Plantes de generació d'energia solar: tipus, components i principis de funcionament
Les plantes de generació d'energia solar són sistemes que utilitzen l'energia solar per generar electricitat. Es poden classificar en dos tipus principals: les plantes de generació d'energia fotovoltaica (PV) i les plantes de generació d'energia solar concentrada (CSP). Les plantes de generació d'energia fotovoltaica converteixen la llum solar directament en electricitat utilitzant cèl·lules solars, mentre que les plantes de generació d'energia solar concentrada utilitzen miralls o llents per concentrar la llum solar i escalfar un fluid que impulsa una turbina o motor. En aquest article, explicarem els components, la disposició i el funcionament de tots dos tipus de plantes de generació d'energia solar, així com els seus avantatges i desavantatges.
Què és una planta de generació d'energia fotovoltaica?
Una planta de generació d'energia fotovoltaica és un sistema PV a gran escala connectat a la xarxa i dissenyat per produir energia elèctrica en massa a partir de la radiació solar. Una planta de generació d'energia fotovoltaica consta de diversos components, com:
Mòduls solars: Són les unitats bàsiques d'un sistema PV. Estan compostos per cèl·lules solars que converteixen la llum en electricitat. Les cèl·lules solars solen estar fetes de silici, que és un material semiconductiu que pot absorbir fòtons i alliberar electrons. Els electrons flueixen pel circuit i creen una corrent elèctrica. Els mòduls solars es poden disposar en diferents configuracions, com en sèrie, en paral·lel o en sèrie-paral·lel, depenent dels requisits de voltatge i corrent del sistema.
Estructures de suport: Són els marcadors o estantes que suporten i orienten els mòduls solars. Poden ser fixos o ajustables, depenent de la ubicació i el clima del lloc. Les estructures de suport fixes són més barates i simples, però no seguixen el moviment del sol i poden reduir la producció del sistema. Les estructures de suport ajustables poden inclinar o girar els mòduls solars per seguir la posició del sol i optimitzar la producció d'energia. Poden ser manuals o automàtiques, depenent del grau de control i precisió necessari.
Inversors: Són dispositius que converteixen la corrent contínua (CC) produïda pels mòduls solars en corrent alternada (CA) que es pot alimentar a la xarxa o utilitzar per càrregues CA.
Els inversors es poden classificar en dos tipus: inversors centrals i microinversors. Els inversors centrals són unitats grans que connecten diversos mòduls solars o arregles i proporcionen una única sortida de CA. Els microinversors són unitats petites que connecten a cada mòdul solar o panell i proporcionen sortides de CA individuals. Els inversors centrals són més eficients econòmicament i energèticament per a sistemes a gran escala, mentre que els microinversors són més flexibles i fiables per a sistemes a petita escala.
Controladors de càrrega: Són dispositius que regulen el voltatge i la corrent dels mòduls solars o arregles per evitar la sobrecàrrega o la descàrrega excessiva de les bateries. Els controladors de càrrega es poden classificar en dos tipus: controladors de modulació de l'amplada del pols (PWM) i controladors de seguiment del punt de màxima potència (MPPT). Els controladors PWM són més simples i barats, però desperdicien una mica d'energia commutant la corrent de càrrega. Els controladors MPPT són més complexos i caros, però optimitzen la producció d'energia ajustant el voltatge i la corrent per adaptar-se al punt de màxima potència dels mòduls solars o arregles.
Bateries: Són dispositius que emmagatzemen l'electricitat excedent generada pels mòduls solars o arregles per a un ús posterior quan no hi ha llum solar o quan la xarxa està fora de servei. Les bateries es poden classificar en dos tipus: bateries d'àcid de plom i bateries de lítio-ion. Les bateries d'àcid de plom són més barates i més utilitzades, però tenen una densitat d'energia menor, una vida útil més curta i requereixen més manteniment. Les bateries de lítio-ion són més cares i menys comunes, però tenen una densitat d'energia més alta, una vida útil més llarga i requereixen menys manteniment.
Interruptors: Són dispositius que connecten o desconecten diferents parts del sistema, com mòduls solars, inversors, bateries, càrregues o xarxes. Els interruptors poden ser manuals o automàtics, depenent del nivell de seguretat i control necessari. Els interruptors manuals requereixen intervenció humana per operar-los, mentre que els interruptors automàtics operen basant-se en condicions o senyals predefinits.
Contadors: Són dispositius que mesuren i mostren diversos paràmetres del sistema, com el voltatge, la corrent, la potència, l'energia, la temperatura o la irradiància. Els comptadors poden ser analògics o digitals, depenent del tipus de visualització i precisió necessària. Els comptadors analògics utilitzen agulles o quadrants per mostrar valors, mentre que els comptadors digitals utilitzen números o gràfics per mostrar valors.
Cables: Són fils que transmeten electricitat entre diferents components del sistema. Els cables es poden classificar en dos tipus: cables CC i cables CA. Els cables CC porten corrent contínua dels mòduls solars als inversors o bateries, mentre que els cables CA porten corrent alternada dels inversors a la xarxa o càrregues.
La disposició d'una planta de generació d'energia fotovoltaica depèn de diversos factors, com les condicions del lloc, la mida del sistema, els objectius de disseny i els requisits de la xarxa. No obstant això, una disposició típica consta de tres parts principals: part de generació, part de transmissió i part de distribució.
La part de generació inclou mòduls solars, estructures de suport i inversors que produeixen electricitat a partir de la llum solar.
La part de transmissió inclou els cables, interruptors i comptadors que transmeten electricitat de la part de generació a la part de distribució.
La part de distribució inclou les bateries, controladors de càrrega i càrregues que emmagatzemen o consumeixen electricitat.
El següent diagrama mostra un exemple de la disposició d'una planta de generació d'energia fotovoltaica:
El funcionament d'una planta de generació d'energia fotovoltaica depèn de diversos factors, com les condicions meteorològiques, la demanda de càrrega i l'estat de la xarxa. No obstant això, un funcionament típic consta de tres modes principals: mode de càrrega, mode de descàrrega i mode de connexió a la xarxa.
El mode de càrrega ocorre quan hi ha llum solar excedentària i baixa demanda de càrrega. En aquest mode, els mòduls solars generen més electricitat del que necessiten les càrregues. L'electricitat excedentària s'utilitza per carregar les bateries a través dels controladors de càrrega.
El mode de descàrrega ocorre quan no hi ha llum solar o hi ha una alta demanda de càrrega. En aquest mode, els mòduls solars generen menys electricitat del que necessiten les càrregues. La electricitat deficitària és subministrada per les bateries a través dels inversors.
El mode de connexió a la xarxa ocorre quan hi ha disponibilitat de la xarxa i tarifes favorables. En aquest mode, els mòduls solars generen electricitat que es pot alimentar a la xarxa a través dels inversors.
El mode de connexió a la xarxa també pot ocorre quan hi ha una interrupció de la xarxa i es necessita energia de reserva. En aquest mode, els mòduls solars generen electricitat que es pot utilitzar per les càrregues a través dels inversors.
Què és una planta de generació d'energia solar concentrada?
Una planta de generació d'energia solar concentrada és un sistema CSP a gran escala que utilitza miralls o llents per concentrar la llum solar en un receptor que escalfa un fluid que impulsa una turbina o motor per generar electricitat. Una planta de generació d'energia solar concentrada consta de diversos components, com:
Colectors: Són dispositius que reflecteixen o refracten la llum solar cap a un receptor. Els colectors es poden classificar en quatre tipus: troughs parabòlics, dishes parabòlics, reflectors Fresnel lineals i receptors centrals. Els troughs parabòlics són miralls corbs que concentren la llum solar en un tub receptor lineal que corre al llarg de la seva línia focal. Els dishes parabòlics són miralls còncaus que concentren la llum solar en un receptor puntual al seu punt focal. Els reflectors Fresnel lineals són miralls plans que reflecteixen la llum solar en un tub receptor lineal sobre ells. Els receptors centrals són torres envoltades per un arranjament de miralls plans anomenats heliostats que reflecteixen la llum solar en un receptor puntual al seu top.
Receptors: Són dispositius que absorben la llum solar concentrada i la transferixen a un fluid de transferència de calor (HTF). Els receptors es poden classificar en dos tipus: receptors externs i receptors interns. Els receptors externs estan exposats a l'atmosfera i tenen perdues de calor altes degudes a la convecció i la radiació. Els receptors interns estan tancats en una cambra de buit i tenen perdues de calor baixes degudes a l'aïllament i l'evacuació.
Fluids de transferència de calor: Són fluids que circulen pels receptors i transporten calor dels colectors al bloc de potència. Els fluids de transferència de calor es poden classificar en dos tipus: fluids tèrmics i sales fondues. Els fluids tèrmics són líquids orgànics com òils sintètics o hidrocarburs que tenen punts d'ebullició alts i punts de congelació baixos. Les sales fondues són compostos inorgànics com nitrats de sodi o nitrats de potassi que tenen una capacitat de calor alta i una pressió de vapor baixa.
Bloc de potència: És on es genera electricitat a partir de calor utilitzant una turbina o motor acoblats amb un generador. El bloc de potència es pot classificar en dos tipus: cicle de vapor i cicle Brayton. El cicle de vapor utilitza aigua com HTF i produeix vapor que impulsa una turbina de vapor connectada a un generador elèctric. El cicle Brayton utilitza aire com HTF i produeix aire calent que impulsa una turbina de gas connectada a un generador elèctric.
Sistema d'emmagatzematge: És on es desa el calor excedentàri per a un ús posterior quan no hi ha llum solar o quan hi ha una alta demanda de càrrega. Els sistemes d'emmagatzematge es poden classificar en dos tipus: emmagatzematge de calor sensible i emmagatzematge de calor latent. L'emmagatzematge de calor sensible utilitza materials com roques, aigua o sales fondues que emmagatzemen calor augmentant la seva temperatura sense canviar la seva fase. L'emmagatzematge de calor latent utilitza materials com materials de canvi de fase (PCMs) o materials termoquímics (TCMs) que emmagatzemen calor canviant la seva fase o estat químic sense canviar la seva temperatura.
La disposició d'una planta de generació d'energia solar concentrada depèn de diversos factors, com
