L'energia solar fotovoltaica consisteix en la transformació directa de l'energia que irradia el sol en energia elèctrica, sense mediació de reaccions químiques, cicles termodinàmics ni processos mecànics. Aquest procés de transformació d'energia solar en energia elèctrica es produeix en un element que es denomina cèl·lula fotovoltaica.

Les cèl·lules fotovoltaiques es construeixen amb materials semiconductors, principalment el germani (Ge) i el silici (Si). A temperatura ambient, ambdós tenen molt pocs electrons lliures, que són els responsables de la seva petita conductivitat.

Aquests materials tenen propietats elèctriques úniques. En presència de llum solar, els fotons associats a la llum exciten els electrons, que es mouen a través del material produint un corrent elèctric; aquest efecte es coneix com a fotovoltaic.

Hi ha dues formes d’utilitzar l'energia elèctrica generada a partir de l'efecte fotovoltaic:

• En instal·lacions aïllades de la xarxa elèctrica.
• En instal·lacions connectades a la xarxa elèctrica convencional.

Mentre que a les primeres l'energia generada s'emmagatzema en bateries per poder-ne disposar quan calgui, a les segones tota l'energia generada s'envia a la xarxa elèctrica convencional per a ser distribuïda on es demani.

2.1 Radiació

Les condicions de funcionament d'un mòdul fotovoltaic depenen d'algunes variables externes com la radiació solar i la temperatura de funcionament. Per això, per mesurar i comparar correctament els diferents mòduls fotovoltaics, es defineixen unes condicions de treball nominals o estàndard.

Aquestes condicions s'han normalitzat per a una temperatura de funcionament de 25º C i una radiació solar (irradiància) de 1.000 W/m2, i els valors elèctrics amb aquestes condicions es defineixen com a valors de pic. La potència d'un mòdul fotovoltaic s'expressa en watts-pic (Wp).

D'altra banda, l'energia produïda pels sistemes fotovoltaics és el resultat de multiplicar-ne la potència nominal pel nombre d'hores de pic.

La suma total de l'energia que produeix el sol durant un dia mitjà a Espanya és d'unes 4 hores de pic, la qual cosa suposa a l'estiu entre 6 h i 8 h segons la zona i entre 2 h i 4 h durant l'hivern segons la regió.

La radiació varia segons el moment del dia. No obstant això, també pot variar considerablement d'un lloc a un altre, especialment a regions muntanyenques. La radiació fluctua entre una mitjana de 1.000 kWh/m_ l’any, als països del nord d’Europa, a 2.500 kWh/m_ l'any, a les zones desèrtiques. Aquestes variacions es deuen a les condicions climàtiques i a la diferència respecte de la posició relativa del sol al cel (elevació solar), la qual depèn de la latitud de cada lloc (orientació i angle d'inclinació).

2.2 Orientació

Un panell de cèl·lules solars genera electricitat fins i tot en absència de llum solar directa. No obstant això, les condicions òptimes d'operació impliquen: la presència de llum solar plena i un panell com més orientat cap al sol millor, a fi d'aprofitar al màxim la llum solar directa. A l'hemisferi nord, cal orientar el panell cap al sud i a l'hemisferi sud, cap al nord.

La inclinació que han de tenir els mòduls fotovoltaics sempre està determinada per: la latitud del lloc on s'Instal·lin ±20°, de si es tracta d'una instal·lació fixa o mòbil i de l'època de any.

• Utilització anual: n'hi ha prou amb una sola posició; l'angle ha de ser d'uns 60º.
• Utilització estiu: S'acostumen a considerar dues posicions: una posició d’hivern de 60º i una inclinació d’estiu de 15º a 30º.
• Utilització els caps de setmana i a l’estiu: Es fa servir una inclinació fixa, equivalent a la latitud del lloc. S’acostuma a adoptar una inclinació fixa de 45º.

El sistema solar fotovoltaic està format per un conjunt de dispositius capaços de captar, emmagatzemar i transformar l'energia provinent del sol en formes d'energia aprofitables. El sistema consta dels elements següents:

• Generador solar, format per un conjunt de panells fotovoltaics, que capten la radiació lluminosa procedent del sol i la transformen en corrent continu a baixa tensió (12 V o 24 V).
• Acumulador, que emmagatzema l'energia produïda pel generador i permet disposar de corrent elèctric fora de les hores de llum o dies nuvolats.
• Regulador de càrrega, la comesa del qual és evitar sobrecàrregues o descàrregues excessives a l’acumulador, que li produirien danys irreversibles; assegurar que el sistema treballi sempre en el punt de màxima eficiència.
• Inversor (opcional), que transforma el corrent continu de 12 V o 24 V emmagatzemat a l'acumulador en corrent altern de 230 V.

4.1 Avantatges

• És una energia descentralitzada que es pot captar i utilitzar a tot el territori.
• Un cop instal·lada té un cost energètic nul.
• Manteniment i risc d'avaria molt baix.
• Tipus d'instal·lació fàcilment modulable, amb la qual cosa es pot augmentar o reduir fàcilment la potència instal·lada segons les necessitats.
• Es tracta d'una tecnologia en ràpid desenvolupament que tendeix a reduir el cost i augmentar el rendiment.

4.2 Inconvenients

• Condicionants economicofinancers, ja que cal fer-hi una inversió inicial elevada. El període d'amortització de la inversió és llarg, normalment d’entre 5 i 12 anys.
• En alguns casos la manca d'espai pot ser un inconvenient a l'hora de fer-ne la instal·lació.
• Les cèl·lules fotovoltaiques aprofiten l'energia lumínica que reben entre un 15 % i un 20 %.
• El manteniment i les avaries és a càrrec del propietari.

5.1 Sistemes aïllats de la xarxa elèctrica

Aquests sistemes s'empren sobretot als llocs on no es té accés a la xarxa elèctrica i resulta més econòmic instal·lar un sistema fotovoltaic que estendre una línia entre la xarxa i el punt de consum. Durant les hores de llum solar cal produir més energia de la que es consumeix, per acumular-la i posteriorment poder utilitzar-la quan no se n’estigui generant.

Per optimitzar el sistema és necessari calcular correctament la demanda, a fi de no sobredimensionar la instal·lació. Convé utilitzar electrodomèstics i il·luminació de baix consum perquè la potència instal·lada sigui la menor possible.

Les principals aplicacions dels sistemes fotovoltaics aïllats de la xarxa elèctrica són:

• Telecomunicacions: Repetidors de televisió, equips de ràdio, antenes de telefonia mòbil, etc.
• Senyalització: La senyalització marítima i terrestre és una de les gran aplicacions dels sistemes fotovoltaics. Així doncs, n’hi ha nombrosos exemples en abalisament d'aeroports, senyalització de carreteres i ports, etc.
• Bombament: En aquests sistemes l’energia s’acostuma a emmagatzemar en forma d'energia potencial, bombejant l'aigua a dipòsits elevats.
• Zones protegides: Als paratges naturals, on per motius de protecció ambiental es recomana no instal·lar esteses elèctriques aèries, de vegades és més rendible utilitzar sistemes fotovoltaics en lloc d'esteses subterrànies o grups electrògens que utilitzen combustibles fòssils.
• Electrificació d'habitatges aïllats: la distància del punt de consum a la xarxa elèctrica pot fer més rendible aquesta aplicació en molts casos, a causa del cost d'instal·lar l'estesa elèctrica.
• Enllumenat de carrers i carreteres: la possibilitat d'utilitzar sistemes d’il·luminació autònoms de fàcil instal·lació i mínima obra civil fa que sigui una solució adequada en moltes ocasions.

5.2 Sistemes connectats a la xarxa elèctrica

Perquè aquestes instal·lacions siguin tècnicament viables cal:

• Que hi hagi una línia de distribució elèctrica propera amb capacitat per admetre l'energia produïda per la instal·lació fotovoltaica.
• Projectar un sistema que inclogui equips de generació i transformació de primera qualitat, amb les proteccions establertes, i degudament verificats i garantits pels fabricants, d'acord amb la legislació vigent.
• Una instal·lació realitzada per un instal·lador especialitzat.

Per oferir una solució més econòmica s'estan fent servir sistemes prefabricats que redueixen notablement el temps de construcció de la instal·lació i n'augmenten la fiabilitat.

Les principals aplicacions dels sistemes fotovoltaics connectats a la xarxa elèctrica són:

Integració fotovoltaica en edificis, que cal entendre com la substitució d’elements arquitectònics convencionals per elements nous que inclouen l'element fotovoltaic i que, per tant, són generadors d'energia.

Les aplicacions d'integració en edificis més freqüents:

• Recobriment de façanes.
• Murs cortina.
• Para-sols a les façanes.
• Pèrgoles.
• Cobertes planes envidrades.
• Lluerna a les cobertes.
• Lamel·les a les finestres.
• Teules.

Per aconseguir una millor integració de l'element fotovoltaic en els edificis cal tenir-ho en compte des que es comença a dissenyar l’edifici, de manera a no sacrificar part del rendiment energètic per mantenir l’estètica de l'edifici.

Centrals fotoelèctriques: són instal·lacions de gran potència de captació (de més de 100 kWp, que arriben a potències de diversos MWp), destinades a la producció d'energia elèctrica, a fi d'injectar-la íntegrament a la xarxa general de distribució.

En aquest tipus de instal·lacions és usual l'ús de sistemes de seguiment solar (normalment sobre un sol eix), a fi de millorar el camp de captació.

Per aconseguir una millor integració de l'element fotovoltaic en els edificis, cal tenir-ho en compte des que es comença a dissenyar l'edifici. D'aquesta manera es pot aconseguir millorar-ne l'aspecte exterior i el cost, en poder substituir els elements convencionals pels elements fotovoltaics.

6.1 Noves tecnologies

La tecnologia de concentració, amb una eficiència de més del 30% podrà proporcionar el gran salt mitjançant la disminució dràstica de l'àrea de cèl·lula (element car), incorporant elements òptics, més barats, que reduiran substancialment el cost de generació del kWh.

Les cèl·lules solars milloraran l'eficiència a mig termini, del 16,5 % al 20 % en el cas de les de monocristall, mentre les policristal·lines ho faran d'un 14,5% a un 18%.

Aplicabilitat als sistemes fotovoltaics de nous tipus de bateries, com les de plom àcid d'electròlit gelificat i les de plom pur.

Incorporació de variadors de freqüència industrials en els sistemes fotovoltaics de bombament, amb bombes centrífugues, per millorar-ne el rendiment i disminuir-ne els costos.

Milloreu l'eficiència de les instal·lacions mitjançant sistemes de seguiment solar o la millora de les prestacions dels convertidors de connexió a xarxa.

Faciliteu la integració de l'energia fotovoltaica en els edificis buscant un equilibri entre estètica i funcionalitat.

6.2 Manteniment

Els panells que formen el generador a penes requereixen manteniment. N’hi ha prou amb netejar-los amb algun producte no abrasiu i fora de les hores centrals, per evitar canvis bruscos de temperatura entre l'aigua i el panell.

Comproveu el nivell de l'electròlit de les bateries (cada 6 mesos aproximadament); el nivell correcte de l'electròlit és de 20 mm per sobre del protector de separadors. Si el nivell és inferior, empleneu-les amb aigua destil·lada o desmineralitzada.

Netegeu els dipòsits dels terminals de sulfat i cobriu amb vaselina neutra totes les connexions de la bateria.

6.3 Ambientals

Es genera energia de forma totalment no contaminant, la qual cosa disminueix especialment les emissions de CO2 i SO2 respecte d’altres fonts energètiques convencionals.

6.4 Dimensionament

Depèn de la potència que es vol instal·lar i del tipus de mòduls que s'utilitzi, però en general es considera que s'ha de tenir en compte que cada kWp de mòduls ocupa una superfície d'uns 10 m2.

Normalment es considera que la vida dels mòduls fotovoltaics és d'uns 25 a 30 anys; de fet, al mercat se’n troben sovint amb garanties de 10, 15 i 20 anys.

En lloc de fer una instal·lació gran, construïu sistemes descentralitzats i distribuïts en els punts de consum; d’aquesta manera, evitareu pèrdues d'energia per transport.

Assegureu-vos que no hi hagi obstacles que produeixin ombres damunt la placa fotovoltaica.

Orienteu la placa cap al sud. Si s'orienten cap al sud-est o el sud-oest, es deixa de generar un 0,2% per cada grau de desviació respecte del sud (en un entorn de Å} 25º respecte al sud).

La inclinació òptima és de 5º a 10º menys que la latitud. Cada grau de desviació respecte de la inclinació òptima produeix pèrdues de 0,08%.

Es recomanen inclinacions superiors als 15º per permetre que l'aigua de la pluja s'hi escorri.

Als llocs on neva freqüentment es recomana una inclinació superior als 45º per afavorir el lliscament de la neu.

Integreu arquitectònicament els mòduls fotovoltaics, ja que poden millorar l'aïllament de l'edifici i fins i tot estalviar costos, pel fet que poden substituir alguns elements constructius (hi ha cèl·lules fotovoltaiques en forma de teula, de vidre per a finestral, etc.).

Instal·leu interruptors magnetotèrmics i parallamps com a elements de protecció; així evitareu moltes avaries.

7.1 Exemple d'una instal·lació per a consum d'un habitatge

Un habitatge aïllat situat a la zona central de la península, amb un consum diari elèctric de 2.910Wh/dia i un bombament familiar de 500l/dia, que s’usa durant tot l'any. L'estudi s'ha realitzat considerant que: la distància a la xarxa elèctrica és de 150 m (cost de la línia 6.000 €/km) i per calcular l'amortització s'ha suposat que aquest consum d'energia té una tarifa de 2.0.

El consum d'energia anual és de 1.062,15 kWh/any i el cost és de 179,28 €/any. A més, el cost que suposaria la línia elèctrica seria de 900 €.

Disseny de la instal·lació:

7.2 Exemple d'una instal·lació de venda de xarxa

En aquest cas es tracta d'una instal·lació de venda a la xarxa amb 4.740 Wp, situada a la zona del centre. El nombre de panells instal·lats és de 30 i s'agrupen en dos blocs de 15 panells per donar servei a convertidors diferents. D'aquesta forma si un s'avaria, la central seguiria funcionant.

El preu de venda de l'energia és de 34 c€/kWh, segons el Butlletí Oficial de l'Estat (BOE).