Viquipèdia

Panell fotovoltaic: diferència entre les revisions

Exploració interactiva de l'historial
← Edició anteriorEdició següent →
Contingut suprimit Contingut afegit
VisualWikitext
Last2:Orig+copy
Cap resum de modificació
Línia 2:
[[File: SolarpanelBp.JPG|thumb|350px|Panells solars.]]
 
Els '''panells solars fotovoltaics''', '''mòduls fotovoltaics '''o''' col·lectors solars fotovoltaics''' (anomenats de vegades [[Panell solar|panells solars]], encara que aquesta denominació inclou altres dispositius),<ref group="nota1">També anomenat ''mòdul'', ''placa'', ''captador'', ''plafó'' o ''col·lector solar fotovoltaic''</ref> estan formats per un conjunt de [[cèl·lula fotovoltaica|cèlcel·lulesles fotovoltaiques]] que produeixen [[electricitat]] a partir de la [[llum]] que incideix sobre ells ([[energia solar fotovoltaica|energia solar]]). El paràmetre estandarditzat per a classificar la seva potència s'anomena [[potència pic]], i es correspon amb la potència màxima que el mòdul pot lliurar sota unes condicions estandarditzades, que són una radiació de 1000 W/m² i una temperatura de cèl·lula de 25 °C (és a dir, una temperatura ambient d'uns 5 °C). A temperatures ambientals superiors a 5 °C el rendiment dels panells disminueix. Per exemple, als Països Catalans el rendiment és un 10% inferior a causa de les condicions climàtiques.
 
== Tipus de panells fotovoltaics ==
Les plaques fotovoltaiques es divideixen en:
 
* CèlCel·lulesles TFS: com les usades a les calculadores. Són flexibles i es poden adaptar a formes diverses, com per exemple maons semicilíndrics.
* Cristal·lines
* Cel·les cristal·lines
** Monocristal·lines: es componen de seccions d'un únic cristall de silici (forma circular o octogonal, on els 4 costats curts, si s'observa, s'aprecia que són corbs, pel fet que és una cèl·lula circular retallada).
** Policristal·lines: estan formades per petites partícules cristall. No tenen aparença uniforme pel que fa al color, es veuen una mena d'aigües. Tampoc presenten espais buits. Són més econòmiques que les monocristal·lines però també menys eficients.
* De concentració (panell termofotovoltaictermo-fotovoltaic): permetpermeten estalviar superfície i produeix aigua calenta a méspart d'electricitat. És més car que els panells plans.
* Panell bifacial: de material NPN (negatiu-positiu-negatiu). Panell pla que capta llum solar per les seves dues cares, amb l'ajuda d'un mirall que reflecteix els rajos solars per tal que arribin a la cara del panell no encarada al sol. És dels menys habituals.
* Amòrfones: de PVC, adopten la forma de l'objecte sobre el qual es disposen. Es fan servir a cobertes molt grans que de tota manera s'han de cobrir, substituint una tela fàlticaasfàltica. El seu rendiment és molt baix, del voltant del 6%, però surten a compte perquè el seu preu és molt econòmic. Existeixen igualment pintures amb efecte fotovoltaic.
 
La seva efectivitat és major com més grans són els vidres, però també el seu pes, gruix i cost. El rendiment de les primeres pot arribar al 20% mentre que el de les últimes pot no arribar al 10%, però el seu cost i pes és molt inferior.<ref>Omar Ellabban, Haitham Abu-Rub, Frede Blaabjerg, ''Renewable energy resources: Current status, future prospects and their enabling technology. [[Renewable and Sustainable Energy Reviews]] 39, (2014), 748–764, S. 754, {{DOI|10.1016/j.rser.2014.07.113}}</ref> La placa fotovoltaica està dissenyada per suportar les condicions que es donen a l'aire lliure i poder formar part de la “pell” de l'edifici. La seva vida útil es considera de 25 anys.<ref>{{Ref-llibre |cognom=Grams |nom=George |títol=Policies and Strategies for Ecological Building Design |url=http://books.google.cat/books?id=b-OqVJk5R0kC&pg=PA54&dq=Solar+panel+life+expectancy+25+years&hl=ca&sa=X&ei=z_v-UtzaA4K9ygOTy4CIAg&ved=0CFwQ6AEwBg#v=onepage&q=Solar%20panel%20life%20expectancy%2025%20years&f=false |llengua=anglès |editorial=Red Eye Publications |data=2005 |pàgines=54 |isbn=0973761008}}</ref>
 
Les cèlcel·lulesles s'encapsulen en una [[resina]], i es col·loquen entre dues làmines per formar els mòduls fotovoltaics. La làmina exterior és de [[vidre]] i la posterior pot ser de [[plàstic]] opac o de vidre, si es vol fer un mòdul semitransparent.
 
A l'hemisferi nord, cal orientar les plaques, en direcció sud i amb una inclinació determinada. La més apropiada en cada emplaçament depèn de la [[latitud]] i de l'època de l'any, sent aconsellable l'estudi de [[radiació solar]] rebuda per a cada emplaçament. A [[Catalunya]], l'[[Atles de Radiació Solar]] facilita aquest treball. D'altra banda la inclinació dels mòduls variarà en funció de les necessitats energètiques previstes i del període d'utilització, per tal de fer un balanç estacional (hivern, estiu) o anual.
Linha 23 ⟶ 24:
El terme fotovoltaic prové del grec φώς: '' phos '', que significa "llum" i voltaic, que prové del camp de l'electricitat, en honor al físic italià [[Alessandro Volta]], (que també proporciona el terme [[volt]] a la unitat de mesura de la diferència de potencial en el [[Sistema Internacional]] de mesures). El terme fotovoltaic es va començar a utilitzar a Anglaterra des de l'any 1849.
 
L'[[efecte fotovoltaic]] va ser reconegut per primera vegada el 1839 pel físic francès [[Antoine Henri Becquerel]], però la primera cèl·lula solar no es va construir fins a 1883. El seu autor va ser [[Charles Fritts]], qui va recobrir una mostra de [[seleni]] [[semiconductor]] amb un pa d'[[or]] per formar l'entroncament. Aquest primitiu dispositiu presentava una eficiència de només un 1%. [[Russell Ohl]] va patentar la cèl·lula solar moderna l'any 1946, tot i que [[Sven Ason Berglund]] ja l'havia patentat, amb anterioritat, un mètode que tractava d'incrementar la capacitat de les cèlcel·lulesles fotosensibles.
 
L'era moderna de la tecnologia de potència solar no va arribar fins a l'any 1954 quan els Laboratoris Bell, van descobrir, de manera accidental, que els semiconductors de silici dopat amb certes impureses, eren molt sensibles a la llum.
 
Aquests avenços van contribuir a la fabricació de la primera cèl·lula solar comercial amb una conversió de l'energia solar d'aproximadament el 6%. L'[[URSS]] va llançar el seu primer [[Satèl·lit artificial|satèl·lit espacial]] l'any 1957, i els EUA un any després. En el disseny d'aquest es van usar cèlcel·lulesles solars creades per [[Peter Illes]] en un esforç encapçalat per la companyia Hoffman Electronics.
 
La primera nau espacial que va usar panells solars va ser el satèl·lit nord-americà ''[[Vanguard 1]]'', llançat el març de 1958.<ref>{{ref-llibre|títol = Vanguard I - the World's oldest Satellite Still in Orbit|url = http:///code8200.nrl.navy.mil/vanguard.html|consulta = 12 d'agost de 2.008|llengua = anglès}}</ref> Aquesta fita va generar un gran interès en la producció i llançament de [[satèl·lits geoestacionaris]] per al desenvolupament de les comunicacions, en els quals l'energia provindria d'un dispositiu de captació de la llum solar. Va ser un desenvolupament crucial que va estimular la investigació per part d'alguns governs i que va impulsar la millora dels panells solars.
Linha 33 ⟶ 34:
El 1970 la primera cèl·lula solar amb heteroestructura d'[[arsenur de gal·li]] (GaAs) i altament eficient es va desenvolupar en l'extinta URSS per [[Zhora Alferov]] i el seu equip d'investigació.
 
La producció d'equips de deposició química de metalls per vapors orgànics o MOCVD (de l'anglès ''Metall Organic Chemical Vapor Deposition''), no es va desenvolupar fins als anys 80 del segle passat, limitant la capacitat de les companyies en la manufactura de cèlcel·lulesles solars d'arsenur de gali. La primera companyia que manufacturar panells solars en quantitats industrials, a partir d'unions simples de GaAs, amb una eficiència de AM0 (Air Mass Zero) del 17% va ser la nord-americana ASEC (de l'anglès ''Applied Solar Energy Corporation''). La connexió dual de la cel es va produir en quantitats industrials per ASEC el 1989, de manera accidental, com a conseqüència d'un canvi del GaAs sobre els substrats de GaAs a GaAs sobre substrats de [[germani]].
 
El dopatge accidental de germani (Ge) amb GaAs com a capa amortidora va crear circuits de voltatge oberts, demostrant el potencial de l'ús dels substrats de germani com altres cel. Una cel d'unions simples de GaAs va arribar al 19% d'eficiència AM0 el 1993. ASEC desenvolupar la primera cel de doble unió per les naus espacials usades en els EUA, amb una eficiència d'un 20% aproximadament.
 
Aquestes cel no usen el germani com a segona cel, però usen una cel obtinguda a partir de GaAs amb diferents tipus de dopatge. De manera excepcional, les cèlcel·lulesles de doble unió de GaAs poden arribar a produir eficiències AM0 de l'ordre del 22%. Les unions triples comencen amb eficiències de l'ordre del 24% el 2000, 26% el 2002, 28% el 2005, i han arribat, de manera corrent al 30% el 2007. El 2007, dues companyies nord-americanes [[Emcore Photovoltaics]] i [[Spectrolab]], produeixen el 95% de les cèlcel·lulesles solars del 28% d'eficiència.
 
==Diferents generacions de cèlcel·lulesles fotovoltaiques ==
En una mostra de [[metall]], els electrons exteriors dels seus àtoms, anomenats electrons de [[valència]] es poden moure lliurement. Es diu que estan deslocalitzats en regions de l'espai que ocupen tota la [[xarxa cristal·lina]], com si es tractés d'una [[malla]]. En termes energètics això vol dir que els electrons de l'última capa de l'àtom ocupen nivells d'energia alts que els permet escapar de l'enllaç que els uneix al seu àtom.
 
Linha 52 ⟶ 53:
El més interessant dels semiconductors és que la seva petita conductivitat elèctrica és deguda, tant a la presència d'electrons a la BC, com que la BV no està totalment plena.
 
===Quatre generacions de cèlcel·lulesles fotovoltaiques ===
[[File:Polycrystalline silicon rod.jpg|250px|thumb|Barra de silici policristal·lí.]]
La primera generació de cèlcel·lulesles fotovoltaiques consistien en una gran superfície de vidre simple. Una simple capa amb unió [[díode]] ''pn'', capaç de generar energia elèctrica a partir de fonts de [[llum]] amb [[longitud d'ona|longituds d'ona]] similars a les que arriben a la superfície de la Terra provinents del Sol. Aquestes cèlcel·lulesles estan fabricades, usualment, usant un procés de difusió amb [[Oblia (electrònica)|oblies]] de [[silici]]. Aquesta primera generació (coneguda també com a cèlcel·lulesles solars basades en oblia) són, actualment, (2007) la tecnologia dominant en la producció comercial i constitueixen, aproximadament, el 86% del mercat de cèlcel·lulesles solars terrestres.
 
La segona generació de materials fotovoltaics es basen en l'ús de dipòsits [[epitaxial]]s molt prims de semiconductors sobre hòsties amb concentradors. Hi ha dos tipus de cèlcel·lulesles fotovoltaiques epitaxials: les espacials i les terrestres. Les cèlcel·lulesles espacials, usualment, tenen eficiències AM0 (Air Mass Zero) més altes (28-30%), però tenen un cost per watt més alt. En les terrestres la pel·lícula prima s'ha desenvolupat usant processos de baix cost, però tenen una eficiència AM0 (7-9%), més baixa, i, per raons evidents, es qüestionen per a aplicacions espacials. ▼
 
▲La segona generació de materials fotovoltaics es basen en l'ús de dipòsits [[epitaxial]]s molt prims de semiconductors sobre hòsties amb concentradors. Hi ha dos tipus de cèl·lules fotovoltaiques epitaxials: les espacials i les terrestres. Les cèl·lules espacials, usualment, tenen eficiències AM0 (Air Mass Zero) més altes (28-30%), però tenen un cost per watt més alt. En les terrestres la pel·lícula prima s'ha desenvolupat usant processos de baix cost, però tenen una eficiència AM0 (7-9%), més baixa, i, per raons evidents, es qüestionen per a aplicacions espacials.
 
 
Les prediccions abans de l'arribada de la tecnologia de pel·lícula prima apuntaven a una considerable reducció de costos per cèlcel·lulesles solars de pel·lícula prima. Reducció que ja s'ha produït. Actualment (2007) hi ha un gran nombre de tecnologies de materials semiconductors sota investigació per a la producció en massa. Es poden esmentar, entre aquests materials, el [[silici amorf]], [[silici policristal·lí]], [[silici microcristal·lí]], [[tel·lurur de cadmi]] i [[sulfur]]s i [[selenur]]s d'[[indi (element)|indi]]. Teòricament, un avantatge de la tecnologia de pel·lícula prima és la seva massa reduïda, molt apropiada per panells sobre materials molt lleugers o flexibles. Fins i tot materials d'origen tèxtil.
 
L'arribada de pel·lícules primes de [[gal·li]] i [[arsènic]] per a aplicacions espacials (anomenades cèlcel·lulesles primes) amb potencials d'eficiència AM0 per sobre del 37% estan, actualment, en estat de desenvolupament per a aplicacions d'elevada potència específica. La segona generació de cèlcel·lulesles solars constitueix un petit segment del mercat fotovoltaic terrestre, i aproximadament el 90% del mercat espacial.
 
La tercera generació de cèlcel·lulesles fotovoltaiques que s'estan proposant en l'actualitat (2007) són molt diferents dels dispositius semiconductors de les generacions anteriors, ja que realment no presenten la tradicional unió pn per separar els portadors de càrrega fotogenerats. Per a aplicacions espacials, s'estan estudiant dispositius de buits quàntics (punts quàntics, cordes quàntiques, etc.) I dispositius que incorporen [[nanotub]] és de [[carboni]], amb un potencial de més del 45% d'eficiència AM0. Per a aplicacions terrestres, es troben en fase d'investigació dispositius que inclouen cèlcel·lulesles fotoelectroquímices, cèlcel·lulesles solars de [[polímer]]s, cèlcel·lulesles solars de [[nanocristall]]s i cèlcel·lulesles solars de tintes sensibilitzades.
 
Una hipotètica quarta generació de cèlcel·lulesles solars consistiria en una tecnologia fotovoltaica composta en què es barregen, conjuntament, nanopartícules amb polímers per a fabricar una capa simple multiespectral. Posteriorment, diverses capes primes multiespectrals es podrien apilar per fabricar les cèlcel·lulesles solars multiespectrals definitives. CèlCel·lulesles que són més eficients, i barates. Basades en aquesta idea, i la tecnologia multiunió, s'han usat en les missions de Mart que ha dut a terme la [[NASA]]. La primera capa és la que converteix els diferents tipus de llum, la segona és per a la conversió d'energia i l'última és una capa per a l'[[espectre infraroig]]. D'aquesta manera es converteix una mica del [[calor]] a [[energia]] aprofitable. El resultat és una excel·lent cèl·lula solar composta. La investigació de base per a aquesta generació s'està supervisant i dirigint per part de la [http://www.darpa.mil/ DARPA] <ref>L'Agència per als Projectes d'Investigació Avançada per a la Defensa és l'organització central per a la recerca i desenvolupament del Departament de Defensa (DoD) dels EUA</ref> (de l'anglès ''Defense Advanced Research Projects Agency'') per determinar si aquesta tecnologia és viable o no. Entre les companyies que treballen en aquest quarta generació es troben Xsunx, Konarka Technologies, Inc, Nanosolar, Dyesol i Nanosys.
 
== Principi de funcionament ==
Linha 94 ⟶ 96:
# Produir parells d'electrons-buits, si l'energia del fotó incident és més alta que la mínima necessària perquè els electrons alliberats arribin a la banda conducció.
 
Noti's que si un fotó té un nombre enter de vegades el salt d'energia perquè l'electró arribi a la banda de conducció, podria crear més d'un únic parell electró-forat. Tanmateix, aquest efecte no és significatiu, de manera usual, en les cèlcel·lulesles solars. Aquest fenomen, de múltiples sencers, és explicable mitjançant la [[mecànica quàntica]] i la quantificació de l'energia.
 
Quan es absorbeix un fotó, l'energia d'aquest es comunica a un electró de la xarxa cristal·lina. Usualment, aquest electró està en la banda de valència, i està fortament vinculat en enllaços covalents que es formen entre els àtoms confrontants. El conjunt total dels enllaços covalents que formen la xarxa cristal·lina dóna lloc al que es diu la banda de valència. Els electrons que pertanyen a aquesta banda són incapaços de moure's més enllà dels confins de la banda, tret que se'ls proporcioni energia, ia més energia determinada. L'energia que el fotó li proporciona és capaç d'excitar i promocionar a la banda de conducció, que està buida i on pot moure's amb relativa llibertat, usant aquesta banda, per desplaçar-se, a través de l'interior del semiconductor.
Linha 110 ⟶ 112:
# Difusió dels portadors de càrrega de zones d'alta concentració de portadors a zones de baixa concentració de portadors (seguint un gradient de potencial elèctric).
 
En les cèlcel·lulesles d'unió ''pn'', àmpliament usades en l'actualitat, la manera que predomina en la separació de portadors és per la presència d'un camp electroestàtic. No obstant això, en cèlcel·lulesles solars en què no hi ha unions pn (típiques de la tercera generació de cèlcel·lulesles solars experimentals, com cèlcel·lulesles de pel·lícula prima de polímers o de tinta sensibilitzada), el camp elèctric electroestàtic sembla estar absent. En aquest cas, la manera dominant de separació és mitjançant la via de la difusió dels portadors de càrrega.
 
=== Generació de corrent en un placa convencional ===
Linha 121 ⟶ 123:
 
=== La unió p-n ===
La cèl·lula solar més usual està fabricada en silici i configurada com un gran àrea d'unió pn. Una simplificació d'aquest tipus de plaques es pot considerar com una capa de silici de tipus n directament en contacte amb una capa de silici de tipus p. A la pràctica, les unions pn de les cèlcel·lulesles solars, no estan fetes de la manera anterior, més aviat, s'elaboren per difusió d'un tipus de dopant en una de les cares d'una oblia de tipus p, o viceversa.
 
Si la peça de silici de tipus p és situada en íntim contacte amb una peça de silici de tipus n, té lloc la difusió d'electrons de la regió amb altes concentracions d'electrons (la cara de tipus n de la unió) cap a la regió de baixes concentracions d'electrons (cara tipus p de la unió).
Linha 134 ⟶ 136:
Les plaques fotovoltaiques emprades en sistemes connectats a la xarxa no són diferents de les emprades per sistemes autònoms. Les que s'integren en els edificis són normalment mòduls estàndard. Un problema formal habitual és el fet que poden arribar a configurar estructures independents, superposades a l'edifici, afegides sense respondre a criteris estètics. En el millor dels casos, s'integren a les façanes o la teulada. Per aquest motiu, algunes empreses han desenvolupat elements fotovoltaics integrats als edificis que poden substituir alguns elements tradicionals de l'arquitectura.
 
Les plaques fotovoltaiques poden ser, doncs, tractades com un element constructiu i ser combinades amb altres materials en mòduls prefabricats de gran superfície (actualment es fabriquen fins a 14 m²). Són apropiades per a la formació de façanes, la millor orientació de les quals és la sud, tot i no ser important la influència d'una desviació d'entre 30° i 45° cap a l'est o l'oest en el còmput anual de captació d'energia. El fenomen de difracció de la llum permet obtenir panells fotovoltaics amb un índex de transparència superior a l'aparent, ja que l'ombra projectada per cada cèl·lula a l'interior de l'edifici és inferior a la superfície que ocupa. Això implica que el panell es percep sensiblement més opac des de l'exterior que des de l'interior. És possible, a més, obtenir una major transparència si, a dintre d'una mateixa placa, s'augmenta la distància entre les cèlcel·lulesles .
 
 
Linha 176 ⟶ 178:
Generalment s'elaboren amb [[silici]], l'element que és el principal component de la [[silici]], el material de la sorra.
Actualment, la producció mundial de cèlcel·lulesles fotovoltaiques es concentra al Japó (48%), Europa (27%) i els EUA (11%). El consum de silici el 2004 destinat a aplicacions fotovoltaiques va ascendir a 13.000 tones.
 
A Espanya les principals empreses d'instal·lació de panells fotovoltaics són [[T-Solar]], [[Fotowatio]], [[Renovalia]] i [[Solaria]].
 
== Usos de les cèlcel·lulesles fotovoltaiques solars ==
Han seva aparició a la [[indústria aeroespacial]], i s'han convertit en el mitjà més fiable de subministrar energia elèctrica a un [[satèl·lit artificial|satèl·lit]] o a una [[Sonda espacial|sonda]] en les òrbites interiors del [[sistema solar]]. Això és gràcies a la major irradiació solar sense l'impediment de l'atmosfera i al seu baix pes.
 
Linha 222 ⟶ 224:
Des dels anys 70 s'han fet investigacions sobre la tecnologia de concentració fotovoltaica de manera que ha millorat la seva eficiència fins a aconseguir superar la fotovoltaica tradicional. No va ser fins als anys 2006-2007 que les tecnologies de concentració van passar d'estar reduïdes a l'àmbit de la recerca i començar a aconseguir els primers desenvolupaments comercials. El 2008 el [http://www.isfoc.es/ ISFOC] (Institut de Sistemes Solars Fotovoltaics de Concentració) va posar en marxa a Espanya una de les majors d'aquest tipus a nivell mundial, connectant a la xarxa 3MW de potència. En aquest projecte van participar diverses empreses que utilitzaven diverses tecnologies de concentració fotovoltaica (CPV).
 
Algunes d'aquestes tecnologies utilitzen lents per augmentar la potència del sol que arriba a la cèl·lula. Altres concentren amb un sistema de miralls l'energia del sol en cèlcel·lulesles d'alta eficiència per obtenir un rendiment màxim d'energia. Algunes empreses com <ref>http://www.solfocus.com/</ref> SolFocus ja han començat a comercialitzar la tecnologia CPV a gran escala i estan desenvolupant projectes a Europa i EUA que superen els 10 MW el 2009.
 
La tecnologia de concentració fotovoltaica es dibuixa com una de les opcions més eficients en producció energètica a menor cost per a zones d'alta radiació solar com són els països mediterranis, les zones del sud dels EUA, Mèxic, Austràlia...<ref>{{ref-publicació|títol=Technical feasibility and financial analysis of hybrid wind–photovoltaic system with hydrogen storage for Cooma|publicació=International Journal of Hydrogen Energy|url=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319904001156|consulta=21 octubre 2015|coautors=B.D. Shakyaa, Lu Ayea, P. Musgrave|llengua=anglès|any=2004}}</ref>
 
== Producció d'electricitat ==
Les plaques fotovoltaiques produeixen [[electricitat]] en forma de [[corrent continu]] i solen tenir entre 20 i 40 cèlcel·lulesles , tot i que són usuals els mòduls de 36 cèlcel·lulesles per tal d'assolir els [[volt]]s necessaris per a la càrrega de les bateries (12 V). Les plaques es poden unir entre si en paral·lel (amb unió d'una banda dels pols positius i, d'una altra, dels negatius) o bé en sèrie (pol positiu de la primera amb negatiu de la segona i successivament). La unió en paral·lel proporciona una tensió igual a la del mòdul (12-18 V), mentre que la unió en sèrie dóna una tensió igual a la suma de la de cada mòdul (per exemple 12 V, 24 V, 36 V, etc.), depenent del nombre de plaques interconnectades.
 
== Vegeu també ==
Obtingut de «https://ca.wikipedia.org/wiki/Panell_fotovoltaic»