Estudi de viabilitat i disseny d una instal lació fotovoltaica per a una comunitat-illa

Texto completo

(1)Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. Titulació: Grau en Enginyeria Elèctrica. Alumne (nom i cognoms): Jan López i Majó. Enunciat TFG / TFM: Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Director/a del TFG / TFM: José Ignacio Candela García. Codirector/a del TFG / TFM:. Convocatòria de lliurament del TFG / TFM: 20 de setembre de 2019.

(2) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. Resum El present estudi pretén avaluar diferents propostes per a una instal·lació fotovoltaica sobre la teulada d’una comunitat de veïns, a partir de l’ús de panells de diferents fabricants i en disposició plana o inclinada. En base a la proposta seleccionada, es dissenyarà la instal·lació elèctrica amb tots els aparells i elements necessaris per a tal fi i, finalment, determinar la seva rendibilitat i viabilitat.. Resumen El presente estudio pretende evaluar diferentes propuestas para una instalación fotovoltaica sobre el tejado de una comunidad de vecinos, a partir del uso de paneles de diferentes fabricantes y en disposición plana o inclinada. En base a la propuesta seleccionada, se diseñará la instalación eléctrica con todos los aparatos y elementos necesarios para tal fin y, finalmente, determinar su rentabilidad y viabilidad.. Abstract The present study aims to evaluate different proposals for a photovoltaic installation on the roof-top of a neighbours community block, by means of the use of panels from different manufacturers and in flat or tilted placing. Based on the chosen proposal, the electrical installation will be designed with all the necessary equipment and elements so as to accomplish that and, eventually, determine its profitability and viability.. 2.

(3) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. Índex de continguts 1.. Objectiu del treball .................................................................................................. 11. 2.. Introducció .............................................................................................................. 12 2.1.. Energia solar fotovoltaica ................................................................................ 12. 2.1.1.. Repàs històric de l’efecte fotoelèctric ...................................................... 12. 2.1.2.. Conceptes previs ....................................................................................... 13. 2.1.3.. Terminologia de la tecnologia fotovoltaica .............................................. 18. 2.2.. Instal·lacions fotovoltaiques connectades a xarxa ........................................... 19. 2.2.1.. Funcionament del sistema on-grid ........................................................... 19. 2.2.2.. Requisits per a connectar una instal·lació fotovoltaica a xarxa................ 20. 2.3.. Evolució de l’energia solar fotovoltaica a Espanya ......................................... 20. 2.3.1.. Potencial solar del territori ....................................................................... 20. 2.3.2.. Recorregut històric ................................................................................... 21. 3.. Normativa i legislació ............................................................................................. 24. 4.. Descripció tècnica de la instal·lació ........................................................................ 25 4.1.. Ubicació, orientació i descripció de la comunitat ............................................ 25. 4.2.. Propostes de panells fotovoltaics ..................................................................... 27. 4.3.. Tipus d’estructura fotovoltaica ........................................................................ 29. 4.3.1.. Requisits per a la instal·lació dels suports ................................................ 29. 4.3.2.. Disposició plana ....................................................................................... 31. 4.3.3.. Disposició inclinada ................................................................................. 32. 4.4.. Col·locació dels equips .................................................................................... 34. 4.5.. Propostes de distribucions dels panells ............................................................ 34. 4.5.1.. Procediment que aplica a les distribucions ............................................... 34. 4.5.2.. Proposta I: panells monocristal·lins i coplanars ....................................... 37. 4.5.3.. Proposta II: panells policristal·lins i coplanars ........................................ 37. 4.5.4.. Proposta III: panells de capa fina i coplanars ........................................... 38. 4.5.5.. Proposta IV: panells monocristal·lins i inclinats ...................................... 38. 4.5.6.. Proposta V: panells policristal·lins i inclinats .......................................... 39. 4.5.7.. Proposta VI: panells de capa fina i inclinats............................................. 39. 4.5.8.. Resultats energètics i elèctrics de cada proposta ...................................... 40. 4.6.. Simulació ......................................................................................................... 60. 4.7.. Distribució dels panells fotovoltaics a partir de la proposta seleccionada....... 63. 4.8.. Components de la instal·lació .......................................................................... 65. 4.8.1.. Estructures i suports ................................................................................. 65 4.

(4) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa 4.8.2.. Panells fotovoltaics ................................................................................... 78. 4.8.3.. Cablejat DC .............................................................................................. 78. 4.8.4.. Caixa de protecció DC .............................................................................. 84. 4.8.5.. Inversor ..................................................................................................... 86. 4.8.6.. Caixa de protecció AC .............................................................................. 91. 4.8.7.. Cablejat AC .............................................................................................. 92. 4.8.8.. Comptadors............................................................................................... 97. 4.9.. 5.. Jan López Majó. Sistemes de protecció ..................................................................................... 100. 4.9.1.. Protecció contra el llamp ........................................................................ 100. 4.9.2.. Protecció contra sobretensions i curtcircuits DC .................................... 101. 4.9.3.. Protecció contra sobretensions i curtcircuits AC .................................... 103. 4.9.4.. Posta a terra de la instal·lació ................................................................. 106. Plantejament d’obra i costos d’instal·lació ........................................................... 111 5.1.. Cost de personal ............................................................................................. 111. 5.2.. Cost de lloguer de plataformes i estructures .................................................. 112. 5.3.. Cost tècnic de redacció del projecte............................................................... 112. 5.4.. Altres costos ................................................................................................... 112. 6.. Pressupost .............................................................................................................. 113. 7.. Rendibilitat ............................................................................................................ 117. 9.. 7.1.. Vida útil dels equips ...................................................................................... 117. 7.2.. Costos de manteniment .................................................................................. 117. 7.3.. Retorn de la inversió ...................................................................................... 118. Conclusions i recomanacions ................................................................................ 125. 10. Bibliografia............................................................................................................ 127. 5.

(5) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. Índex de taules Taula 1. Comparació de les diferents característiques d'un panell monocristal·lí, policristal·lí i thin-film ................................................................................................... 28 Taula 2. Selecció del triangle de muntatge amb inclinació en funció de la teulada ....... 33 Taula 3. Resultats energètics ideals per a la proposta I .................................................. 42 Taula 4. Resultats energètics ideals per a la proposta II................................................. 43 Taula 5. Resultats energètics ideals per a la proposta III ............................................... 44 Taula 6. Resultats energètics ideals per a la proposta IV ............................................... 45 Taula 7. Resultats energètics ideals per a la proposta V ................................................ 46 Taula 8. Resultats energètics ideals per a la proposta VI ............................................... 47 Taula 9. Resultats energètics reals i comparació amb els ideals per a la proposta I ...... 49 Taula 10. Resultats elèctrics de la proposta I ................................................................. 50 Taula 11. Resultats energètics reals i comparació amb els ideals per a la proposta II ... 51 Taula 12. Resultats elèctrics de la proposta II ................................................................ 52 Taula 13. Resultats energètics reals i comparació amb els ideals per a la proposta III .. 53 Taula 14. Resultats elèctrics de la proposta III ............................................................... 54 Taula 15. Resultats energètics reals i comparació amb els ideals per a la proposta IV . 55 Taula 16. Resultats elèctrics de la proposta IV .............................................................. 56 Taula 17. Resultats energètics reals i comparació amb els ideals per a la proposta V ... 57 Taula 18. Resultats elèctrics de la proposta V ................................................................ 58 Taula 19. Resultats energètics reals i comparació amb els ideals per a la proposta VI . 59 Taula 20. Resultats elèctrics de la proposta VI .............................................................. 60 Taula 21. Resultats de les simulacions amb PVsyst ....................................................... 61 Taula 22. Distribució final dels panells fotovoltaics sobre les teulades comunitàries ... 64 Taula 23. Estimacions energètiques de la proposta seleccionada per a la instal·lació fotovoltaica ..................................................................................................................... 65 Taula 24. Distribució dels carrils de muntatge per escala i teulada ............................... 67 Taula 25. Distribució dels connectors per a carril per escala i teulada .......................... 68 Taula 26. Distribució de les peces mòbils per escala i teulada....................................... 69 Taula 27. Distribució de les grapes intermitges per escala i teulada .............................. 70 Taula 28. Distribució de les grapes finals per escala i teulada ....................................... 71 Taula 29. Distribució de les grapes de bloqueig per escala i teulada ............................. 72 Taula 30. Distribució dels ganxos d'alumini per escala i teulada ................................... 73 Taula 31. Distribució dels cargols ASSY®plus per escala i teulada .............................. 74 Taula 32. Distribució dels cargols amb cap de martell per escala i teulada ................... 75 Taula 33. Distribució de les rosques carril varifix per escala i teulada .......................... 76 Taula 34. Distribució dels cargols mètrics hexagonals DIN 933 M8 per escala i teulada ........................................................................................................................................ 77 Taula 35. Distribució de les rosques hexagonals auto-blocants per escala i teulada...... 78 Taula 36. Càlcul de les caigudes de tensió dels cables del costat de corrent continu de la instal·lació ...................................................................................................................... 80 Taula 37. Distribució del cablejat DC positiu per escala i teulada ................................. 81 Taula 38. Distribució del cablejat DC negatiu per escala i teulada ................................ 82 Taula 39. Distribució dels connectors TYCO mascle i femella per escala i teulada ...... 84 Taula 40. Número de mòduls per caixa de protecció DC de cada escala ....................... 86 Taula 41. Selecció i preus de les caixes de protecció DC ............................................. 86 6.

(6) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. Taula 42. Selecció i distribució dels inversors per strings i escales de la comunitat ..... 89 Taula 43. Distribució dels inversors per escala i teulada ............................................... 90 Taula 44. Número de mòduls per caixa de protecció AC de cada escala ....................... 91 Taula 45. Selecció i preus de les caixes de protecció AC ............................................. 92 Taula 46. Distribució de les caixes de protecció (quadres elèctrics) per escala ............. 92 Taula 47. Distribució de la potència nominal de la instal·lació fotovoltaica per escala 94 Taula 48. Corrents nominals dels circuits trifàsics de cada escala ................................. 94 Taula 49. Corrents i caigudes de tensió màxims de cada escala per a una secció de cable de 4 mm2 i longitud de 15 m .......................................................................................... 94 Taula 50. Corrents i caigudes de tensió màxims de cada escala per a una secció de cable de 6 mm2 i longitud de 15 m .......................................................................................... 94 Taula 51. Distribució del cable AC de la fase R per escala i teulada ............................. 95 Taula 52. Distribució del cable AC de la fase S per escala i teulada ............................. 96 Taula 53. Distribució del cable AC de la fase T per escala i teulada ............................. 96 Taula 54. Distribució del cable AC neutre N per escala i teulada .................................. 97 Taula 55. Distribució dels comptadors trifàsics per escala ............................................ 99 Taula 56. Distribució dels dispositius de protecció contra sobretensions PSC3 per escala i teulada ........................................................................................................................ 102 Taula 57. Distribució de les proteccions magnetotèrmiques per escala i teulada ........ 104 Taula 58. Distribució dels dispositius de protecció contra sobretensions PSC2 per escala i teulada ........................................................................................................................ 105 Taula 59. Longituds i seccions dels cables PE de l'escala A ........................................ 106 Taula 60. Longituds i seccions dels cables PE de l'escala B ........................................ 107 Taula 61. Longituds i seccions dels cables PE de l'escala C ........................................ 107 Taula 62. Longituds i seccions dels cables PE de l'escala D ........................................ 108 Taula 63. Longituds i seccions dels cables PE de l'escala E ........................................ 108 Taula 64. Longituds i seccions dels cables PE de l'escala F ........................................ 109 Taula 65. Longituds i seccions dels cables PE de l'escala G ........................................ 110 Taula 66. Cost de les etapes d'instal·lació .................................................................... 112 Taula 67. Cost tècnic de redacció del projecte ............................................................. 112 Taula 68. Pressupost de les estructures i suports de la instal·lació fotovoltaica .......... 113 Taula 69. Pressupost dels components elèctrics de la instal·lació fotovoltaica ........... 115 Taula 70. Evolució de l'IPC a la província de Barcelona durant els anys 2009-2018 .. 118. 7.

(7) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. Índex de figures Figura 1. Evolució de la irradiància extraterrestre als hemisferis nord (corba grisa) i sud (corba blava) en funció del dia de l'any. Els punts on es creuen són els equinoccis de primavera i tardor i els màxims i mínims per a cada corba corresponen als solsticis d’hivern i d’estiu. ............................................................................................................ 14 Figura 2. Corba de l'equació del temps en funció del dia de l'any. ................................ 15 Figura 3. Corba de la declinació del Sol al llarg de l'any. Es pot observar com als mesos de març i setembre la declinació és de 0º (equinoccis de primavera i tardor, respectivament) i als mesos de juny i desembre la declinació és de 23,45 i -23,45º, respectivament. ............................................................................................................... 16 Figura 4. Mapa de la irradiància solar a Espanya (no s’inclouen les Illes Canàries, Ceuta i Melilla). Font: IRENA, Global Atlas ........................................................................... 21 Figura 5. Evolució de la capacitat instal·lada de la tecnologia fotovoltaica a Espanya entre els anys 2010 i 2018. Font: IRENA ....................................................................... 23 Figura 6. Plànol d'ubicació de la comunitat de propietaris del carrer Lepant 257 de Terrassa........................................................................................................................... 26 Figura 7. Distribució de les escales de la comunitat i vista en planta de la superfície disponible per a la instal·lació fotovoltaica .................................................................... 27 Figura 8. Teulada de l'escala A amb teula mixta orientada a sud ................................... 29 Figura 9. Triangle per a muntatge amb inclinació .......................................................... 33 Figura 10. Projecció d'ombra de les xemeneies sobre les teulades N2 i N3 de les escales A i B ............................................................................................................................... 37 Figura 11. Gràfic comparatiu del nombre de panells instal·lats per a cada proposta ..... 62 Figura 12. Gràfic comparatiu entre el cost per kWh instal·lat per a cada proposta ....... 62 Figura 13. Vista en planta de la distribució dels panells de la instal·lació fotovoltaica sobre la teulada ............................................................................................................... 64 Figura 14. Carril de muntatge 60x37 .............................................................................. 66 Figura 15. Connector per a carril .................................................................................... 67 Figura 16. Peça mòbil per a immobilitzar els connectors per a carril ............................ 68 Figura 17. Grapa intermitja ............................................................................................ 69 Figura 18. Grapa final ..................................................................................................... 70 Figura 19. Grapa de bloqueig ......................................................................................... 71 Figura 20. Ganxo d'alumini per a teulades ..................................................................... 72 Figura 21. Cargol ASSY®plus ....................................................................................... 73 Figura 22. Cargol amb cap de martell ............................................................................ 74 Figura 23. Rosca carril varifix ........................................................................................ 75 Figura 24. Cargol mètric hexagonal DIN 933 M8 ......................................................... 76 Figura 25. Rosca hexagonal auto-blocant....................................................................... 77 Figura 26. Terrat del bloc de l'escala A .......................................................................... 83 Figura 27. Baixant de telecomunicacions del bloc per on circularan els cables de corrent continu provinents de l’exterior...................................................................................... 83 Figura 28. Centralització de comptadors de l'escala A................................................... 98 Figura 29. Parallamps, model nimbus 45 ..................................................................... 101 Figura 30. Dispositiu de protecció contra sobretensions (DPS), PSC3-5/1000 PV IR 102 Figura 31. Dispositiu que combina un interruptor diferencial amb un de magneto-tèrmic, Serie TD3 RCBO .......................................................................................................... 103 8.

(8) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. Figura 32. Dispositiu de protecció contra sobretensions (DPS), PSC2-12,5-230 TT/IR ...................................................................................................................................... 105 Figura 33. Corba d'operació del panell policristal·lí durant la seva vida útil. Font: fitxa tècnica del panell fotovoltaic Eagle Plus 72 de Jinkosolar ........................................... 117 Figura 34. Evolució del flux de caixa acumulat per la comunitat per a un preu de l'energia de 0,08 €/kWh ................................................................................................ 119 Figura 35. Evolució del flux de caixa acumulat per propietari per a un preu de l'energia de 0,08 €/kWh .............................................................................................................. 119 Figura 36. Evolució del flux de caixa acumulat per la comunitat per a un preu de l'energia de 0,10 €/kWh ................................................................................................ 120 Figura 37. Evolució del flux de caixa acumulat per propietari per a un preu de l'energia de 0,10 €/kWh .............................................................................................................. 120 Figura 38. Evolució del flux de caixa acumulat per la comunitat per a un preu de l'energia de 0,12 €/kWh ................................................................................................ 121 Figura 39. Evolució del flux de caixa acumulat per propietari per a un preu de l'energia de 0,12 €/kWh .............................................................................................................. 121 Figura 40. Evolució del flux de caixa acumulat per la comunitat per a un preu de l'energia de 0,14 €/kWh ................................................................................................ 122 Figura 41. Evolució del flux de caixa acumulat per propietari per a un preu de l'energia de 0,14 €/kWh .............................................................................................................. 122 Figura 42. Evolució del retorn de la inversió en funció del cost inicial de l'energia.... 123 Figura 43. Evolució del retorn de la inversió per propietari en funció del cost inicial de l'energia......................................................................................................................... 123. 9.

(9) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. Índex d’equacions (1) ................................................................................................................................... 14 (2) ................................................................................................................................... 14 (3) ................................................................................................................................... 15 (4) ................................................................................................................................... 15 (5) ................................................................................................................................... 16 (6) ................................................................................................................................... 16 (7) ................................................................................................................................... 16 (8) ................................................................................................................................... 17 (9) ................................................................................................................................... 17 (10) ................................................................................................................................. 17 (11) ................................................................................................................................. 17 (12) ................................................................................................................................. 17 (13) ................................................................................................................................. 17 (14) ................................................................................................................................. 17 (15) ................................................................................................................................. 17 (16) ................................................................................................................................. 18 (17) ................................................................................................................................. 18 (18) ................................................................................................................................. 30 (19) ................................................................................................................................. 30 (20) ................................................................................................................................. 30 (21) ................................................................................................................................. 35 (22) ................................................................................................................................. 35 (23) ................................................................................................................................. 36 (24) ................................................................................................................................. 41 (25) ................................................................................................................................. 41 (26) ................................................................................................................................. 47 (27) ................................................................................................................................. 48 (28) ................................................................................................................................. 48 (29) ................................................................................................................................. 79 (30) ................................................................................................................................. 79 (31) ................................................................................................................................. 79 (32) ................................................................................................................................. 87 (33) ................................................................................................................................. 87 (34) ................................................................................................................................. 87 (35) ................................................................................................................................. 87 (36) ................................................................................................................................. 87 (37) ................................................................................................................................. 87 (38) ................................................................................................................................. 87 (39) ................................................................................................................................. 87 (40) ................................................................................................................................. 93 (41) ................................................................................................................................. 93 (42) ............................................................................................................................... 118. 10.

(10) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. 1. Objectiu del treball El present treball té per objectiu estudiar la viabilitat i el disseny d’una instal·lació fotovoltaica connectada a la xarxa elèctrica i destinada a l’autoconsum dels propietaris d’una comunitat-illa. Per a assolir tal objectiu, s’han de completar una sèrie de punts:      . Càlcul de la disponibilitat del recurs solar i estimació de l’energia generada. Representació gràfica de la instal·lació i la comunitat-illa (plànols). Càlcul elèctric i dimensionat dels equips de la instal·lació. Proposta de diferents alternatives constructives. Distribució sobre l’espai dels components de la instal·lació. Valorar la rendibilitat de la instal·lació en base a un criteri econòmic.. Donat l’abast de l’estudi, és imprescindible tenir a disposició un conjunt de recursos humans, informàtics, tècnics i altres a partir dels quals poder materialitzar la llista anterior. Alguns d’aquests recursos són els següents:  . . Accés a la teulada per a estudiar el terreny de primera mà. Programes informàtics, tals com l’AutoCAD per al dibuix dels plànols, com el PVsyst per a un disseny previ de la instal·lació i posterior desenvolupament i altres eines com MATLAB o Excel per tal de realitzar els càlculs elèctrics i altres. També s’utilitzarà el Nimbus Project Designer®, de l’empresa Cirprotec, S.L.U, el qual permet elaborar un estudi de la necessitat d’instal·lar parallamps. Fonts d’informació, ja siguin en format imprès o a la xarxa, per tal d’introduir el marc teòric, cercar els components necessaris i adequats per a la instal·lació, etc.. L’esperit d’aquest treball és tant dur a terme l’estudi de viabilitat i disseny com aprendre les nocions bàsiques per a desenvolupar-lo, és a dir, adquirir les competències necessàries per a tirar endavant un treball d'aquest calibre.. 11.

(11) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. 2. Introducció En aquest apartat, tal i com indica el seu nom, es pretén introduir una base científica, tècnica i històrica de l’energia solar fotovoltaica. Per això, s’estructura en tres punts: energia solar fotovoltaica, instal·lacions fotovoltaiques connectades a xarxa i evolució de l’energia solar fotovoltaica a Espanya.. 2.1. Energia solar fotovoltaica Aquest primer punt del primer apartat es divideix en tres blocs: repàs històric de l’efecte fotoelèctric, a través del qual no només es pretén donar la mínima noció científica de tal fenomen sinó conèixer les figures il·lustres que des de fa segles van desenvolupar teories i experiments al voltant de la llum; conceptes previs, principalment relacionats amb el recurs solar, i terminologia de la tecnologia fotovoltaica, per tal d’entendre aquells conceptes estricament relacionats amb els panells, les seves característiques i funcionament. 2.1.1. Repàs històric de l’efecte fotoelèctric La tecnologia emprada per a aprofitar la incidència solar s’ha anat millorant al llarg dels anys, però el principi d’obtenció d’aquesta energia continua sent el mateix. El principi físic que descriu la transformació d’energia solar fotovoltaica a energia elèctrica és el fenomen de l’efecte fotoelèctric. Històricament, s’atribueix el descobriment de l’efecte fotoelèctric a Albert Einstein. No obstant, Einstein tan sols va interpretar tal fenomen des d’una nova perspectiva i a partir de la qual va donar origen a la teoria quàntica. Per a entendre la cronologia i conèixer les individualitats que van aportar el seu gra de sorra al respecte, cal remuntar-se a l’any 1801 quan, accidentalment, Thomas Young va demostrar el caràcter ondulatori de la llum. En el seu experiment, Young va generar dues llums com a resultat d’il·luminar dues escletxes estretes i paral·leles i a molt poca distància una sobre de l’altra d’una làmina amb una sola font. Al projectar la llum sobre una pantalla blanca, es podien apreciar franges brillants i fosques. L’explicació que Young li va donar a aquest fenomen era que en els punts més brillants, coincidien les crestes de les ones generades per les dues escletxes, mentre que als punts més foscos coincidien les crestes amb les valls, de manera que en el primer cas l’ona d’interferència sortia reforçada i en el segon, debilitada. 59 anys després, això és el 1860, James Clerk Maxwell va establir la teoria ondulatòria de la llum definint les ones electromagnètiques i les 12.

(12) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. equacions que porten el seu nom. Tot i així, va ser un altre físic i no ell qui va confirmar experimentalment la seva teoria: Heinrich Rudolf Hertz. Hertz va dur a terme un experiment en el qual provava que una guspira generés ones electromagnètiques ja que aquestes transfereixen energia a través de l’aire. En el seu experiment, el receptor d’aquesta energia era un segon circuit el qual es tancava també a través de dues esferes metàl·liques. En aquell moment, Hertz va descobrir l’efecte fotoelèctric ja que va aconseguir generar un corrent elèctric a partir de la transferència d’ones electromagnètiques generades en un circuit primari. No obstant, va ser Philipp Lenard, ajudant de Hertz, qui va desenvolupar estudis experimentals sobre aquest efecte. De fet, l’any 1900 va demostrar que, en aquest fenomen, la llum arrencava electrons i va establir algunes lleis experimentals al respecte. Tot i així, els resultats obtinguts no encaixaven dins de la física clàssica. Finalment, va ser a l’any 1905 quan Albert Einstein va publicar quatre articles a la revista Annalen der Physik, entre els quals n’hi havia un titulat “On a heurístic viewpoint concernint the production and transformation of light”, en el qual es basa l’efecte fotoelèctric com el coneixem avui en dia i que li comportaria un reconeixement uns anys més tard amb el guardó del Premi Nobel de Física l’any 1921. En aquest article, doncs, Einstein suggeria el caràcter dual de la llum com a onacorpuscle per a poder explicar aquest fenomen. Respecte al caràcter corpuscular de la llum, Einstein va definir-lo com a “paquets” de llum (G. N. Lewis va introduir el concepte de fotó l’any 1926). Quan aquests impacten sobre un àtom, poden desplaçar els electrons de la capa de valència si els hi transfereixen prou energia, de manera que aquests s’alliberen i deixen l’àtom carregat positivament. Els electrons dels àtoms contigus poden desplaçar-se per tal de cobrir el forat deixat per l’electró alliberat inicialment aportant-hi la seva càrrega negativa, però en fer-ho deixaran carregats positivament els seus àtoms, amb la qual cosa es genera un corrent elèctric. 2.1.2. Conceptes previs Per al màxim aprofitament de l’energia solar fotovoltaica, cal realitzar en una primera etapa un estudi dels recursos energètics disponibles. Per això, factors com la latitud de la instal·lació fotovoltaica, l’angle d’inclinació dels panells i molts més, són importants de cara a optimitzar la conversió d’una energia a una altra. A continuació, doncs, s’introdueixen paràmetres que són rellevants per tal d’avaluar els recursos disponibles a l’entorn en el qual es vol implementar la instal·lació. a) Irradiància, G: és la densitat de potència d’una superfície determinada (W/m2). Pot ser directa, difusa o reflectida. 13.

(13) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. b) Irradiància directa, Gb: és la irradiància que a arriba a la superfície de la Terra sense haver sigut dispersada a l’atmosfera. Sempre és perpendicular a la superfície del Sol. c) Irradiància difusa, Gd: és la irradiància que arriba a la superfície de la Terra després d’haver sigut dispersada per l’atmosfera. d) Constant solar, Gsc: és el valor de la irradiància extraterrestre, és a dir, la que arriba a la part externa de l’atmosfera, suposant una atenuació nul·la al buit i a una distància de la Terra al Sol de 149,6 milions de km (també 1 UA) de mitjana anual per a la qual pren el valor de Gsc = 1.367 W/m2. La irradiància extraterrestre en funció del dia de l’any es pot calcular com: 360 · 𝑛 𝐺0,𝑛 = 𝐺𝑠𝑐 · (1 ± 0,033 · cos ( )) 365. (1). on n és el dia de l’any (acumulatiu, és a dir, el 5 de febrer correspondria a n = 31 dies gener + 5 dies febrer = 36). Per a una ubicació situada a l’hemisferi nord, l’expressió entre parèntesis es resta i per a l’hemisferi sud, es suma.. Evolució de la irradiància extraterrestre als hemisferis nord i sud en funció del dia de l'any 1420. G0,n = f(n) (W/m2). 1400 1380 1360 1340 1320 1300 1280. 1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 169 181 193 205 217 229 241 253 265 277 289 301 313 325 337 349 361. 1260. Dies de l'any, n (dia) G0.n (N) (W/m2). G0.n (S) (W/m2). Figura 1. Evolució de la irradiància extraterrestre als hemisferis nord (corba grisa) i sud (corba blava) en funció del dia de l'any. Els punts on es creuen són els equinoccis de primavera i tardor i els màxims i mínims per a cada corba corresponen als solsticis d’hivern i d’estiu.. Per a altres bibliografies1 també es pot calcular de la següent manera: 𝐺𝑒𝑥 = 𝑆𝑒𝑥 · sin ℎ𝑆 (ℎ𝑆 > 0). (2). on Sex és la irradiància extraterrestre en funció del dia de l’any i hS l’elevació solar, la qual es comentarà més endavant. 1. Veure “PHOTOVOLTAICS System Design and Practice” a la bibliografia.. 14.

(14) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. e) Hora solar, HS: es basa en el moviment angular aparent del Sol i no coincideix amb l’hora local dels rellotges convencionals. Per aquest motiu, es pot aplicar una correcció per a determinar-ne el valor a partir de l’hora local (HST), el meridià de referència (LST), el meridià o longitud local (Lloc) i l’equació del temps (E) que alhora es calcula amb una expressió diferent: 𝐻𝑆 − 𝐻𝑆𝑇 = 4 · (𝐿𝑆𝑇 − 𝐿𝑙𝑜𝑐 ) + 𝐸. (3). 𝐸 = 229,2 · (0,0000075 + 0,001868 · cos 𝐵 − 0,032077 · sin 𝐵 − 0,014615 · cos 2𝐵 − 0,04089 · sin 2𝐵). (4). 360 𝐵 = (𝑛 − 1) · 365 A les dues equacions anteriors, les unitats dels paràmetres han d’estar en minuts (de temps, no d’angle). El 4 fa referència als minuts que tarda el Sol en recórrer 1º de longitud.. Equació del temps, E, en funció del dia de l'any 20 15. 5 0. 1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 169 181 193 205 217 229 241 253 265 277 289 301 313 325 337 349 361. E (minuts). 10. -5 -10 -15 -20. Dies de l'any, n (dia) Figura 2. Corba de l'equació del temps en funció del dia de l'any.. f) Latitud, f: angle que formen l’equador terrestre i el paral·lel que passa pel punt en qüestió. g) Declinació, d: angle que formen el Sol al migdia (solar) quan passa pel meridià local i l’equador celeste. Els valors màxims i mínims oscil·len entre ±23,45º, valors que coincideixen amb la inclinació de l’eix terrestre sobre el pla de l’eclíptica a l’hivern i a l’estiu. Als equinoccis de tardor i primavera, la declinació és de 0º. Es pot calcular com segueix: 15.

(15) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa 𝛿 = 23,45º · sin (360 ·. Jan López Majó 284 + 𝑛 ) 365. (5). Declinació del Sol al llarg de l'any 30. 10 0. 1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 169 181 193 205 217 229 241 253 265 277 289 301 313 325 337 349 361. Declinació, d (º). 20. -10 -20 -30. Dies de l'any, n (dia). Figura 3. Corba de la declinació del Sol al llarg de l'any. Es pot observar com als mesos de març i setembre la declinació és de 0º (equinoccis de primavera i tardor, respectivament) i als mesos de juny i desembre la declinació és de 23,45 i -23,45º, respectivament.. h) Inclinació, β: angle entre el panell fotovoltaic i la superfície horitzontal de la Terra en aquell punt, normalment pren valors entre 0 i 90º. L’angle d’inclinació òptim per a panells fixos es pot calcular en base a les necessitats energètiques. i) Azimut de la superfície de captació, g: angle entre la projecció d’una recta normal a la superfície del panell i el meridià que passa per la mateixa superfície. Per a un punt de l’hemisferi nord, l’angle és 0º quan està alineat a sud i augmenta en sentit horari mentre que per a un punt de l’hemisferi sud, l’angle és 0º quan està alineat a nord i augmenta en sentit antihorari. j) Angle horari, ωs: angle que formen la longitud del punt en qüestió i la latitud del Sol en el moment que travessa el meridià local. Tenint en compte que la Terra dóna una volta sobre sí mateixa en un dia (360º en 24 h), la velocitat de rotació és de 15º per hora; per tant, s’aplica aquest factor corrector sobre la següent expressió: 𝜔𝑠 = (𝐻𝑆 − 12) · 15. (6). k) Angle zenit, θz: angle entre una recta normal al punt horitzontal de la superfície en qüestió i la línia del Sol. L’expressió per a trobar tal angle és la següent: 𝜃𝑧 = cos −1(sin 𝜙 · sin 𝛿 + cos 𝜙 · cos 𝛿 · cos 𝜔𝑠 ). (7). 16.

(16) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. l) Angle d’altitud o elevació solar, αs: complementari de l’angle zenit. 𝛼𝑠 = 90º − 𝜃𝑧. (8). m) Angle horari de sortida i posta de Sol, Hsr i Hss, respectivament: angle de sortida i posta de sol per a una ubicació i dia de l’any determinats. Es poden determinar com es mostra a continuació: 𝐻𝑠𝑠 = −𝐻𝑠𝑟. cos −1(− tan 𝜙 · tan 𝛿) = 15. (9). De manera molt similar es pot determinar la durada del dia: 2 · cos −1 (− tan 𝜙 · tan 𝛿) 𝐻𝐿 = 15. (10). n) Angle d’azimut solar, gs: angle entre la projecció de la irradiància directa sobre una superfície plana i el sud real del punt en qüestió. L’expressió matemàtica és la següent: sin 𝛾𝑠 =. cos 𝛿 · sin 𝜔 cos 𝛼𝑠. (11). o) Angle d’incidència, θ: angle que formen el vector de la irradiància directa sobre el panell i la recta normal al pla de captació d’aquest. El seu càlcul implica els angles introduïts més amunt: cos 𝜃 = sin 𝛿 · sin 𝜙 · cos 𝛽 − sin 𝛿 · cos 𝜙 · sin 𝛽 · cos 𝛾 + cos 𝛿 · cos 𝜙 · cos 𝛽 · cos 𝜔 + cos 𝛿 · sin 𝜙 · sin 𝛽 · cos 𝛾 · cos 𝜔 + cos 𝛿 · sin 𝛽 · sin 𝛾 · sin 𝜔. (12). Per a superfícies inclinades i orientades al sud i al nord, a l’hemisferi nord i sud respectivament, l’expressió es simplifica: cos 𝜃 = sin(𝜙 − 𝛽) · sin 𝛿 + cos(𝜙 − 𝛽) · cos 𝛿 · cos 𝜔. (13). cos 𝜃 = sin(𝜙 + 𝛽) · sin 𝛿 + cos(𝜙 + 𝛽) · cos 𝛿 · cos 𝜔. (14). p) Factor d’inclinació, Rb: és la relació entre l’angle d’incidència i l’angle zenit. Es pot trobar com: 𝑅𝑏 =. cos 𝜃 cos 𝜃𝑧. (15). 17.

(17) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. q) Radiació, H: és la densitat d’energia d’una superfície determinada o l’equivalent a la quantitat d’irradiància que rep una superfície en un interval de temps (J/m2 o kWh/m2 i altres equivalents). r) Radiació diària, H0: energia que rep una superfície determinada durant el transcurs d’un dia. Es pot trobar tal com segueix: 𝐻0 =. 24 · 3.600 · 𝐺0,𝑛 𝜋 𝜋 · 𝜔𝑠 · (cos 𝜙 · cos 𝛿 · sin 𝜔𝑠 + ( ) · sin 𝜙 · sin 𝛿) 180. (16). s) Radiació horària, I0: energia que rep una superfície determinada durant el transcurs d’una hora. La seva expressió es: 𝐼0 = 3.600 · 𝐺0,𝑛 · cos 𝜙 · cos 𝛿 · (cos 𝜔 − cos 𝜔𝑠 ). (17). t) Atenuació solar: la irradiància que arriba a la superfície terrestre sempre és menor que la irradiància extraterrestre ja que a l’atmosfera es produeixen diferents fenòmens que en disminueixen el seu valor, tals com: el gruix de la capa d’ozó, la cobertura de núvols, la massa d’aire que s’ha de travessar, etc. 2.1.3. Terminologia de la tecnologia fotovoltaica En aquest punt, en la mateixa línia que l’anterior, es presentaran conceptes per tal d’entendre el conjunt d’aquest estudi però enfocats a la tecnologia fotovoltaica, tals com els diferents tipus de panells fotovoltaics, tipus d’instal·lacions, MPPT, etc. a) Silici monocristal·lí: silici solidificat en un gran cristall. b) Silici policristal·lí: silici solidificat en petits cristalls en qualsevol orientació. La seva producció requereix menys energia que els monocristal·lins. c) Silici amorf: silici no solidificat en una estructura cristal·lina. d) “Thin-film” o capa fina: fabricat en làmines en el rang de nanòmetres a micròmetres. e) Cèl·lula solar: díode semiconductor que genera electricitat quan hi impacta la llum del Sol. f) Mòdul solar: conjunt de cèl·lules solars estructurades normalment en sèrie i recobertes contra efectes ambientals externs. g) Panell solar: unitat formada per mòduls solars ajuntats entre sí mecànicament. h) Generador solar: és un conjunt de panells solars disposats en sèrie sobre la mateixa estructura de suport i connectats entre ells. i) Camp generador solar: comprèn diferents generadors solars i configura un sistema fotovoltaic.. 18.

(18) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. j) Sistema fotovoltaic: conjunt d’elements d’una instal·lació encarregats de la conversió de radiació solar a energia elèctrica. k) Sistema fotovoltaic aïllat o autònom: sistema fotovoltaic no connectat a xarxa, la qual cosa requereix l’ús de bateries per a emmagatzemar l’energia de nit i poder cobrir els pics de càrrega. l) Sistema fotovoltaic connectat a xarxa: com el mateix nom indica, sistema connectat a xarxa i a partir del qual es permet evocar energia a la xarxa quan el consum no la requereixi o pel contrari, obtenir-ne d’aquesta per a poder cobrir el consum local quan no sigui suficient la generació a partir d’energia solar fotovoltaica. m) Característica tensió-corrent, I = f(V): corba de corrent en funció de la tensió d’una cèl·lula o mòdul solar per a una radiació i temperatura determinades. Normalment el fabricant proporciona diferents corbes. n) Tensió de buit, VOC: tensió d’una cèl·lula o mòdul solar sota el condicionant d’un circuit obert. El seu valor disminueix quan augmenta la temperatura. o) Corrent de curt-circuit, ISC: corrent de curt-circuit en una cèl·lula o mòdul solar (tensió de sortida de 0 V). El seu valor augmenta proporcionalment amb la radiació solar. p) MPPT2: dispositiu de seguiment del punt de màxima potència d’un panell. Poden tenir més d’una entrada.. 2.2. Instal·lacions fotovoltaiques connectades a xarxa En aquest punt es fa un breu repàs al funcionament d’aquest tipus de connexions i a les necessitats que ha d’abastir el sistema per a poder realitzar una connexió segura i de qualitat amb la xarxa. 2.2.1. Funcionament del sistema on-grid Actualment, existeixen dos tipus de connexió a xarxa per als sistems fotovoltaics, que són: sistema connectat a xarxa (grid-connected o ongrid) i sistema aïllat (stand-alone o off-grid). El sistema de connexió per a aquest estudi és el connectat a xarxa, ja que la instal·lació no contempla ni és suficientment gran per a alimentar tota la comunitat de propietaris, amb la qual cosa és necessari el suport de la xarxa elèctrica. Com s’ha introduït al punt “2.1.3. Terminologia de la tecnologia fotovoltaica”, aquest tipus de connexió es caracteritza pel fet que la generació alimenta una càrrega determinada i si li sobra energia la injecta a la xarxa, de la mateixa manera que si la generació és insuficient, la xarxa aporta energia a la càrrega.. 2. Maximum Power Point Tracker.. 19.

(19) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. 2.2.2. Requisits per a connectar una instal·lació fotovoltaica a xarxa Alguns dels aspectes més rellevants a l’hora de connectar una instal·lació fotovoltaica a xarxa són complir amb els paràmetres de tensió i freqüència d’aquesta, de la mateixa manera que cuidar la qualitat de l’energia injectada. Pel que fa als equips o elements per a satisfer aquests requisits, són imprescindibles els inversors i comptadors bidireccionals per a controlar el flux d’energia entre xarxa i la instal·lació generadora. També, cal protegir la instal·lació contra sobretensions i sobreintensitats i remarcar el fet que la posta a terra de la instal·lació fotovoltaica, dins la qual s’hi inclouen els panells, proteccions i l’inversor, és independent de la del neutre de la xarxa pública de baixa tensió.. 2.3. Evolució de l’energia solar fotovoltaica a Espanya En aquest tercer punt de l’apartat introductori, es farà una pinzellada a quin és el potencial d’aquesta tecnologia en funció de la part del territori espanyol en base al recurs solar i com ha evolucionat la generació elèctrica d’origen solar fotovoltaic a Espanya. 2.3.1. Potencial solar del territori Culturalment és conegut arreu que Espanya és un país amb abundant recurs solar. Avui en dia, a més, es disposen d’eines i recursos per a quantificar-lo i emmagatzemar-ne les dades. Cal remarcar, tot i així, que Espanya és un país on el clima i l’orografia varien molt en funció de la ubicació. Els dissenys de les instal·lacions poden ser subjectes a diferències significants segons si es viu al sud o al nord, a l’est o a l’oest, en un clima continental com el del centre de la Península o mediterrani com el de qualsevol vila o ciutat a la riba d’aquest mar. Existeixen diferents bases de dades on trobar registres i mesures de paràmetres com la radiació. Algunes de les més recorregudes són IRENA, NASA i PVGIS. D’aquestes tres, de la primera s’obté el següent mapa[1]:. 20.

(20) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. Figura 4. Mapa de la irradiància solar a Espanya (no s’inclouen les Illes Canàries, Ceuta i Melilla). Font: IRENA, Global Atlas. Es pot observar com la radiació solar augmenta de nord a sud, excepte a Castella i Lleó i entre Catalunya i Aragó, on aquesta no només creix en el sentit esmentat prèviament sinó que també ho fa al voltant d’una àrea. Per tant, els punts amb menys radiació solar són les regions de Galícia, Astúries, Cantàbria, País Basc i les àrees del Pirineu; per altra banda, els punts amb més radiació solar són Andalusia, Extremadura, Múrcia i àrees del País Valencià i de les Illes Balears. Per a la ubicació de la instal·lació fotovoltaica a desenvolupar (Terrassa, Barcelona), la radiació solar és de 4,4 kWh/m2 aproximadament. 2.3.2. Recorregut històric Pioners L’origen d’aquesta tecnologia a Espanya es remunta a l’any 1981, quan Antonio Luque López, catedràtic de la Universitat Politècnica de Madrid, funda l’empresa Isofoton a partir de l’Institut d’Energia Solar com a resposta a la crisi del petroli de la dècada dels 70. Aquesta empresa s’internacionalitzaria més endavant treballant en projectes a pobles aïllats de la xarxa elèctrica de Sud-Amèrica i Àfrica, duent a terme una tasca sobretot de caràcter social. Més endavant, el 1998, als països desenvolupats es defineix un nou sistema de connexió per a les instal·lacions fotovoltaiques com és el de connexió a la xarxa (fins aquell moment només eren aïllades), amb la qual cosa s’obrien noves possibilitats de mercat.. 21.

(21) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. Ja a l’any 2005, Isofoton es converteix en la primera empresa europea en fabricació de panells fotovoltaics, fet que es corrobora amb l’estadística de ser els panells més instal·lats a Alemanya. No obstant, aquest mercat creixia tan ràpid que va sorgir un problema amb la matèria prima: el silici purificat. El preu d’aquest recurs va augmentar dels 30-50 $/kg als 100-400 $/kg i com que els fabricants preveien que fruit d’això els clients no comprarien els panells, no es comprava prou material. Això ho va aprofitar la Xina per a rebentar els preus del mercat venent més barat, fins i tot tenint pèrdues, i va provocar que entre el 60 i el 80 % de les empreses caiguessin entre 2007 i 2010, inclosa la pionera a l’estat espanyol, Isofoton. Polítiques energètiques Des de la reinstauració de la democràcia a l’estat espanyol, hi ha hagut governs conservadors i progressistes i això s’ha traduït, lògicament, en polítiques energètiques en un sentit o un altre. Durant la primera dècada del segle, destaca l’aposta per les energies renovables i prova d’això en són les primes i subvenciones atorgades des del govern d’Espanya. Conseqüència d’aquest fet és que l’any 2008, Espanya instal·lava el 40% de la potència mundial d’origen fotovoltaic[2]. Durant la segona dècada, no obstant, fruit de la crisi econòmica mundial i del canvi de govern, la tendència es va veure interrompuda per l’aprovació d’una llei popularment coneguda com “l’impost al Sol”, la qual va dificultar el desenvolupament de l’autoconsum. Aquesta frenada es pot veure reflectida en la següent imatge.[3]. 22.

(22) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. Figura 5. Evolució de la capacitat instal·lada de la tecnologia fotovoltaica a Espanya entre els anys 2010 i 2018. Font: IRENA. Cap on anem? El passat dia 29 de març d’aquest any, el Consell de Ministres del Govern d’Espanya va publicar una nota de premsa en la qual aquest anunciava l’aprovació del Reial Decret a partir del qual es regulen les condicions de l’autoconsum d’energia elèctrica, seguit uns dies després per la publicació al BOE del Reial Decret 244/20193 de 5 d’abril[4]. Aquesta nova norma persegueix dotar la ciutadania d’un major protagonisme dins del mercat elèctric, a través dels següents punts: habilitar l’autoconsum col·lectiu, especialment el de les comunitats de propietaris com és el cas de la del present estudi; establir un mecanisme de compensació de l’energia produïda i no consumida pels petits auto consumidors4; simplificar els tràmits administratius. Per tant, tenint en compte la darrera iniciativa del Govern d’Espanya i els compromisos adquirits amb organismes i institucions internacionals contra el canvi climàtic, es trencarà amb la dinàmica d’estancament dels darrers anys i s’augmentarà la capacitat elèctrica d’aquestes instal·lacions, ja siguin de petita o gran potència.. Veure l’apartat “3. Normativa i legislació”. En anglès se’ls anomena “prosumers”, que té l’origen en la combinació de “producers” (productors) i “consumers” (consumidors). 3 4. 23.

(23) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. 3. Normativa i legislació En aquest apartat s’exposa la normativa, ja sigui d’àmbit estatal com autonòmic o municipal, que defineix el marc legal sobre: el funcionament de les instal·lacions fotovoltaiques i el seu manteniment; les obligacions del productor, consumidor i companyia elèctrica; polítiques energètiques per a incentivar aquestes instal·lacions, etc.[5]          . ITC-BT-07: Redes subterráneas para distribución en baja tensión ITC-BT-08: Sistemas de conexión del neutró y de las masas en redes de distribución de energia eléctrica ITC-BT-18: Instalaciones de puesta a tierra ITC-BT-22: Instalaciones interior o receptoras. Protección contra sobreintensidades ITC-BT-23: Instalaciones interiores o receptoras. Protección contra sobretensiones ITC-BT-24: Instalaciones interiores o receptoras. Protecció contra los contactos directos e indirectos ITC-BT-40: Instalaciones generadoras de baja tensión Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones Conectadas a Red, PCT-CREV – julio 2011 Real Decreto 244/2019, de 5 de abril, por el que se regulan las condiciones administratives, técnicas y económicas del autoconsumo de energía eléctrica Real Decreto 1663/2000, de 29 de septiembre, sobre conexión de instalaciones fotovoltaicas a la red de baja tensión. 24.

(24) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. 4. Descripció tècnica de la instal·lació En aquest apartat, es pretén definir i detallar tècnicament la instal·lació de l’estudi en qüestió. Per a tal fi, s’establiran diferents alternatives basades en l’ús de diferents panells fotovoltaics, tant pel que fa a la tecnologia pròpia d’aquests com als fabricants, i també en la seva inclinació. En base als requeriments de cada proposta, doncs, es seleccionaran els components adequats, els quals s’ubicaran sobre el plànol de la instal·lació, i els elements de protecció necessaris.. 4.1. Ubicació, orientació i descripció de la comunitat L’espai que es pretén cobrir amb la instal·lació fotovoltaica a desenvolupar en aquest estudi forma part de la teulada d’una comunitat de veïns. Aquesta comunitat està ubicada al sud-oest de la ciutat de Terrassa, es troba a 255,6 metres per sobre del nivell del mar i les seves coordenades geogràfiques són 41º33’12,66” N i 2º00’24,21” E. Respecte l’estructura de la comunitat, aquesta ocupa prop de dues terceres parts de la illa de pisos i està formada per un pati comunitari al centre i per blocs als laterals, els quals es distribueixen en set escales (de la “A” a la “G”). Cada escala compta amb planta baixa i tres pisos, l’últim dels quals és un dúplex, amb la qual cosa resulten fins a cinc plantes en total (excepte per a l’escala “G” que té planta baixa i dos pisos en el costat contigu a un altre bloc de pisos aliè a la comunitat). Els edificis al voltant de la comunitat tenen la mateixa o inferior altura a la d’aquesta, amb la qual cosa es poden negligir els efectes de les seves ombres sobre l’espai comunitari. No obstant, com es veurà més endavant, sí que caldrà tenir en compte l’efecte de les pròpies xemeneies de les teulades i dels blocs de cada escala sobre la distribució i rendiment de la instal·lació. Tal i com es pot veure a la següent figura, la comunitat té un azimut de -8,25º. Tot i així, donada la forma de la comunitat (forma de “C”), caldrà diferenciar l’estudi entre les escales orientades d’est a oest (contigües al carrer Concili Egarenc) i les escales orientades de nord a sud (contigües als carrers Lepant i Navas de Tolosa).. 25.

(25) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. Figura 6. Plànol d'ubicació de la comunitat de propietaris del carrer Lepant 257 de Terrassa. Pel que fa a l’espai potencial disponible per a la instal·lació fotovoltaica, es consideren totes les teulades de la comunitat, independentment del seu azimut, alhora que s’ha de tenir en compte la presència de les xemeneies, la qual també condicionarà, com es veurà més endavant, la col·locació i distribució dels panells. A la següent figura es pot apreciar la superfície potencial (l’àrea coberta per una capa de color marró clar).. 26.

(26) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. Figura 7. Distribució de les escales de la comunitat i vista en planta de la superfície disponible per a la instal·lació fotovoltaica. 4.2. Propostes de panells fotovoltaics En aquest punt es proposaran diferents models de panells fotovoltaics d’acord amb els principals tipus de panells comentats al segon apartat (monocristal·lins, policristal·lins i thin-film o capa fina), de tal manera que es puguin comparar entre ells tant en termes energètics com econòmics més endavant. La idea és seleccionar panells amb les mateixes prestacions, és a dir, que tinguin la mateixa potència nominal amb la finalitat de poder comparar-los en igualtat de condicions posteriorment. Cal assenyalar que s’han seleccionat panells que alhora estiguessin disponibles a la llibreria de PVsyst, amb la qual cosa no fes falta crear nous models al software sinó simplement escollir dins de la categoria de “disponibles 27.

(27) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. actualmente”. També, cal afegir que la selecció dels fabricants s’ha basat en un criteri purament de rellevància dins del mercat, donat que el ventall d’opcions és molt ampli. Característiques Tecnologia Fabricant Producte. Físiques. Elèctriques. Tèrmiques. Valors límit. Monocristal·lí ECSolar. Panells Policristal·lí Jinkosolar. 0,992 1,956 0,04 1,9404 23 325 37,40 8,77 46,90 9,52 16,80. JKM325PP72(Plus) 0,992 1,956 0,040 1,9404 26,5 325 37,60 8,66 46,70 9,10 16,75. Thin-film Eterbright CIGs3000A1 Series CIGs3350A1 1,235 1,900 0,045 2,3465 33,3 335 59,8 5,60 76,10 6,19 14,3. 0,04. 0,06. 0,01. -0,31. -0,30. -0,27. -0,40. -0,40. -0,28. -40...80. -40...85. -40...85. 1.000 16 -. 1.000 15 2.400 5.400. 1.000 8 5.400 5.400. Gamma. Monocrystalline. Model. ECS-325M72. Base (m) Altura (m) Gruix (m) Àrea (m2) Pes (kg) Pmpp (Wp) Vmpp (V) Impp (A) Voc (V) Isc (A) h(%) Coeficient de temperatura de Isc (%/ºC) Coeficient de temperatura de Voc (%/ºC) Coeficient de temperatura de P (%/ºC) Temperatura de treball (ºC) Vmax (V) IR (A) svent (Pa) sneu (Pa). Eagle Plus 72. Taula 1. Comparació de les diferents característiques d'un panell monocristal·lí, policristal·lí i thin-film. Els preus de cadascun d’ells són els següents5:  ECS-325M72: 146 € per panell[6].  Eagle Plus 72: 0,26 € per watt[7].  CIGS-3000A1 Series: 325,52 € per panell[8].. Cal fer notar que les referències d’origen dels preus són de diferents proveïdors, com són SECONDSOL, Flecon i ENF. 5. 28.

(28) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. 4.3. Tipus d’estructura fotovoltaica Actualment, existeixen diferents tipus d’estructures fotovoltaiques, les quals es dissenyen en base a la ubicació i col·locació dels panells. Així, se’n poden trobar per a cobertes metàl·liques, per a panells instal·lats sobre el terra o una superfície plana, per a panells instal·lats sobre parets o murs, etc., i també per a panells instal·lats sobre cobertes de teules, com és el cas d’aquest estudi. Aquest darrer tipus d’estructura tant aplica a teula àrab com mixta i s’ha de destacar que permet adaptar la inclinació i orientació desitjades amb l’ajut d’accessoris.. Figura 8. Teulada de l'escala A amb teula mixta orientada a sud. En termes pràctics, l’estructura ha de facilitar i assegurar el bon ancoratge d’aquesta sobre la teulada i, a més, garantir que suporta els esforços interns i externs de la instal·lació, d’acord amb la normativa corresponent. 4.3.1. Requisits per a la instal·lació dels suports En aquest estudi s’avaluaran dues situacions relatives a la disposició de les estructures, amb la qual cosa faran falta més o menys accessoris en funció d’un escenari o de l’altre: el primer, consisteix en disposar els panells plans sobre les teulades, de manera que només siguin necessaris els elements de subjecció i ancoratge d’aquests; el segon, en disposar els 29.

(29) Estudi de viabilitat i disseny d’una instal·lació fotovoltaica per a una comunitat-illa. Jan López Majó. panells inclinats sobre les teulades cercant l’angle més òptim i que requerirà els mateixos elements que en l’escenari anterior més els que permeten la inclinació dels panells. L’angle òptim[9], però, no és el mateix durant el transcurs de l’any. Per al dia amb menys hores de Sol (solstici d’hivern), l’angle òptim seria màxim i per al dia amb més hores de Sol (solstici d’estiu), l’angle òptim seria mínim. Per tant, com que es tracten de panells fixos, cal acordar un criteri en base a les necessitats energètiques de la comunitat, ja que la inclinació dels panells serà una o una altra en funció de si el consum és major o menor en una estació de l’any respecte les altres. Si es considera un consum d’electricitat aproximadament constant durant l’any, els panells s’inclinen un angle entre l’òptim a l’hivern i a l’estiu. A continuació, es calculen els angles òptims a l’hivern i a l’estiu i l’òptim de la instal·lació sota la hipòtesi anterior en funció de la latitud de l’edifici: 𝛽𝑚à𝑥𝑖𝑚 = 𝜙 + 𝛿𝑚à𝑥.. (18). 𝛽𝑚í𝑛𝑖𝑚 = 𝜙 + 𝛿𝑚í𝑛.. (19). 𝛽ò𝑝𝑡𝑖𝑚 𝑖𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙·𝑙𝑎𝑐𝑖ó =. 𝛽𝑚à𝑥𝑖𝑚 + 𝛽𝑚í𝑛𝑖𝑚 2. (20). On: βmàxim = angle òptim del panell respecte el pla horitzontal el dia del solstici d’hivern, en º. δmàx. = angle de declinació màxim (a l’hivern), 23º. βmínim = angle òptim del panell respecte el pla horitzontal el dia del solstici d’estiu, en º. δmín. = angle de declinació mínim (a l’estiu), -23º. βòptim instal·lació = angle òptim del panell respecte el pla horitzontal, suposant un consum constant durant l’any, en º. L’angle òptim a l’hivern és 41 + 23 = 64º i a l’estiu, 41 – 23 = 18º, amb la qual cosa l’angle òptim resultant d’acord amb l’equació 20 és de 41º. Cal afegir que en el segon escenari, la inclinació dels panells a l’espai no serà la mateixa ja que variarà en funció de la orientació de la teulada. Per. 30.