 7 %)

58.409 “ 136.289 “

Base imposable IVA (16 %)

2.141.684 Pta. 342.669 “

Total instal·lació fotovoltaica

2.484.353 Pta.

Cost aproximat de l’energia convencional a consumir en 10 anys Consum d’energia mitjana diària prevista: Consum d’energia anual 2.383 Wh/dia * 365 dies/any

2.383 Wh 869.795 Wh/any

Consum d’energia (10 anys): 869.795 Wh/any * 10 anys = 8.697.950 Wh/any ≅ 8.698 kWh

104

Cost de l’energia elèctrica (de xarxa): Cost econòmic terme energia (10 anys)

15 Pta./kWh

8.698 kWh * (15)

130.470 Pta.

Cost econòmic terme potència (xarxa convencional) 4 kW * 250 Pta./kW mes * 120 mesos Cost econòmic del 1r km de línia elèctrica:

120.000 Pta. 5.000.000 Pta.

Total cost econòmic energia convencional 130.470 Pta. + 120.000 Pta. + 5.000.000 Pta.

5.250.470 Pta.

En aquest cas la comparació dona clara avantatge a l’equip solar fotovoltaic ja que només caldria fer una inversió de 2.484.353 Pta. davant dels 5.250.470 Pta. que gastaríem amb la xarxa elèctrica. En canvi els números es podrien igualar si apliquéssim una subvenció a la línia elèctrica o si aquesta pogués ser compartida. En aquest cas, caldria fer una bona gestió de compres o aconseguir una subvenció per tal de fer competitiva la instal·lació solar. Les coses poden ser diferents si el sistema convencional escollit per a produir energia elèctrica és un grup electrogen. El primer que caldrà tenir en compte és el tipus de combustible i la potència del grup electrogen. En aquest sentit, cal tenir en compte que, per tal que el grup electrogen treballi poques hores al dia (4-5 h), caldria mantenir la instal·lació de la bateria i convertidor encara que més reduïda, ja que el grup electrogen donarà l'energia diària i per tant no caldrà tenir un nombre de dies d'autonomia. La instal·lació i pressupost que cobriria la demanda de l'exemple seria la següent: 1 grup electrogen de benzina de 1.000 W amb càrrega a 24 V 12 gots de bateria HOPZS 7 (390 Ahc100 ) a 15.793 Pta./got 1 convertidor CONVER (24 Vcc – 220 Vca 1.000 W) Subtotal material generador

283.150 Pta. 189.516 “ 112.604 “ 585.270 Pta.

Instal·lació del material (15 %) Subtotal intal·lació Imprevistos (3 %) Benefici industrial ( 7 %) Base impossable IVA (16 %)

87.790 “ 673.060 Pta. 20.192 “ 47.114 “ 740.366 Pta. 118.458 “

TOTAL PRESSUPOST

858.824 Pta.

En aquest cas, la comparació, pel que fa a inversió, dóna avantatge al grup electrogen, però si tenim en compte un cost de generació a partir de benzina o gasoil d’automoció (cost aproximat 200 Pta./ kW/h generat), tenint en compte un consum d’un litre per kWh i un 40 % del cost en manteniment i amortització del grup, aleshores:

105

Cost equip solar - Cost grup electrogen = 2.484.353 -858.824 = 1.625.528 Pta. Aquest sobrecost solar seria l'equivalent en combustible a la generació de, 1.625.528 Pta. : 200 Pta./kWh = 8.128 kWh És a dir, a poc menys de 9,5 anys de consum. Sempre i quan no variï d’una manera important el cost del combustible i tenint en compte que, amb un ús tant intensiu, un grup electrogen pot tenir una vida inferior a aquest període. A més, cal tenir en compte la molèstia o el cost que suposa tornar a omplir combustible, el soroll del motor, els fums que genera i/o la manca de subministrament per avaries.

5.2.- Tipus bàsics d’instal·lacions solars fotovoltaiques autònomes Una primera classificació de les instal·lacions solars autònomes la podem fer a partir de si són o no pures, pel que fa a font de producció d’energia elèctrica. Així, podem torbar: •

Instal·lacions solars fotovoltaiques autònomes (100 %). Aquest tipus és la més estesa en zones de pocs recursos econòmics, projectes de cooperació, o també en llocs remots on sigui difícil aportar recanvis i/o combustibles. El principal problema que presenten és que en períodes d’ennuvolament perllongat, més de cinc dies, el risc que l’usuari es quedi sense subministrament d’electricitat és alt.

•

Instal·lacions solars fotovoltaiques amb grup electrogen de recolzament. Aquesta és, sens dubte, la més estesa dins l’electrificació rural a Catalunya, així com en els centres de comunicació i d’altres instal·lacions on es prima la seguretat en el subministrament. En aquests casos hi ha dues variants: Les instal·lacions en què el grup electrogen de suport recarrega bateries i són aquestes les que sempre subministren l’energia a l’usuari i les instal·lacions en què el grup electrogen funciona al marge de les bateries, sobretot per al subministrament de grans consums puntuals (màquina eina, soldadura, munyidores, etc.). Caldrà tenir molt clara la separació de circuits i de proteccions, ja que un funcionament en paral·lel entre el grup electrogen i el convertidor cc/ca de la instal·lació cremaria els transistors de sortida d’aquest últim. En el cas dels equips electrògens que carreguen bateries, cal tenir en compte quina és la dimensió correcte del carregador, la seva intensitat de càrrega de sortida hauria

C Ic ≥ 20 de ser superior a una vintena part de la capacitat de les bateries. •

Instal·lacions híbrides. Aquest és el nom que se li sol donar a les instal·lacions on hi ha més d’una font renovable per a produir electricitat, generalment solar fotovoltaica més: • •

Eòlica (petits aerogeneradors). Microhidràulica.

106

En aquestes instal·lacions, caldrà tenir en compte dues possibilitats: Que cadascuna de les fonts renovables disposi del seu propi sistema de regulació de càrrega. Aleshores només caldrà que coincideixin els voltatges de bateria o bé escollir un sistema integrat amb una central de regulació que s’adapta a les diferents característiques dels productors d’electricitat.

Esquema de blocs d’una instal·lació híbrida solar-eòlica. L’altre aspecte que ens pot permetre distingir les instal·lacions autònomes és en el cas que hi hagi diferents usuaris, masies amb masovers, nuclis de població, explotacions ramaderes diversificades, etc.

107

En aquests casos podem optar per dos tipus diferents: •

Sistemes individualitzats. On cada servei i/o usuari és independent de la resta. Aquest sistema obliga a incorporar tots els elements de la instal·lació, els mòduls, el regulador, les bateries, el convertidor per a cada usuari. Són solucions cares i poc eficients.

•

Sistemes col·lectius. És quan hi ha una producció d’electricitat centralitzada i colectivitzada i un subministrament d’energia elèctrica a cada usuari i/o servei. Aquest sistema és el més adient, sempre i quan les distàncies que la xarxa de distribució ha de recórrer no obligui a instal·lar grans seccions de conductors. Aquests sistemes s’anomenen minixarxes.

Instal·lació col·lectiva en un poblet.

108

Mòdul 6. Sistemes fotovoltaics connectats a xarxa 6.1.- Els elements que integren la instal·lació Una instal·lació solar connectada a la xarxa només té dos elements bàsics. Un grup de plaques solars fotovoltaiques que poden estar ubicades sobre la teulada d'un edifici o integrades en qualsevol dels element estructurals o, fins i tot, aïllades de l'edifici en qualsevol terreny proper, i un ondulador o convertidor electrònic que transforma l'energia que les plaques solars proporcionen en forma de corrent continu, en corrent altern d'igual tipus i valor que el que transporta per la xarxa elèctrica.

Convertidors i armaris de proteccions habituals en les connexions a xarxa. A més d'aquests elements, i en funció de la potència de la instal·lació i de la legislació final que s'adopti, caldran més o menys instruments de mesura de l'energia produïda, així com proteccions elèctriques per tal d'evitar tant la pertorbació de la xarxa elèctrica a causa de la producció solar com dels danys que el sistema pugui produir a l'equipament interconnectat.

6.2.- El funcionament de la instal·lació Des del moment en què un edifici incorpora una instal·lació connectada a la xarxa elèctrica, passa a tenir dues funcions i circuits elèctrics diferenciats. D'una banda l'habitual línia de consum interior amb els seus mesuradors i proteccions corresponents i, d'altra banda, el circuit que formen els mòduls solars, l’ondulador i l’equipament elèctric de control i de mesura. El circuit habitual consumeix energia elèctrica de la xarxa com abans de tenir la instal·lació solar o com a qualsevol altre edifici similar i, per tant, genera uns rebuts de consum elèctric. El circuit solar produeix energia elèctrica en funció de la radiació solar incident en cada moment del dia, per tant, de forma variable segons l'hora del dia, l’època de l'any i la

109

meteorologia. Tota aquesta energia es comptabilitza i s’envia cap a la xarxa elèctrica per tal que sigui consumida per qualsevol usuari proper, fins i tot el mateix edifici. Per tant, l'edifici passa a ser un consumidor d'energia elèctrica i una central generadora a la vegada.

Sistema d’adquisició i de monitorització de dades en temps real d’una instal·lació fotovoltaica connectada a la xarxa. Com es gestiona aquesta doble funció dels edificis solars connectats? El desembre de l'any 1998, el Govern espanyol va aprovar un Reial Decret per a regular els requisits i condicions que les instal·lacions productores d'energia elèctrica amb ús de recursos renovables havien de complir. Aquest document ja diferenciava els diversos tipus d'energies renovables. El més important d'aquest decret era el fet que regulava l'obligatorietat del sistema elèctric estatal de comprar l'energia elèctrica als autoproductors o propietaris d'instal·lacions solars a un preu especial o bonificat. La bonificació per a petites instal·lacions, de potència solar inferior a 5 kW, és de 60 Pta./kWh. El Reial Decret va ser objecte de força polèmica, es van despertar moltes expectatives, fins que la pressió de les companyies convencionals de producció d'electricitat van aconseguir bloquejar-ne l’aplicació. El setembre del 2000 es va aprovar un nou Reial Decret que complementava l'anterior i que reomplia alguns forats i llacunes del primer. A partir de la publicació d'aquest darrer Decret per part de l'Estat espanyol, ara és la Generalitat, amb competències en el sector energètic, qui ha de publicar un reglament administratiu regulador de com s'han de tramitar aquests projectes.

110

Òbviament aquest intercanvi de declaracions institucionals i legislatives han produït un cert desencís entre els interessats en instal·lar un equip solar a casa seva. Alguns es van arriscar a costa d'haver patit un desgast de tramitacions amb l'administració i la companyia subministradora de la seva zona. El resultat ha estat que molt poques instal·lacions han aconseguit signar el contracte de venda d'energia amb la companyia, però les més de vint instal·lacions que es van dur a terme i que es troben en alguna de les fases de negociació i, sobretot, el gran nombre de sol·licituds rebudes estan produint un canvi. El gener del 2002, la Direcció General d'Energia i Mines de la Generalitat de Catalunya feia pública l’aprovació d’un Decret de reglament administratiu d'aplicació del Reial Decret de connexió a xarxa per a instal·lacions solars fotovoltaiques. Aquest decret avança en la línia de facilitar les connexions a xarxa des dels següents aspectes: 1 . Acota els imports que pot demanar la companyia a l’usuari en concepte de determinar el punt de connexió i d’altres estudis tècnics. 2. Proposa la Direcció General com a àrbitre en les reclamacions dels usuaris davant d’incompliments de terminis de les companyies. 3 . Estableix un procediment de lliurament únic de documentació, eliminant la necessitat d’aportar documents a cada nou tràmit del projecte. 4. Qualifica de no industrials les instal·lacions menors a 5 kW, obrint la possibilitat als ajuntaments a fer exempcions fiscals. Algunes companyies elèctriques preparen la seva estructura comercial per acollir aquest nou tipus de tramitació: "La venda d'energia elèctrica d'origen solar". Entretant el sector continua viu, cada dia hi ha més instal·lacions solars connectades a la xarxa elèctrica, que momentàniament regalen la seva producció, esperant ser reconegudes i regularitzades com a productores d'energia elèctrica no contaminant.

6.3.- Rendibilitat d’una instal·lació solar connectada a la xarxa Probablement en la formulació d'aquesta pregunta i en alguna de les seves respostes radica la voluntat de frenar el creixement normalitzat d'aquestes instal·lacions. Si veiem les instal·lacions solars fotovoltaiques de petita potència com a actuacions encaminades a l'estalvi energètic, la producció eficient (propera al consum), la generació de llocs de treball i el retall d'emissions a l'atmosfera, la resposta sobre la seva rendibilitat és afirmativa. Es tracta d'equipaments de màxima rendibilitat social. En canvi, si el plantejament que es fa és purament econòmic, és a dir, el de veure a qualsevol persona que vol instal·lar plaques solars al seu edifici com a un especulador que busca treure un suculent rendiment a una inversió, aleshores la resposta és negativa. Per tant la reivindicació de donar un tractament especial a aquestes instal·lacions, vistes des del punt de vista d'estalviadores de la producció massiva, contaminat i poc eficient d'energia elèctrica actual, hauria de superar qualsevol entrebanc administratiu o burocràtic, de la mateixa manera que ho ha superat la substitució de bombetes de baix consum o d'electrodomèstics més eficients. El cost actual d'1 kWp de plaques solars amb connexió a la xarxa elèctrica està al voltant de 1,2 milions de pessetes i amb una capacitat de generació entre 1.000 i 1.250 kWh/any, encara que es mantinguin les actuals bonificacions i es compri l'energia a un

111

cost de 66 Pta./kWh. Sense tenir en compte les despeses de finançament, ni les assegurances, etc. es triga més de 14 anys en amortitzar la inversió. Tot i que la vida estimada de les plaques solars és superior al període d'amortització previst, aquest és suficientment llarg com per entendre que és més valuosa la necessitat social que no el lucre dels promotors. Sobretot, si tenim en compte que les instal·lacions amb potència superior a 5 kWp tan sols reben una prima de 30 Pta./kWh, fet que fa doblar els terminis d’amortització. Una de les fórmules que fan més interessants les instal·lacions solars fotovoltaiques connectades a la xarxa és la seva capacitat d’integració arquitectònica i que ofereix els següents avantatges: • • • •

Substitueix elements constructius convencionals, millorant el període d’amortització. No hipoteca l’ús de sol en zones amb molta pressió urbanística o ciutats. Elimina el rebuig per raons estètiques. Pot cobrir altres necessitats de l’edifici, ombrejament, pre-escalfament d’aire de calefacció, etc.

112

ANNEX

INSTAL·LACIÓ SOLAR FOTOVOLTACIA I TÉRMICA EN UNA ESCOLA CEIP FALGUERA – SANT FELIU DE LLOBREGAT - BAIX LLOBREGAT

Des del mes de setembre de 1998, l’escola Falguera, de Sant Feliu de Llobregat, compta amb dues instal·lacions d’aprofitament de l’energia solar -102 m2 de captadors tèrmics i 3,4 kWp d’energia fotovoltaica (25 m2 )-, ambdues integrades arquitectònicament en l’edifici escolar. Durant el primer any de funcionament, aquestes instal·lacions han permès cobrir el 20% del consum d’energia elèctrica i el 60% de les necessitats d’aigua calenta sanitària del centre, i han estat un instrument que ha tingut molt valor pedagògic pel fet de ser perfectament visibles des de les aules. DESCRIPCIÓ La instal·lació solar fotovoltaica té una potència total de 3,4 kWp i ocupa una superfície de 25 m2 en forma de parasols situats damunt de les finestres de les aules. Com que l’orientació dels espais que ocupen els alumnes feia que fos necessari incorporar alguna mesura arquitectònica que aturés l’elevada irradiació solar i evités el sobreescalfament de les aules, es va optar per integrar els mòduls fotovoltaics a la façana de l’edifici perquè complissin aquesta funció. Els mòduls fotovoltaics estan muntats entre dos vidres per donar-los més consistència i reduir les necessitats de manteniment .Aquests mòduls produeixen energia elèctrica en forma de corrent continu que un ondulador transforma en corrent altern apte per a ser utilitzat a l’escola. Al centre de control de la instal·lació hi ha els interruptors seccionadors del camp, l’ondulador, i els controls de tensió i freqüència per a la connexió a la xarxa, d’acord amb el protocol establert per la companyia elèctrica subministradora. L’equip fotovoltaic es connectarà en un futur proper a la xarxa general a fi de vendre els excedents a la companyia quan la producció sigui superior a la demanda de l’equipament escolar La instal·lació solar tèrmica, per la seva banda, té una superfície de captació de 102 m 2 i es troba situada sobre la coberta del porxo que dóna accés al pati des del gimnàs, de manera que compleix també la funció de tancament estanc. Els captadors solars són metàl·lics no vidrats i tenen un recobriment selectiu, cosa que els permet funcionar d'una manera òptima en condicions poc convencionals com en aquest cas, en què els captadors tenen molt poca inclinació Durant el seu primer any de funcionament, la instal·lació solar fotovoltaica ha cobert un 20% de la demanda elèctrica total del centre atès que ha produït 4.925 kWh. Per la seva banda, els captadors solars han assolit una producció de 76.200 MJ, energia que ha permès cobrir prop d’un 60% de la demanda d’aigua calenta sanitària. Tanmateix, cal insistir en el fet que l’edifici ha estat projectat i construït amb criteris d’integració arquitectònica dels elements de producció d’energia renovables i d’aprofitament dels sistemes naturals de climatització, raó per la qual no només s’ha de valorar la quantitat d’energia obtinguda sinó també l’estalvi energètic passiu que aquestes mesures aporten.

Fitxa tècnica NOM: Centre d’Ensenyament Infantil i Primària (CEIP) Falguera . MUNICIPI: Sant Feliu de Llobregat. APLICACIÓ: Producció solar d’ACS i elèctricitat. CONSUM ELÈCTRIC DE L’ESCOLA:23.570 kWh/any. SUPERFÍCIE DE CAPTACIÓ:102 m 2 (tèrmica) i 25 m 2 (fotovoltaica). VÒLUM D’ACUMULACIÓ: 4000 litres PRODUCCIÓ ANUAL:4.925 kWh (fotovoltaica) i 76.200 MJ (tèrmica). PROMOTORS: Ajuntament de Sant Feliu de Llobregat i Institut Català d’Energia. PROJECTE TÈCNIC: Ajuntament de Sant Feliu de Llobregat. INSTAL·LACIÓ SOLAR: TFM SA. MÒDULS TÈRMICS: Energie Solaire Hispano Swiss, SA. MÒDULS FOTOVOLTAICS: BP Solar.

115

ESTACIÓ DE SERVEI EQUIPADA AMB MÒDULS FOTOVOLTAICS ESTACIÓ DE SERVEI BRITISH PETROLEUM (BP) – TONA - OSONA

“Conéctate al sol” és un projecte mundial de l’empresa British Petroleum (BP) que té com a objectiu aplicar l’energia solar fotovoltaica a les seves estacions de servei, tot aprofitant l’àmplia superfície de les marquesines que cobreixen els assortidors A Catalunya, la primera gasolinera equipada amb plaques fotovoltàiques, va entrar en servei el mes d’abril de 2000 al municipi de Tona. La instal·lació, amb una superfície de 2 mòduls de 104 m té una potència total de 12,9 kWp i una producció elèctrica anual, d’aproximadament uns 19.500 kWh, quantitat que permet cobrir amb escreix la demanda d’energia de l’estació i vendre l’excedent a la companyia elèctrica. DESCRIPCIÓ Els 168 mòduls fotovoltaics que subministren electricitat a l’estació de servei es troben integrats a la marquesina i estan connectats mitjançant 7 inversors preparats per a una entrada nominal de dues matrius de 12 mòduls. La potència total instal·lada és de 12,9 kWp, i segons les especificacions tècniques dels mòduls 2 fotovoltaics cada unitat proporciona 85 W amb una irradiació solar d’1 kW/m . L’energia produïda és transportada fins a un quadre elèctric on hi ha els equips de protecció i els relés de freqüència i tensió, i d’on surt un fil tetrapolar connectat a un comptador que quantifica l’energia exportada. Aquest sistema disposa d’un interruptor de seguretat que permet a la companyia elèctrica interrompre la connexió en cas d’avaria a la xarxa. El quadre general de distribució de la gasolinera també està dotat d’uns dispositius que impedeixen que entri l’energia de la xarxa fins als mòduls. El funcionament de la instal·lació se segueix per mitjà d’un sistema de gestió centralitzat, que permet conèixer en qualsevol moment la quantitat d’energia produïda o qualsevol altre paràmetre de funcionament, com també les possibles fallades de l’equip. Un dels objectius de l’operació és exportar a la xarxa elèctrica tota l’energia que obtingui la instal·lació fotovoltaica i que no hagi consumit la mateixa gasolinera, raó per la qual l’estació s’ha acollit al règim especial segons el Reial decret 2.818, de 1998. Les mesures que s’han pres durant els mesos de juny, juliol i agost de 2000 han donat com a resultat que hi ha hagut una producció elèctrica mitjana de 80 kWh diaris. A partir d’aquestes dades, s’ha estimat que la producció anual arribarà al voltant dels 19.500 kWh anuals, energia que s’exportarà quasi totalment a la xarxa elèctrica atès que el consum de l’estació de servei il·luminació de la marquesina i alimentació dels assortidors és molt petit.

Fitxa tècnica NOM: Estació de servei de Tona. MUNICIPI: Tona (Osona) APLICACIÓ: Instal·lació FV connectada a xarxa i integrada a la marquesina d’una gasolinera. 2

SUPERFÍCIE DE CAPTACIÓ: 104 M . POTÈNCIA INSTAL·LADA: 12,9 KWP. PRODUCCIÓ ANUAL ESTIMADA: 19.500 KWH. PROJECTE TÈCNIC: BP Amoco. EQUIPS SUBMINISTRATS: BP Solarex. COORDINACIÓ DE LA INSTAL·LACIÓ I MUNTATGE: BP Bovis Alliance. 116

INSTAL·LACIÓ FOTOVOLTAICA CONNECTADA A LA XARXA IES CELESTÍ BELLERA – GRANOLLERS – VALLÈS ORIENTAL

L’Institut d’Ensenyament Secundari Celestí Bellera, de Granollers, compta des del mes de juny de 2000 amb una instal·lació fotovoltaica de 3 kWp de potència connectada a la xarxa elèctrica general. El camp fotovoltaic es troba integrat arquitectònicament a la façana sud de l’edifici, i el formen trenta-sis mòduls que aporten una producció anual de 3,8 MWh i eviten, també anualment, l’emissió de 900 kg de CO2 a l’atmosfera. .

DESCRIPCIÓ La instal·lació consta de trenta-sis mòduls fotovoltaics dividits en tres camps de dotze mòduls cadascun (dos grups en paral·lel de sis mòduls en sèrie), muntats sobre una estructura metàl·lica prefabricada. Aquesta divisió en camps en facilita el muntatge, ja que el conjunt es pot manipular sense necessitar l’ajut de cap sistema d’elevació. l’estructura que suporta els mòduls està penjada -no collada- a la paret que fa de coronació de la façana sud, de manera que no ha calgut fer cap perforació a la coberta que pugui afectar-ne la impermeabilització. Cada camp subministra una potència parcial d’1,02 kWp i té una superfície de captació de 7,56 m2. En total, el camp solar té una potència de 3,06 kWp El sistema de producció fotovoltaic porta incorporats tres aparells onduladors del model TFM TL 1.000, que transformen el corrent continu que produeixen les cèl·lules en corrent altern amb una eficiència superior al 92%. Els quadres de protecció es troben instal·lats en un passadís del centre a fi de facilitar-ne l’exposició al públic, tot garantint la seguretat de les persones i dels equips. Els comptadors d’energia, en canvi, estan situats a l’habitació on hi ha els comptadors de la instal·lació elèctrica convencional de l’edifici. Des que es va posar en funcionament la instal·lació fotovoltaica, el mes de juny de 2000, fins a finals d’abril de 2001, l’electricitat generada ha estat de 2.200 kWh, energia que ha evitat l’emissió a l’atmosfera de 505 kg de CO2. Es preveu que la producció anual sigui de 3,8 MWh, i que la reducció de CO2 arribi als 900 kg l’any. La instal·lació està connectada a un sistema de seguiment que permet representar gràficament la producció elèctrica i altres dades (s’hi pot accedir on-line per mitjà d’Internet). D’aquesta manera, se’n pot seguir el funcionament quasi a temps real, ja que les lectures es duen a terme cada 60 segons. L’adreça de la pàgina web és la següent: ww.xtec.es/centres/a8045628/fotovoltaica/temps_real.htm

Fitxa tècnica NOM: Institut d’Ensenyament Secundari Celestí Bellera, MUNICIPI: Granollers (Vallès Oriental). APLICACIÓ: Instal·lació fotovoltaica connectada a la xarxa elèctrica. POTÈNCIA: 3,06 kWp. .SUPERFÍCIE CAPTACIÓ: 22,68 m2. PRODUCCIÓ ELÈCTRICA: 3,8 MWh/any. ESTALVI ANUAL D’EMISSIONS DE CO2: 900 kg. PROJECTE TÈCNIC: Teulades i Façanes Multifuncionals SA (TFM).

117

FAÇANA FOTOVOLTÀICA DE COLORS CONNECTADA A LA XARXA ELÈCTRICA MUSEU DE LA CIÈNCIA I LA TÈCNICA DE CATALUNYA – TERRASSA – VALLÈS OCCIDENTAL

El Museu Nacional de la Ciència i la Tècnica de Catalunya (mNATEC) ha escollit una façana fotovoltaica de colors com a element tecnològic i arquitectònic per cobrir la paret mitgera de l’edifici d’habitatges contigu al centre. La façana té una potència de 39,7 kWp i ocupa una superfície de 2 300 m . DESCRIPCIÓ La paret del Mnatec ha estat coberta amb una gran estructura metàl·lica prefabricada, sobre la qual s’han instal·lat 527 mòduls fotovoltaics connectats a la xarxa elèctrica general de la companyia FECSA per vendre tota l’energia generada. L’estructura es va acabar al final de l’any 1999 i durant els primers mesos del 2000 es va revestir amb els mòduls fotovoltaics. La nova façana fotovoltaica s’ha muntat sobre una estructura que recorda un mur-cortina, de manera que actua com a element que produeix electricitat i, alhora, elimina l’efecte “paret radiant” perquè evita que la paret mitgera es refredi ràpidament durant l’hivern i se sobreescalfi a l’estiu. El projecte s’ha centrat en el disseny arquitectònic de la façana, ja que se l’ha volgut integrar al màxim possible en l’edifici. En aquest sentit, s’han tingut en compte qüestions tan importants com el potencial impacte estètic de la instal·lació sobre l’edifici; el color apropiat i les dimensions idònies dels mòduls fotovoltaics; les obertures necessàries per ventilar el pati, i la futura facilitat d’accés de les connexions per cable. Els 527 mòduls de què consta la instal·lació són de dos tipus: estàndards, amb cèl·lules monocristal·lines blaves d’alt rendiment; i translúcids, amb cèl·lules monocristal·lines de colors blau, magenta i daurat, que permeten el pas d’un 10% de la radiació solar. Si bé els mòduls blaus tenen una eficiència de conversió de la llum solar en electricitat superior a la dels altres dos colors, s’ha optat per prioritzar els criteris estètics per davant d’una certa funcionalitat perquè es tracta d’una façana situada en un indret molt freqüentat i visible des d’un dels carrers principals de la població de Terrassa: la rambla d’Egara. El fet que aquesta varietat cromàtica de mòduls fotovoltaics es trobi al mercat permet als arquitectes i als enginyers que dissenyen les instal·lacions millorar-ne la integració en les edificacions i evitar es converteixin en uns afegits antiestètics. La producció elèctrica de la façana fotovoltaica del mNACTEC ha estat estimada en uns 40 MWh anuals, producció que permet cobrir al voltant d’un 15% de la demanda del centre. La resta de l’electricitat és exportada a la xarxa elèctrica. Per gaudir de la prima de producció establerta en el RD 2818 de 1998 (36 PTA per kWh generat i exportat a la xarxa), el Museu ha establert un contracte amb la companyia elèctrica tal i com es defineix en el RD 1663, de 29 de setembre de 2000.

Fitxa tècnica NOM: Museu de la Ciència i de la Tècnica de Catalunya MUNICIPI: Terrassa (Vallés Occidental) APLICACIÓ: Instal·lació fotovoltaica integrada a façana amb connexió a la xarxa. NOMBRE DE MÒDULS FOTOVOLTAICS: 527 POTÈNCIA INSTAL·LADA: 39,7 kWp PRODUCCIÓ ELÈCTRICA ANUAL: 40.000 kWh/any PROJECTE: Teulades i Façanes Multifuncionals, S.A. (TFM) CÀLCUL I DIRECCIÓ DE L’ESTRUCTURA: Dr. Robert Brufau (arquitecte) DISSENY DE L’ESTRUCTURA: Sr. Quim Larrea i Sr. Francesc Patris (arquitectes) MUNTATGE DE L’ESTRUCTURA: COPCISA MÒDULS FOTOVOLTAICS: BP Sol 118

PROGRAMA D’ENERGETITZACIÓ AUTÒNOMA AMB ENERGIES RENOVABLES PARC NATURAL DEL MONTSENY – VALLÈS ORIENTAL

El Parc Natural del Montseny ha estat escenari del Programa d’Energetització Autònoma amb Energies Renovables (fotovoltaica, tèrmica i microhidràulica) que ha permès que vint-i-sis emplaçaments disposin d'un sistema que gestiona automàticament la demanda elèctrica dels habitatges. La potència total instal·lada és de 38,7 kWp. DESCRIPCIÓ Tot i que la major part de les instal·lacions són fotovoltaiques, algunes incorporen altres energies renovables (tèrmica i microhidràulica) com a suport i/o complement de l'electrificació, segons les necessitats de l'emplaçament. En aquest sentit, la tecnologia emprada per a l'electrificació fotovoltaica permet tenir un corrent elèctric a 230 V c.a. 50 Hz d’ona sinusoïdal, amb una perfecta estabilitat de tensió a 230 V; així com una energia a disposició assegurada (entre 1 i 6 kWh /dia) i una potència elèctrica (entre 1 i 4 kW) d’acord amb les necessitats. Per altra banda, s’han adoptat uns criteris de disseny que permetran: • augmentar la potència de la instal·lació fent els mínims canvis possibles, • donar més fiabilitat i garantia de servei en cas d’avaria, • estandarditzar els equips de tot el programa, • establir un sistema d’adquisició de dades per fer-ne un seguiment i per informar els usuaris. La instal·lació tipus compta amb els equips següents: Generació amb 12 plaques de silici monocristal·lí de 85 Wp de potència nominal unitària, amb un total de 1.020 Wp de potència instal·lada, muntats sobre una estructura de fusta tractada. Acumulació a base de 24 elements de bateria estacionària de 2V DC en vasos transparents de 400 Ah de capacitat en 100 hores de descàrrega a 48 V de tensió nominal. Regulació i transformació integrada a la centraleta solar fotovoltaica, configurada amb un ondulador d’1 a 4 kW, regulador de 50 A , supervisor de bateries que controla el flux d’energia i la desconnexió per bateria baixa i també activa el generador auxiliar depenent de l’estat de càrrega. La centraleta consta també del sistema d’adquisició de dades que registra de forma horària diversos paràmetres energètics i de funcionament del sistema Sistema de suport constituït per un grup electrogen com a carregador de bateries d’1kW i en alguns emplaçaments on es viable el seu aprofitament s’ha instal·lat una picoturbina hidràulica amb una potencia de 100 W En conjunt, les instal·lacions fotovoltaiques del Parc Natural del Montseny permeten cobrir les necessitats elèctriques de les vint-i-sis masies electrificades, amb una potència total instal·lada de 38,7 kWp i un consum estimat de 45.000 KWh/any. El projecte ha representat fer una inversió total de 109 milions de pessetes (655.000 euros). La gestió del programa va a càrrec de l’associació SEBA, que agrupa els mateixos usuaris d’aquestes instal·lacions actua com a promotora de les obres, fa el manteniment dels equips i també la capacitació i l’assessorament dels usuaris, a més de garantir una continuïtat del servei elèctric i una qualitat equiparable a la de la xarxa. La innovació més destacada d'aquest projecte ha estat el fet d’incorporar a l’equip de gestió de l'energia quadres de visualització remota que faciliten contínuament informació sobre l'estat de la instal·lació, incorporar relés telegestionats que permeten programar el funcionament de diversos electrodomèstics i gestionar d’una manera automatitzada la demanda elèctrica.

Fitxa tècnica NOM: Programa d’Energetització Autònoma amb Energies Renovables LLOC: Parc Natural del Montseny.(Vallès Oriental) APLICACIÓ: Instal·lacions FV autònomes POTÈNCIA UNITÀRIA INSTAL·LADA: entre 300 i 1.300 Wp. POTÈNCIA TOTAL INSTAL·LADA: 38,7 kWp. SUPERFÍCIE DE CAPTACIÓ TÈRMICA: 12 m2. PROMOTORS: SEBA, Diputacions Girona i Barcelona FINANÇAMENT: Programa Thermie de la DGXVII de la CE, Diputacions de Girona i Barcelona, MINER, Direcció General Energia de la Generalitat de Catalunya PROJECTE I DIRECCIÓ D’OBRA: Trama Tecnoambiental. 119

ELECTRIFICACIÓ AMB SISTEMA HÍBRID EÒLIC-FOTOVOLTAIC EN EL PARC CENTRAL DEL VALLÈS SABADELL - VALLÈS OCCIDENTAL

Es tracta d’un sistema autònom híbrid eòlic-fotovoltaic que té per objecte dotar d’energia elèctrica a una part dels consums de l’edifici principal del Centre de Divulgació Mediambiental del Parc Central del Vallès, amb una intenció bàsicament demostrativa de la tecnologia. Aquesta instal·lació real constitueix un complement pràctic adequat en cursos de capacitació per tècnics professionals i cursos de energia i medi ambient.

DESCRIPCIÓ Els equips instal·lats van ser els següents: -

-

-

-

Generació solar. Un camp fotovoltaic format per 60 plaques de silici monocristal.lí de 85 Wp de potencia nominal unitària que ocupen una superfície de 37.5 m2 i donen un total de 5.100 Wp de potencia instal·lada. Generació eòlica: Un aerogenerador tripala de 10 kW i 7 metres de diàmetre sobre una torre tubular autoportant de 18 metres d’alçada. Aquest aerogenerador està especialment dissenyat per aplicacions remotes, per la seva simplicitat, robustesa i escàs manteniment. El generador produeix energia elèctrica a baixes revolucions evitant l’ús del multiplicador. Acumulació: 60 elements de bateria de 2V CC. de 500 Ah de capacitat en 100 hores de descàrrega a 120 V de tensió nominal que correspon a una energia total acumulada de 60kWh Regulació i transformació: Equip Ciclops configurat per un carregador fotovoltaic de 5 kW, un carregador eòlic de 10 kW, un carregador de suport de 10 kW connectat a la xarxa, un ondulador de 10 kW i el sistema de registre de dades. Així, cada font generadora utilitza un carregador com interfase de càrrega de les bateries i com control i optimització de la pròpia font. El ondulador o convertidor, transforma la corrent continua de la bateria en corrent alterna trifàsica a una tensió de 220/380 V (50 Hz) i una ona sinusoïdal amb una distorsió inferior al 5%. Sistema de suport: Xarxa elèctrica que actua com simuladora d’un hipotètic grup electrogen diesel, que es el que s’utilitzaria quan el consum excedeix la producció de les fonts renovables

Aquest tipus d’instal·lacions tenen una aplicació normal en emplaçaments remots, allunyats de la xarxa elèctrica i en aplicacions concretes com petits nuclis residencials, explotacions agràries, petites indústries de transformació, tallers d’artesania, centres de turisme rural, estacions de telecomunicació, etc. En àrees urbanes aquest sistema te poc sentit degut al sobrecost dels acumuladors i la pèrdua de rendiment dels cicles de càrrega i descàrrega . La planta híbrida del Parc Central del Vallès te una intenció bàsicament demostrativa de la tecnologia, però l’energia generada es utilitzada per fornir una part significativa dels consums del Parc Central. Un projecte de concepte i dimensionament similar s’està realitzant a Mas de l’Avenç.Tavertet (Osona) per dotar d’electricitat a l’edifici principal de serveis i als 12 apartaments individuals de turisme rural.

Fitxa tècnica NOM: Parc Central del Vallès MUNICIPI: Sabadell (Vallès Occidental) APLICACIÓ: Instal·lació híbrida autònoma POTÈNCIA MÀXIMA: 10 kW ENERGÍA OBTINGUDA: 20 kWh/día PROMOTORS: Consorci del Parc Central del Vallès FINANÇAMENT: Consorci del Parc Central del Vallés, DGE de la Generalitat, Ecotecnia, PROJECTE I DIRECCIÓ: Ecotècnia. 120

INSTAL·LACIÓ FOTOVOLTAICA INTEGRADA A LA MARQUESINA D’UN PARKING PÀRKING BERGÉ Y CIA - PORT DE TARRAGONA - TARRAGONÉS Un part del pàrking d’automòbils de l’empresa Bergé y Cía S.A. situat al port de Tarragona ha estat equipat amb una instal·lació fotovoltàica integrada a la marquesina que cobreix els vehicles. Es tracta, fins avui, de la planta solar fotovoltaica privada més important d’Espanya i que no pertany a cap companyia elèctrica. La planta ocupa una 2 superfície efectiva de captació solar de 2.600 m . La instal·lació de 317,2 kWp de potència màxima, generarà uns 390 MWh anuals, producció energètica equivalent a l’energia que consumeixen uns 140 habitatges i que estalviarà la emissió a la atmosfera d’unes 50 tones de CO2.

DESCRIPCIÓ El camp fotovoltaic de la instal·lació Photocampa esta format per tres grups diferents, alimentats per tres grups d’inversors i amb una potència màxima de 317,2 kWp. En total, s’han instal·lat 2.992 mòduls fotovoltaics de silici monocristalí de 106 Wp de potència unitària. Al primer grup de tres inversors es troben connectats 2.835 mòduls (945x3) amb una tensió al punt de màxima potència de 609 V; al segon grup de sis inversors es troben 144 mòduls (24x8) amb una tensió de 417,6 V i al tercer grup, es troben connectats tretze mòduls (1 per inversor) . Els elements fotovoltaics foren enssamblats sobre estructures metàl·liques modulars de ferro galvanitzat del tipus marquesines de pàrking, de planta rectangular. Existeixen nou estructures amb 176 mòduls (8 fileres per 22 columnes), sis amb 168 (8x21), dues amb 136 (17x8) i una amb 128 2 (16x8). En total ocupen una superfície aproximada de 2.600 m . La producció anual estimada de la planta serà d’uns 390 MWh. Tenint en compte el consum mitjà elèctric anual d’un habitatge a Catalunya, aquesta quantitat d’energia correspon aproximadament al consum de 140 habitatges. La energia elèctrica obtinguda es vendrà a la companyia elèctrica, això suposarà obtindre uns ingressos anuals d’uns 84.400 EUR, d’acord amb el que determina el Decret 2818/1998 que estableix el preu de venda d’electricitat fotovoltaica en 0.22 EUR. La instal·lació no només suposarà beneficis energètics i econòmics, sinó que al mateix temps també reportarà beneficis ambientals, ja que la energia generada –equivalent a uns 33,6 teps anuals- evitarà la emissió a la atmosfera de 50 tones de CO2 anuals.

Fitxa tècnica NOM: Pàrking Bergé i Cia al Port de Tarragona. MUNICIPI: Tarragona (Tarragonès) APLICACIÓ: Instal·lació FV connectada a xarxa i integrada a la marquesina d’un pàrking. POTÈNCIA MÀXIMA: 317,2 kWp. NOMBRE DE MÒDULS: 2.992. 2 SUPERFÍCIE TOTAL: 2.600 m . PRODUCCIÓ D’ENERGIA: 390 MWh/any. ESTALVI CO2: 50 t/any PROMOTOR: Bergé y Cia PROJECTE I EXECUCIÓ: ISOFOTON, SA. Biohaus. Sunwatt France. Newcastle Photovoltaics Applications Centre (NPAC). Institut Català d’Energia. Solaring 121

ELECTRIFICACIÓ RURAL FOTOVOLTAICA CENTRALITZADA AL POBLE SAN FELICES AGÜERO - OSCA

El projecte d’electrificació es basa en una planta fotovoltaica autònoma que subministra energia elèctrica en corrent alterna a través d’una microxarxa de distribució. S’ha previst la instal·lació d’unes 15 escomeses, encara que inicialment subministra energia a sis vivendes, el saló comunal, el centre d’informació, l’església, un alberg/museu i l’enllumenat públic. Es tracta, doncs, d’una instal·lació centralitzada que requereix menys fotovoltaiques i bateries si es compara amb instal·lacions individuals, on cada vivenda seria alimentada per un sistema de generació independent. A més a més, permet la utilització d’un equip de transformació de potència i de regulació per al conjunt de cases, fent més senzilles les tasques de manteniment. DESCRIPCIÓ La instal·lació fotovoltaica de San Felices consisteix en 135 plaques fotovoltaiques (10.125kWp), integrades 2 a la coberta d’un edifici d’uns 90 m i que busca conjugar la funcionalitat amb el respecte per l’entorn natural i arquitectònic. L’edifici, de construcció de pedra, alberga els equips de regulació, control i transformació de l’energia elèctrica, les bateries (180 kW.h) i un grup electrogen d’emergència. També conté el saló comunal, que consisteix en un espai polivalent per trobades, sala de TV, etc., amb equipaments bàsics de bar i WC. L’actuació inclou també altres infrastructures que mancaven al poble i que formen importants i imprescindibles complements per al desenvolupament rural: la primera fase de la xarxa d’aigua i l’aigua calenta que funciona amb captadors solars tèrmics per a sanitaris i dutxes d’ús públic. Una millora en la fiabilitat del subministrament s’obté mitjançant la centraleta que controla els paràmetres de funcionament de la instal·lació. Des d’aquesta centraleta es realitza també la regulació de la càrrega de les bateries i la conversió de corrent contínua a corrent alterna de característiques idèntiques a la xarxa (230 V - 50 Hz). També es registren i analitzen les dades meteorològiques més significatives: temperatura ambient, irradiació solar i direcció i velocitat del vent. El servei és equivalent a la xarxa elèctrica convencional per a cobrir les necessitats d’enllumenat i utilització dels electrodomèstics més habituals, però requereix criteris d’ús racional de l’energia per part dels usuaris. A més a més, la generació centralitzada requereix una distribució adient als nivells de consum individuals. Amb aquesta finalitat s’ha instal·lat un dispensador medidor d’energia per a cadascuna de les vivendes amb l’objectiu de limitar i assegurar la quantitat d’energia disponible a cadascuna per a consumir en funció de les seves necessitats i d’acord amb la tarifa contractada.

Fitxa tècnica NOM: Poble San Felices MUNICIPI: San Felices (Agüero, Osca) APLICACIÓ: Instal·lació FV centralitzada autònoma POTÈNCIA INSTAL·LADA: 10.125 wp SUPERFÍCIE: 86m2 PROMOTORS: SEBA i Ajunt. Agüero. PROJECTE I DIRECCIÓ: Trama Tecnoambiental i Fraunhofer Institut. EQUIPS FV: BP Solar i TApS FINANÇAMENT: Programa Thermie, DGXVII de la CEE, MINER, Diputació General d’Aragó, Diputació d’Osca i Ajuntament Agüero..

Llegenda: 1) Camp fotovoltaic (potència nominal 10125 Wp), 2) Centraleta modular de regulació i adquisició de dades, 3) Acumuladors electroquímics (capacitat 3750 Ah (C100)), 4) Centraleta modular de transformació i ondulació (potència nominal 7500W i tensió de servei 230V-50Hz), 5) Carregador rectificador (potència màxima de càrrega 3000W), 6) Grup electrogen monofásic auxiliar (potència nominal 10000VA i combustible gas propà), 7) Equip de telefonia rural sense fils , 8) Estació meteorològica, 9) Captador solar tèrmic (superfície 5,7m2) i dipòsit d’aigua calenta (capacitat 400l), 10) Dispensador comptador d’energia elèctrica, 11) Quadre de visualització remota, 12) Relé telegestionat per control domótic, 13) Enllumenat públic amb balasto electrònic de doble nivell.

122

TEULADA FOTOVOLTAICA CONNECTADA A LA XARXA ELÈCTRICA EDIFICI NOU, AJUNTAMENT DE BARCELONA – EL BARCELONÈS

L’edifici “Nou” de l’Ajuntament de Barcelona compta des de maig de 2000 amb una instal·lació fotovoltaica de 39,5 kWp de potència i una superfície de captació 2 de prop de 300 m . La producció anual de la instal·lació es preveu que superi els 40 MWh, energia elèctrica que ja està sent injectada a la xarxa elèctrica general. La coberta no ha estat dimensionada en funció de les necessitats energètiques de les oficines públiques, sinó que, ha estat condicionada a la superfície disponible i a criteris estètics arquitectònics. S’ha dissenyat com una minicentral elèctrica que aboca l’energia produïda a la xarxa general, raó per la qual no ha calgut la instal·lació de bateries per acumular l’electricitat i proporcionar l’autonomia suficient que li caldria a un edifici aïllat de la xarxa.

DESCRIPCIÓ La instal·lació fotovoltaica està formada per tres subcamps: dos amb elements opacs estàndards i un amb laminats semitransparents. En total, la instal·lació té 465 mòduls fotovoltaics que ocupen una superfície de 294 2 m , i amb els quals s’assoleix una potència màxima de 39,5 kWp en condicions estàndards de funcionament. Totes les plaques estan disposades en la teulada amb una inclinació de 6º respecte l’horitzontal, i amb una orientació de 15º Est, amb l’objecte d’integrar arquitectònicament la instal·lació en la teulada de l’edifici. Per aquest motiu, la potència instantània mai no correspondrà a la potència instal·lada, sinó que com a màxim serà d’un 85%. Els onduladors es van haver de dimensionar, per tant, en funció d’aquest valor màxim, i també de les diferents tecnologies utilitzades en cada subcamp, raó per la qual es va optar per seleccionar un únic model d’ondulador per a tots els camps que té una eficiència energètica superior al 92%. La instal·lació fotovoltaica disposa de 3 tipus de quadres per a la protecció elèctrica del camp i la seva connexió a la xarxa general. Un quadre de sortida en cadascun dels subcamps on hi ha les proteccions de cablejat per a la distribució d’energia en forma de corrent continu. Un quadre de proteccions en corrent altern al que arriben les diferents línies procedents de cada camp i s’ajunten en una única línia que es connecta amb l’escomesa de la companyia elèctrica; en aquest quadre hi ha també el comptador d’energia produïda. També hi ha un sistema de seguiment i monitorització que consta d’un PC, un datalogger per als onduladors, un analitzador de xarxa, dos sensors de temperatura de mòdul, una cèl·lula fotovoltaica calibrada i una estació meteorològica, amb 3 programes informàtics d’adquisició i presentació. Des de la seva posada en funcionament el juny de 2000 fins a finals de març de 2001, la instal·lació ha generat 29111 kWh, als quals cal afegir 700 kWh més generats durant el període de proves. El mes de màxima producció va ser juliol, amb poc més de 5.000 kWh, mentre que el de menor producció va ser desembre, amb gairebé 1.300 kWh. Tanmateix, la producció elèctrica realitzada per la instal·lació durant aquest període de funcionament no només ha suposat l’aprofitament d’un recurs energètic net i renovable, sinó que ha estalviat l’emissió a l’atmosfera d’unes 3 tones de CO2, un dels principals gasos responsables de l’efecte hivernacle.

Fitxa tècnica NOM: Edifici “Nou”, Ajuntament de Barcelona. MUNICIPI: Barcelona (Barcelonés) APLICACIÓ: Instal·lació FV sobre teulada d’edifici i connectada a la xarxa elèctrica. POTÈNCIA MÀXIMA: 39,5 KWP. 2 SUPERFÍCIE DE CAPTACIÓ: 294 M . PRODUCCIÓ ELÈCTRICA: 40 MWh/any ESTALVI D’EMISSIONS DE CO2: (juny - març 2001) 6,41T PROJECTE ARQUITECTÒNIC: Manuel Brullet Tenas PROJECTE TÈCNIC: Ajuntament de Barcelona i Teulades i Façanes Multifuncionals, S.A. (TFM)

123

TORRES D’IL·LUMINACIÓ AMB INTEGRACIÓ D’INSTAL·LACIÓ FOTOVOLTAICA CONNEXIÓ A XARXA DE 5 KW. HOSPITALET DE LLOBREGAT - BARCELONA

En els Jardins del sector industrial Pedrosa del Municipi de l’Hospitalet de Llobregat, s’han instal·lat dues faroles a on s’hi ha integrat una planta generadora d’energia elèctrica (fotovoltaica) formada per un total de 36 mòduls fotovoltaics (18 mòduls a cada farola), per encàrrec de l’Ajuntament d’aquesta ciutat. La instal·lació compta amb dues torres d’il·luminació amb alimentació de la xarxa pública elèctrica, i disposa en la seva estructura una instal·lació fotovoltaica de connexió a la xarxa de 2,5 kW cada una, que en el seu recorregut després de l’inversor, s’ajunten per a formar una instal·lació de 5 kW de potència. Per tant, es pot parlar de dues instal·lacions que tot i estar integrades són independents. .

DESCRIPCIÓ Instal·lació FV de connexió a xarxa: Formada per dos camps de mòduls fotovoltaics sostinguts per l’estructura de la torre d’il·luminació i que a la vegada els hi dóna una inclinació de 30º respecte a l’horitzontal i els orienta a sud. Cada un dels dos camps consta de 18 mòduls Isofotón I-159 de 159 Wp, resultant en 5.724 Wp instal·lats. La instal·lació fotovoltaica es completa amb dos inversors de 2,5 kW, dos comptadors elèctrics (entrada/sortida) i un sistema de monitorització i control de la planta que permet tant in situ com a distància, saber en tot moment els principals paràmetres de funcionament. Aquestes tasques es realitzen amb la intervenció d’un equip de captura de dades, un interface telefònic i un receptor tipus fax. Torres d’il·luminació: Es tracta de dues faroles de 13 metres d’alçada construïdes amb acer Cor-ten que, per la seva durabilitat i la particularitat de crear una làmina protectora d’òxid, garanteix una autoprotecció de l’acer. Els dos focus d’il·luminació estan situats a 12,8 i 5,6 metres d’alçada respectivament i sempre en les parts terminals dels màstils. Es tracta de dos projectors en xapa d’alumini embotit de 400 i 250 W i en hal·logenurs metàl·lics. S’ubiquen empotrats en orificis practicats en els màstils. La venda d’energia elèctrica procedent de sistemes fotovoltaics amb potència màxima d’injecció de 5 kW, com aquest cas, es realitza a 0,4 /kWh. L’energia elèctrica necessària per a la il·luminació del parc s’acollirà a alguna de les tarifes elèctriques de la companyia distribuïdora, a un cost per kWh inferior al de la venda d’energia fotovoltaica El resultat és una instal·lació autosostenible, que durant el dia injecta energia elèctrica a la xarxa de distribució pública per un valor aproximat de 7.771 kWh/any, mentre que el consum de la il·luminació (amb una mitjana de 12 hores/dia de funcionament) s’eleva a 5.606 kWh/any.

Fitxa tècnica NOM: Jardins Pedrosa MUNICIPI: Hospitalet (Barcelonés) APLICACIÓ: Instal·lació FV connectada a xarxa integrada a torres d’il·luminació. PROMOTOR: Ajuntament Hospitalet ENGINYERIA I INSTAL·LACIÓ:Solar

Ingeniería 2000, S.A. ARQUITECTURA:

Alessandro

Caviasca FINANÇAMENT: Projecte PVSalsa del Programa Energie de la DGTREN. CCE 124