Energia solar fotovoltaica

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
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, a finals de 2012, amb una capacitat de producció de 100 GW, esdevenint la tercera font d'energia renovable més important darrere de l'energia hidroelèctrica i l'energia eòlica.[3] Els panells solar 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.

Principi de funcionament[modifica | modifica el codi]

Article principal: Cèl·lula fotoelèctrica
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).

Aplicacions[modifica | modifica el codi]

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.[cal citació] En entorns aïllats, on es requereix poca corrent elèctrica 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.

Història[modifica | modifica el codi]

L'efecte fotovoltaic es va reconèixer per primera vegada el 1839 pel físic francès Becquerel.[4][5] 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 els semiconductors, van desenvolupar la primera cèl·lula fotovoltaica de silici, amb un rendiment del 4,5%.

Tipus[modifica | modifica el codi]

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.[cal citació]

Segona generació La segona generació de materials fotovoltaics estan basats en capes molt fines (poc micròmetres) de materials semiconductors.[6] 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.[cal citació]

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.

Avantatges de l'energia fotovoltaica[modifica | modifica el codi]

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 en un futur esdevindrà 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 en la fabricació dels panells solars la producció d'energia no produeix gasos contaminants. 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 mateirals,[9] així com polítiques que incentiven el reciclatge per part dels fabricants d'aquesta tecnologia.[10]

Les instal·lacions fotovoltaiques poden arribar a tenir una vida útil de fins a 100 anys.[11] A més un cop realitzada la instal·lació tenen un costos operatius i de manteniment molt baixos comparats amb altres tecnologies de generació d'electricitat.

Inconvenients de l'energia fotovoltaica[modifica | modifica el codi]

Tots i emprar una font d'energia renovable la producció d'electricitat mitjançant plaques fotovoltaiques no està exempta d'impactes ambientals. Podem 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.[12]

Els principals impactes que es poden considerar, 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, si 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 i crea problemes mediambientals. L'inconvenient més important però, és la seva complicació tècnica que fa que la fabricació de la tecnologia no sigui possible artesanalment i que per tant estigui subjecte als preus del mercat.

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.

Potència instal·lada[modifica | modifica el codi]

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.[13] 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.[14][15][16] A finals de 2013, s'havien instal·lat a tot el món quasi cerca de 140 GW de potència fotovoltaica.[17]

Alemanya és en l'actualitat el segon productor mundial d'energia solar fotovoltaica després del Japó, amb prop de 5 milions de metres quadrats de col·lectors de sol, encara que només representa el 0,03% de la seva producció energètica total. La venda de plafons fotovoltaics ha crescut al món al ritme anual del 20% en la dècada dels noranta. A la UE el creixement mitjà anual és del 30%, i Alemanya té el 80% de la potència instal·lada.[cal citació]

El creixement actual de les instal·lacions solars fotovoltaiques està limitat el 2006 per la falta de matèria primera al mercat (silici de qualitat solar) en estar copades les fonts actuals. Diversos plans s'han establert per a noves factories d'aquest material a tot el món, incloent el Maig de 2006 la possibilitat que se n'instal·li una a Espanya amb la col·laboració dels principals actors del mercat.[cal citació]

El major fabricant europeu de productes fotovoltaics és la companyia alemanya RWE SCHOTT Solar amb seu a Alzenau (Baviera)0.[cal citació] Aquesta companyia té la planta de producció fotovoltaica més moderna i completament integrada del món. El 2003 la companyia va generar vendes netes de 123 milions d'euros i té més de 800 empleats. A més Friburg de Brisgòvia és la seu d'ISES (Societat Internacional d'Energia Solar).

Plantes fotovoltaiques amb connexió a la xarxa[modifica | modifica el codi]

Solar park
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 nuclears de gran escala.[18] A data d'abril de 2014 les plantes fotovoltaiques més grans del món eren, segons la seva capacitat de producció:[18]

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

Vegeu també[modifica | modifica el codi]

Referències[modifica | modifica el codi]

  1. «How Thin-film Solar Cells Work» (en anglès). How stuff works.com. [Consulta: 20 de febrer de 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. Global Solar PV installed Capacity crosses 100GW Mark. renewindians.com (11 February 2013).
  4. Photovoltaic Effect. Mrsolar.com. Retrieved 12 December 2010
  5. The photovoltaic effect. Encyclobeamia.solarbotics.net. Retrieved on 12 December 2010.
  6. «My Advice: Understand the Advantages, Disadvantages of Different Solar Cells and Who the Market Leaders Are». Alchemie Limited Inc.. [Consulta: 23 octubre 2014].
  7. 7,0 7,1 Smil, Vaclav (2006) Energy at the Crossroads. oecd.org. Retrieved on 3 June 2012.
  8. Renewable Energy: Is the Future in Nuclear? Prof. Gordon Aubrecht (Ohio State at Marion) TEDxColumbus, The Innovators – 18 October 2012
  9. Nieuwlaar, Evert and Alsema, Erik. Environmental Aspects of PV Power Systems. IEA PVPS Task 1 Workshop, 25–27 June 1997, Utrecht, The Netherlands
  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. Advantages and disadvantages of solar energy. Retrieved on 25 December 2013.
  12. «Environmental Impacts of Solar Power». Union of Concerned Scientists. [Consulta: 14 octubre 2014].
  13. Roper, L. David. «World Photovoltaic Energy» (en anglès), 24 d'agosto de 2011. [Consulta: 23 de febrer de 2013].
  14. REN21 (2009). Renewables Global Status Report: 2009 Update p. 9.
  15. Martinot, Eric and Sawin, Janet (9 de septiembre de 2009). Renewables Global Status Report 2009 Update, Renewable Energy World.
  16. «La fotovoltaica instalada en el mundo supera los 100 GW» (en castellà). Energías renovables.com, 12 de febrer de 2013. [Consulta: 23 de febrer de 2013].
  17. «Global Solar Forecast – A Brighter Outlook for Global PV Installations» (en anglès). [Consulta: 30 de desembre de 2013].
  18. 18,0 18,1 Lenardic, Denis. «Large-scale photovoltaic power plants ranking 1 – 50» (en anglès). PV Resources, 16 de novembre de 2013. [Consulta: 4 de gener de 2014].
A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Energia solar fotovoltaica