Energia solar fotovoltaica

Panell solar fotovoltaic.

L'energia solar fotovoltaica és una metodologia d'obtenció d'energia elèctrica gràcies a cèl·lules fotoelèctriques.[1] És una font d'energia renovable[2] que comptava, el 2019, amb una capacitat de producció de 600 GW al nivell mundial[3] Els panells solars es poden instal·lar tant a la superfície terrestre com integrats en les parets o sostres d'edificis existents. Així mateix es poden integrar específicament en enginys com ara vehicles, fanals, màquines de venda autònomes, etc.

EtimologiaModifica

El terme fotovoltaic prové de la paraula grega φῶς (phōs, que significa "llum") i "volt", la unitat de força electromotriu (denominada així en honor a Alessandro Volta, l'inventor de la pila electroquímica).

HistòriaModifica

L'efecte fotovoltaic es va reconèixer per primera vegada el 1839 pel físic francès Becquerel.[4] Tanmateix, no va ser fins a l'any 1883 que va ser construïda la primera cèl·lula solar per Charles Fritts amb una eficiència d'un 1%. Durant la primera meitat del segle xx diverses van ser les millores per augmentar la seva eficiència. El 1946, Russel Ohl va patentar la moderna unió entre els materials semiconductors que actualment s'utilitza. Però l'avanç tecnològic més important va arribar l'any 1954 quan els Laboratoris Bell, experimentant amb semiconductors, van desenvolupar la primera cèl·lula fotovoltaica de silici, amb un rendiment del 4,5%.

TipusModifica

Les plaques solars es divideixen en dues grans famílies les cristal·lines: amb silici cristal·litzat, i les amorfes, amb silici no cristal·litzat. A la vegada les cristal·lines es divideixen entre les monocristal·lines, amb un sol cristall de silici i les policristal·lines, amb més d'un cristall de silici. Les cèl·lules fotovoltaiques més utilitzades en l'actualitat són les de silici monocristal·lí. L'evolució tecnològica de les plaques solars es distingeix de moment en quatre generacions.

Primera generació La primera generació de cèl·lules fotovoltaiques consistien en una gran superfície de vidre simple. Una simple capa amb unió díode, capaç de generar energia elèctrica a partir de fonts de llum amb longituds d'ona similars a les que arriben a la superfície de la Terra provinents del Sol. Aquestes cèl·lules estan fabricades, normalment, en un procés de difusió amb hòsties de silici. Aquesta primera generació és, actualment, la tecnologia dominant en la producció comercial i constitueixen, aproximadament, el 86% del mercat de cèl·lules solars terrestres.

Segona generació La segona generació de materials fotovoltaics estan basats en capes molt fines (poc micròmetres) de materials semiconductors.[5] Es basen en l'ús de dipòsits epitaxials dp molt prims de semiconductors amb concentradors. Hi ha dos tipus de cèl·lules fotovoltaiques epitaxials: les espacials i les terrestres. Les cèl·lules espacials, normalment, tenen eficiències més altes (28-30%), però tenen un cost per vat més alt. En les terrestres la pel·lícula prima s'ha desenvolupat usant processos de baix cost, però tenen una eficiència més baixa (7-9%),, i, per raons evidents, es qüestionen per a aplicacions espacials.

Tercera generació

La tercera generació de cèl·lules fotovoltaiques, que s'estan proposant en l'actualitat, són molt diferents dels dispositius semiconductors de les generacions anteriors, ja que realment no presenten la tradicional unió per separar els portadors de càrrega fotogenerados. Actualment es troben en fase d'investigació dispositius que inclouen cèl·lules fotoelectroquímiques, cèl·lules solars de polímers, cèl·lules solars de nanocristalls i cèl·lules solars de tintes sensibilitzades

Quarta generació

Una hipotètica quarta generació de cèl·lules solars consistiria en una tecnologia fotovoltaica composta en què es barregen, conjuntament, nanopartícules amb polímers per fabricar una capa simple multiespectral, és a dir, que aconseguís absorbir moltes freqüències d'ona. Posteriorment, diverses capes primes multiespectrals es podrien apilar per fabricar les cèl·lules solars multiespectrals definitives. La primera capa és la que converteix els diferents tipus de llum, la segona és per a la conversió d'energia i la darrera és una capa per l'espectre infraroig. D'aquesta manera es converteix part de la calor en energia aprofitable.

Principi de funcionamentModifica

Article principal: Cèl·lula fotoelèctrica

L'acoblament en sèrie de diversos d'aquests díodes òptics permet l'obtenció de voltatges majors en configuracions molt senzilles, i aptes per a petits dispositius electrònics. A major escala, el corrent elèctric continu que proporcionen les plaques fotovoltaiques es pot transformar en corrent altern i injectar en xarxa, operació que és poc rendible econòmicament i que precisa encara de subvencions per a la seva viabilitat. En entorns aïllats, on es requereix poc corrent elèctric i l'accés a la xarxa està penalitzat econòmicament per la distància, com refugis de muntanya, estacions meteorològiques o de comunicacions, s'empren les plaques fotovoltaiques com a alternativa econòmicament viable.

 
Cèl·lula fotovoltaica

Les cèl·lules fotoelèctriques són el principal component de la placa fotovoltaica. Són uns dispositius semiconductors que en rebre radiació solar s'exciten, provoquen salts electrònics i una petita diferència de potencial tipus díode en els seus extrems (corrent elèctric).[6]

Avantatges de l'energia fotovoltaicaModifica

La radiació solar que arriba a la superfície terrestre és de 122 PW de potència; quasi 10.000 vegades el consum total d'energia elèctrica a la terra durant l'any 2005.[7] Aquesta abundància energètica fa preveure que podria esdevenir la font principal d'energia primària utilitzada per la humanitat.[8] A més a més la generació d'electricitat fotovoltaica és l'energia renovable amb una major densitat d'energia, amb una mitjana de 170 W/m2.[7]

Tot i la contaminació produïda al moment de la fabricació dels panells, la mateixa producció d'energia no produeix cap pol·lució. Així mateix al final del cicle de vida dels panells se'n pot fer una gestió dels residus i actualment es troben en desenvolupament tecnologies de reciclatge dels materials,[9] així com polítiques que incentiven el reciclatge per part dels fabricants d'aquesta tecnologia.[10]

Les instal·lacions fotovoltaiques tenen una vida útil de fins estimada a uns treinta anys, amb un màxim de quaranta.[11] A més un cop realitzada la instal·lació tenen uns costos operatius i de manteniment molt baixos comparats amb altres tecnologies de generació d'electricitat. Un estudi de l'International Renewable Energy Agency (IRENA) estima que el volum de residus va créixer de 0,43 milió de tonelades el 2016 a ± 6 milions de tonelades per any el 2050.[12] IRENA és optimista en constatar que el creixement és previsible i es poden desenvolupar tècniques industrials d'urban mining eficients: un mercat estimat a crear un valor de 15.000 milions de dòlars (llocs de treball i primeres matèries).[13] Queda prou temps per preparar-se, com que la primera gran ona de residus arribarà només des de 2030, per l'obsolescència de les instal·lacions de la fi del segle xx.[14]

Inconvenients de l'energia fotovoltaicaModifica

Tot i emprar una font d'energia renovable la producció d'electricitat mitjançant plaques fotovoltaiques no està exempta d'impactes ambientals. Es poden diferenciar els impactes deguts a la producció de les plaques (amb l'ús de minerals i productes químics que poden ser contaminants), els directes en el seu ús (per exemple l'ús del sòl) i en el seu reciclatge al final de la seva vida útil.[15]

Els principals impactes per la seva naturalesa són; químics, abocaments de sòlids, líquids i gasos; físics, tèrmics, climàtics, acústics, visuals; biològics, impactes sobre l'ecosistema i la salut humana; i l'ús massiu del terreny i de les matèries primeres. Els materials que s'utilitzen o que s'han proposat per la fabricació de cèl·lules solars són variats: silici (cristal·litzat i amorf), germani, seleni, AsGa, selenurs de coure (SeCu i Se2CuGa), sulfurs diversos i òxids de coure entre d'altres. En la fabricació d'aquests materials es produeixen emissions de TeCd, B2H6, BCl3, H2, HF, SeH2, SH2, CH4, PH3, POCl3, P2O5, FH3, F4Si, P2Zn3, entre d'altres i vapors metàl·lics, alguns tòxics. Per altra banda, tot i que l'arsenur de gal·li (AsGa) no és molt tòxic en el seu estat dissociat, sí que ho són els seus compostos que poden produir des d'irritacions a la pell fins a problemes naturals més greus. S'estima que per a la producció de sulfur de cadmi, per cèl·lules que produïssin 100.000 MW/any s'obtindrien unes emissions aproximades de 34 Tm/any (Tm indica tona). Per tant, la fabricació de plaques fotovoltaiques és un procés complicat que necessita una gran diversitat de matèries primeres que té un impacte mediambiental al moment de la producció.

Un altre inconvenient és el seu cost elevat a causa que el silici no es troba en estat pur i existeixen diversos elements de difícil eliminació. Per altra banda, s'ha de fondre i fer-lo créixer per a formar un monocristall, etapa en la qual s'inverteix molt temps i molta energia.[cal citació] D'un altre costat, la proporció «pes per potència» continua millorant: si el 1980 una instal·lació d'una potència d'un kW pesava 160 kg, el 2019 n'hi ha prou amb 60 kg i aquest continua baixant. Dit altrament: el volum de residus per potència minva.[16] A més, la tecnologia redueix progressivament els components cars (com l'argent) o tòxics, per una mateixa potència.[17] Si el reciclatge de material obsolet costa molta energia, l'impacte mediambiental és alhora redueix nogensmenys considerablement si aquesta energia és energia neta.

EficiènciaModifica

 
Línia de temps de l'eficiència de conversió d'energia des de 1976 de les diferents tecnologies en mòduls fotovoltaics

Depenent de la construcció, els mòduls fotovoltaics poden produir electricitat a partir d'una gamma concreta de freqüències de la llum, però en general no pot cobrir tota la gamma solar (en concret, les llums ultraviolada, infraroja i baixa o difusa). Per tant, gran part de l'energia de la llum solar incident no s'aprofita pels mòduls solars, que podrien donar eficiències molt superiors si s'il·luminessin amb llum monocromàtica. Per tant, un altre concepte de disseny és la de dividir la llum en diferents longituds d'ona i dirigir els feixos en diferents cèl·lules sintonitzades en aquests rangs. [cal citació] Això ha estat projectat per a ser capaç d'elevar l'eficiència en un 50%. Científics de Spectrolab, una filial de Boeing, han informat del desenvolupament de cèl·lules solars multi-unió amb una eficiència de més del 40%, un nou rècord mundial de cèl·lules solars fotovoltaiques[18] Aquells científics també prediuen que les cèl·lules solars de concentració podrien arribar eficiències de més de 45% o fins i tot 50% en el futur, amb eficiències teòriques del voltant del 58% en les cèl·lules amb més de tres unions.

L'eficiència o taxa millor de conversió de la llum solar continua augmentant. Dels 4,5% de la primera cel·lula desenvolupat pels Laboratoris Bell el 1954,[19] Hoffman Electric va realitzar 14% el 1960, el 2016 el National Renewable Energy Laboratory i el Swiss Center for Electronics and Microtechnology va atènyer fins a 29,8%.[20]

Potència instal·ladaModifica

 
El sostre de la plaça del Fòrum de Barcelona és una central fotovoltaica

Entre els anys 2001 i 2014 s'ha produït un increment exponencial de la producció d'energia fotovoltaica, doblant-se aproximadament cada dos anys.[21] La potència total instal·lada al món (amb connexió a la xarxa elèctrica) arribava a 7,6 GW el 2007, 16 GW el 2008, 23 GW el 2009, 40 GW el 2010, 70 GW el 2011 i 100 GW el 2012.[22][23][24] De 140 de GW de potència el 2013 al món,[25] va passar a 600 GW el 2019 i es pronostica que atènyerà entre 1400 i 1600 GW el 2023[3] i l'any 2050 seran uns 4500GW.

A Catalunya, el Parc solar Ramon Escriche a Flix és el més gran del món utilitzant la tecnologia de cel·lules fotovoltaïques de triple unió.[26] El 2013 la potència instal·lada hi era de 264,9 MW, només 2% de la potència total,[27] el 2018 havia pujat cap a 390,3 MW. A les Illes Balears la producció era de poc menys de 3% el 2018 que hauria de crèixer cap a 10% del consum gràcies a una vintena de noves instal·lacions, després de deu anys d'estancament.[28]

Plantes fotovoltaiques amb connexió a la xarxa[Cal actualitzar]Modifica

 
Parc solar Lauingen Energy Park, de 25,7 MW a Suabia (Baviera, Alemanya)
 
Parc solar de Waldpolenz, Alemanya

Tant a Europa com a la resta del món s'han construït nombroses centrals fotovoltaiques de gran escala.[29] A data d'abril de 2014 les plantes fotovoltaiques més grans del món eren, segons la seva capacitat de producció:[29]

Projecte País
Potència
Any
Longyangxia Hydro-solar PV Station   Xina 320 MW 2013
California Valley Solar Ranch   Estats Units 250 MW 2013
Agua Caliente Solar Project   Estats Units 250 MW 2012
Charanka Solar Park   Índia 214 MW 2012
Gonghe Industrial Park Phase I   Xina 200 MW 2013
Golmud Solar Park   Xina 200 MW 2011
Centinela Solar   Estats Units 170 MW 2014
Solarpark Meuro   Alemanya 166 MW 2011-2012
Mesquite Solar I   Estats Units 150 MW 2011-2012
Solarpark Neuhardenberg   Alemanya 145 MW 2012
Catelina Solar Project   Estats Units 143 MW 2013
Campo Verde Solar Project   Estats Units 139 MW 2013
Solarpark Templin   Alemanya 128 MW 2012
Arlington Valley Solar Energy II   Estats Units 125 MW 2013
Centrale solaire de Toul-Rosières   França 115 MW 2012
Perovo Solar Park   Ucraïna 105 MW 2011
Chengde PV Project   Xina 100 MW 2013
Jiayuguan PV power plant   Xina 100 MW 2013

ReferènciesModifica

  1. «How Thin-film Solar Cells Work» (en anglès). How stuff works.com. [Consulta: 20 febrer 2013].
  2. Pearce, Joshua «open access Photovoltaics – A Path to Sustainable Futures». Futures, 34, 7, 2002, pàg. 663–674. DOI: 10.1016/S0016-3287(02)00008-3.
  3. 3,0 3,1 «Solar photovoltaics» (en anglès). The International Energy Agency, 2019. [Consulta: 2 setembre 2019].
  4. Hanania, Jordan; Stenhouse, Kailyn; Donev, Jason. «Photovoltaic Effect?» (en anglès). Energy Education. University of Calgary, 26-08-2015. [Consulta: 2 setembre 2019].
  5. «My Advice: Understand the Advantages, Disadvantages of Different Solar Cells and Who the Market Leaders Are». Alchemie Limited Inc.. [Consulta: 23 octubre 2014].
  6. «efecte fotovoltaic». L'Enciclopèdia.cat. Barcelona: Grup Enciclopèdia Catalana.
  7. 7,0 7,1 Smil, Vaclav. «Energy at the Crossroads». A: Conference on Scientific Challenges for Energy Research (en anglès). OECE, 2006. 
  8. Aubrecht, Gordon. «Renewable Energy: Is the Future in Nuclear?» (vídeo) (en anglès). TEDxColumbus, The Innovators, 18-10-2012.
  9. Nieuwlaar, Evert.. Environmental aspects of PV power systems : report on the IEA PVPS Task 1 Workshop, 25-27 June 1997, Utrecht, the Netherlands. Utrecht, the Netherlands: Utrecht University, 1997. ISBN 9073958326. 
  10. McDonald, N.C.; Pearce, J.M. «Producer Responsibility and Recycling Solar Photovoltaic Modules». Energy Policy, 38, 11, 2010, pàg. 7041. DOI: 10.1016/j.enpol.2010.07.023.
  11. «End-of-life management: Solar Photovoltaic Panels» (en anglès). International Renewable Energy Agency (IRENA), juny 2016. [Consulta: 2 setembre 2019].
  12. Stephanie Weckend Andreas , Garvin, Stephanie; Wade, Andreas; Heath, Garvin. End-of-life management: Solar Photovoltaic Panels (en anglès). Abu Dhabi, Bonn, Nova York: International Renewable Energy Agency & IEA Photovoltaic Power Systems Programme, p. 100. ISBN 978-92-95111-99-8. 
  13. IRENA - End-of-life management, 2016, p. 13.
  14. IRENA - End-of-life management, 2016, p. 20.
  15. «Environmental Impacts of Solar Power». Union of Concerned Scientists. [Consulta: 14 octubre 2014].
  16. IRENA - End-of-life management, 2016, p. 27.
  17. IRENA - End-of-life management, 2016, p. 75 ss..
  18. KING, R.R., et al., Appl. Phys. Letters 90 (2007) 183516.
  19. Bostan, Ion; Gheorghe, Adrian V.; Dulgheru, Valeriu; Sobor, Ion; Bostan, Viorel. Resilient Energy Systems: Renewables: Wind, Solar, Hydro (en anglès). Springer Science & Business Media, 2012-06-14, p. 128. ISBN 9789400741898. 
  20. «Tracking Solar Panel Efficiency» (en anglès). Energysage, 16-03-2017. [Consulta: 2 setembre 2019].
  21. Roper, L. David. «World Photovoltaic Energy» (en anglès), 24-08-2011. [Consulta: 23 febrer 2013].
  22. REN21 (2009). Renewables Global Status Report: 2009 Update p. 9.
  23. Martinot, Eric and Sawin, Janet (9 de septiembre de 2009). Renewables Global Status Report 2009 Update, Renewable Energy World.
  24. «La fotovoltaica instalada en el mundo supera los 100 GW» (en castellà). Energías renovables.com, 12-02-2013. [Consulta: 23 febrer 2013].
  25. «Global Solar Forecast – A Brighter Outlook for Global PV Installations» (en anglès). [Consulta: 30 desembre 2013].
  26. Salas, Vicente. National Survey Report of PV Power Applications in Spain 2008 (pdf) (en anglès). International Energy Agency Co-operative Programme on Photovoltaic Power Systems, juliol del 2009, p. 19-21. 
  27. «Potència elèctrica bruta instal·lada a Catalunya». Idescat, 2013.
  28. Tudurí, Carles «Les Illes triplicaran la seva producció d'energia fotovoltaica en dos anys gràcies a 40 milions en ajudes». Ara Balears, 17-12-2018.
  29. 29,0 29,1 Lenardic, Denis. «Large-scale photovoltaic power plants ranking 1 – 50» (en anglès). PV Resources, 16-11-2013. [Consulta: 4 gener 2014].

Vegeu tambéModifica

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Energia solar fotovoltaica