Composició i principi de funcionament dels sistemes de generació d'energia fotovoltaica

Composició i principi de funcionament dels sistemes de generació d'energia fotovoltaica (PV)

Un sistema de generació d'energia fotovoltaica (PV) es compon principalment de mòduls PV, un controlador, un inversor, bateries i altres accessoris (les bateries no són necessàries per als sistemes connectats a la xarxa). Segons si depenen de la xarxa elèctrica pública, els sistemes PV es divideixen en tipus autònoms i connectats a la xarxa. Els sistemes autònoms operen de manera independent sense depenre de la xarxa elèctrica. Estan equipats amb bateries d'emmagatzematge d'energia per assegurar un subministrament d'energia estable al sistema, capaç de proporcionar electricitat a les càrregues durant la nit o períodes prolongats de temps nublós o plujós quan la generació solar és insuficient.

Independentment del tipus de sistema, el principi de funcionament és el mateix: els mòduls PV converteixen la llum solar en electricitat de corrent contínua (CC), que després s'aconverteix en corrent alternada (CA) per mitjà d'un inversor, permetent-ne el consum o la connexió a la xarxa.

1. Mòduls Fotovoltaics (PV)

Els mòduls PV són el component central de tot el sistema de generació d'energia. Es fan combinant cèl·lules fotovoltaiques individuals, que es tallen en diferents mides utilitzant màquines de tall amb llaser o fil. Com que la tensió i la corrent produïdes per una sola cèl·lula solar són molt baixes, diverses cèl·lules es connecten primer en sèrie per aconseguir una tensió més alta, i després en paral·lel per augmentar la corrent. L'ensamblat inclou un diode de bloqueig (per prevenir el flux de corrent inversa) i està encapsulat dins d'un marc fet de ferro inoxidable, aluminis o materials no metàl·lics. Es tanca amb vidre temperat a la part frontal, una capsa posterior a la part traser, omplida amb gas nitrogen i hermèticament tancada. Diversos mòduls PV connectats en sèrie i paral·lel formen una matxissa PV (també coneguda com a matxissa solar).

Principi de funcionament: Quan la llum solar impacta la junta p-n de semiconductors d'una cèl·lula solar, es generen parells electró-burac. Sota l'influència del camp elèctric a la junta p-n, els buracs es mouen cap a la regió p i els electrons cap a la regió n. Quan el circuit es tanca, la corrent flueix. La funció principal dels mòduls PV és convertir l'energia solar en energia elèctrica, emmagatzemant-la en bateries o alimentant directament les càrregues elèctriques.

Tipus de mòduls PV:

• Silici monocristallí: Eficiència ≈ 18%, fins a 24% — la més alta entre tots els tipus de PV. Normalment encapsulats amb vidre temperat i resina impermeable, fent-los durables i de llarga durada (vida útil fins a 25 anys).

• Silici policristallí: Eficiència ≈ 14%. Processos de fabricació similars al del silici monocristallí, però amb menys eficiència, menor cost i vida útil més curta. No obstant això, és més simple de produir, consumeix menys energia i té un cost de producció més baix, cosa que ha portat a la seva ampla adopció.

• Silici amorfi (película fina): Eficiència ≈ 10%. Fabricat utilitzant un procés de película fina completament diferent, requereix una quantitat mínima de silici i energia. El seu principal avantatge és un millor rendiment en condicions de poca llum.

2. Controlador (Utilitzat en sistemes autònoms)

El controlador de càrrega solar és un dispositiu automàtic que evita la sobrecàrrega i la descàrrega excessiva de les bateries. Equipat amb un microprocessador CPU de velocitat alta i un convertidor A/D de alta precisió, funciona com un sistema de captura de dades i control de monitorització basat en microordinador. Pot recollir ràpidament dades d'operació en temps real, monitoritzar l'estat del sistema i emmagatzemar dades històriques, proporcionant informació precisa i suficient per avaluar el disseny del sistema i la fiabilitat dels components. També suporta la comunicació en sèrie per a la gestió centralitzada i el control remot de diverses subestacions PV.

3. Inversor

L'inversor converteix la electricitat de corrent contínua (CC) generada pels panells solars en electricitat de corrent alternada (CA), fent-la compatible amb electrodomèstics alimentats amb CA estàndard. L'inversor PV és un component clau del balance of system (BOS) i inclou característiques especials com el seguiment del punt de màxima potència (MPPT) i la protecció contra l'isolament.

Tipus d'inversors solars:

• Inversor autònom: Utilitzat en sistemes autònoms. La matxissa PV carrega la bateria, i l'inversor extreu la corrent contínua de la bateria per alimentar les càrregues de corrent alternada. Molts inversors autònoms inclouen càrregues de bateria integrades que poden recarregar la bateria utilitzant corrent alternada. Aquests inversors no estan connectats a la xarxa i no requereixen protecció contra l'isolament.

• Inversor connectat a la xarxa: Alimenta corrent alternada de volta a la xarxa elèctrica. La seva ona de sortida ha de coincidir amb la fase, la freqüència i la tensió de la xarxa. Es desactiva automàticament si la xarxa es desconecta per raons de seguretat. No proporciona energia de reserva durant una interrupció de la xarxa.

• Inversor amb bateria de reserva: Un inversor especial que utilitza bateries com a font d'energia primària i inclou un càrrec per a recarregar-les. L'excés d'energia es pot alimentar de volta a la xarxa. Durant una interrupció de la xarxa, pot alimentar corrent alternada a circuits designats, i per tant inclou protecció contra l'isolament.

4. Bateria (No necessària en els sistemes connectats a la xarxa)

La bateria és la unitat d'emmagatzematge d'energia en un sistema PV. Els tipus comuns inclouen bateries de plom sel·lades, de plom inundades, de gel i de níquel-cadmi alcalines. Les bateries de plom sel·lades i de gel són les més àmpliament utilitzades.

Principi de funcionament: Durant el dia, la llum solar impacta els mòduls PV, generant tensió de corrent contínua i convertint la llum en electricitat. Aquesta energia es envia al controlador, que evita la sobrecàrrega, i després s'emmagatzema a la bateria per ser utilitzada més tard quan sigui necessari.