La transformació de l'energia solar directament en electricitat fa possible obtenir de forma neta una energia de gran qualitat. Actualment la transformació fotovoltaica de l'energia solar és competitiva per electrificar emplaçaments relativament allunyats de les línies elèctriques, bombament d'aigua, senyalització, enllumenat públic, etc. També té grans possibilitats en la seva integració als edificis i la interconnexió a la xarxa elèctrica.
La normativa actual d’obligat compliment, el DB HE5 “Contribucion fotovoltaica mínima de energia eléctrica” definieix quina potencia pic mínima s’ha d’aconseguir en funció de:

• L’ús de l’edifici (s’inclouen els del sector serveis, no s’inclouen els habitatges)
• De la superfície construïda o de la capacitat
• L’Emplaçament de l’edifici.

Les pèrdues per orientació, inclinació i ombres. El CTE HE5 marca els mateixos límits que per la captació solar tèrmica: pels dos primers entre 10% en el cas general I el 40% en el cas de integració arquitectònica. Per ombres el màxim es de 20%. D’aquesta manera esta promovent la integració dels col·lectors solars en l’envolvent de l’edifici.
Una instal·lació solar fotovoltaica és una instal·lació de producció d’electricitat; cal, doncs, tenir en compte l’aplicació de les proteccions i els reglaments electrotèrmics.
A Catalunya actualment el parc fotovoltaic és de 2,2 MW instal·lats, mentre que la superfície solar tèrmica instal·lada és de 40.000 m2. No representa % del consum total d’energies renovables. L’objectiu pel 2015 es del 0,4 %.

Els componets d’una instal·lació fotovoltaica

Els components essencials d’una instal·lació fotovoltaica són: les plaques fotovoltaiques, els suports de les plaques, l’ondulador, els sistemes de protecció, els comptadors i les bateries i el regulador - aquestes últimes en cas de tractar-se d’una instal·lació autònoma.

1. La placa fotovoltaica

La majoria de les plaques fotovoltaiques utilitzades actualment són fetes de cèl·lules fabricades amb silici, un dels elements més abundants a la Terra.
Aquestes cèl·lules tenen la propietat de generar electricitat quan són il·luminades pel sol. Totes les cèl·lules de la placa estan unides entre si en sèrie, així sumen la seva potència (corrent i tensió) elèctrica, fins a arribar a la potència, corrent i tensió nominal de la placa. Normalment, el nombre de cèl·lules va de 30 a 36.
Les característiques d’una placa fotovoltaica són principalment:

Les característiques elèctriques

Les característiques elèctriques d'una placa fotovoltaica varien en funció de l'assolellament que hi incideix. La potència nominal d'una placa determinada es mesura en watts-pic (Wp), que és la potència que pot generar la placa quan està sotmesa a una quantitat d'assolellament normalitzat, establert en 1.000 W/m2 i a una temperatura de 25ºC.
Una placa de, per exemple, 40 Wp, produirà 40 Wh d'energia si durant una hora rep aquesta radiació nominal. Si l'assolellament no arriba a aquesta intensitat necessitarà més d'una hora per produir aquests 40 Wh. Per tant, cal utilitzar un nou concepte, el de l'hora solar pic.
Un dia pot tenir 10 hores de sol, però en canvi pot ser que només tingui 4 o 5 hores de pic. El nombre d'hores pic d'un dia determinat s'obtindrà dividint tota l'energia de l'assolellament d'aquell dia (en Wh/m2/dia) per 1.000 W/m2. Per això, per saber l'energia que ens donarà una placa no es pot multiplicar la seva potència (en watts-pic) pel nombre d'hores de sol d'un dia, ja que no totes aquestes hores no són de màxima intensitat solar. Per tenir una idea, sumant tota l'energia que dóna el sol durant un dia només equival a unes 5 hores solars de pic a l'estiu i entre 3 i 4 a l' hivern (a una latitud de 41 º per exemple).

L’eficiència

Només una part de l'energia en forma de llum que arriba a les plaques fotovoltaiques, es transforma en electricitat. La resta es perd per reflexió o es dissipa en forma de calor. La majoria de les pèrdues són degudes a la pròpia eficiència de conversió de les cèl·lules FV (per exemple, un 14% en cèl·lules monocristal·lines comercials)

La interconnexió

Les plaques fotovoltaiques produeixen corrent continu, a una tensió nominal de 12 volts. Tenen pol positiu I pol negatiu. Es poden connectar en sèrie o en paral.lel. Combinant la connexió en sèrie i la connexió en paral·lel, es poden aconseguir voltatges nominals de treball (12 V, 24 V, 48 V, etc.) adequats per a cada instal·lació.

El camp fotovoltaic

El camp FV està constituït per les plaques fotovoltaiques, un interconnexionat entre elles i un suport. Pot disposar també d'altres components, com proteccions elèctriques i contra llampecs, protecció contra l'accés incontrolat, protecció contra ocells, etc. En alguns casos poden disposar d'un sistema de seguiment solar.

Orientació

Un camp fotovoltaic fix s'ha d'orientar al sud que permeti la màxima exposició al recorregut solar. Un desviament de +15º o -15º no afecta pràcticament l'energia interceptada al llarg del dia.

Inclinació

La màxima densitat de radiació solar s'assoleix en incidir verticalment sobre una superfície. Però com que l'altura solar varia al llarg del dia i també al llarg de l'any, s'ha d'optar per una inclinació fixa, òptima al menys per un període de l'any. La inclinació òptima serà diferent segons l'aplicació del sistema de generació fotovoltaic. Si es tracta d'un subministrament autònom, s'optarà per la inclinació que ofereixi més producció en el període més desfavorable de l'any o quan el consum sigui més alt. Per exemple, un sistema de bombament sense acumulació elèctrica destinat al rec en període estival tindrà un angle òptim molt baix (latitud - 10 o -15º); una casa habitada tot l'any tindrà l'òptim a un angle més gran (latitud + 10 o 15º).

En canvi, un sistema fotovoltaic connectat a la xarxa elèctrica tindrà com a objectiu la màxima producció en un període anual complet. L'angle òptim per a una instal·lació feta a Barcelona és de 41º, amb la qual s'obté el màxim d'energia solar captada.

Ombra

L'ombra que es projecta sobre un camp fotovoltaic (arbres, construccions...) pot alterar molt el seu rendiment. Quan una o més d'una de les plaques fotovoltaiques d'una mateixa sèrie es troba a l'ombra, no solament no genera electricitat, sinó que a més bloqueja el pas de l'electricitat generada per les altres plaques. Aquest efecte, si és força habitual sobre zones concretes del camp fotovoltaic, pot provocar un defecte permanent

El suport de les plaques

Aquest component de la instal·lació té la funció de mantenir les plaques en una posició correcta, fixar el conjunt a una estructura sòlida (marge, paret, teulada, etc.) i de garantir la integritat de les plaques malgrat l'acció del vent, els canvis de temperatura, el glaç, les pedregades i, fins un cert punt, el vandalisme o el robatori.
En general haurien de complir els següents compromisos:
- resistència a vents de 100 a 150 km/h
- resistència a la corrosió (ferro galvanitzat en calent, alumini anoditzat, fusta tractada a l'autoclau, materials plàstics.., així com cargoleria d'acer inoxidable)
- en cas de ser metàl·lic ha de tenir una connexió a terra, junt amb el marc de les plaques fotovoltaiques.
A més dels sistemes fixos, també existeixen sistemes de suport capaços de seguir el sol de llevant a ponent. Aquests sistemes (seguidors solars) automàtics tenen l'avantatge d'augmentar el nombre d'hores de sol aprofitables per les plaques, respecte a unes plaques fixes. Tanmateix cal valorar els seus inconvenients: tenen un cost econòmic; el guany energètic respecte a unes plaques fixes és considerable a l'estiu, però poc significatiu a l'hivern ; és un aparell susceptible d'avaria; té un consum elèctric , etc. Pot ser recomanable en determinats casos: gran consum elèctric durant l'estiu, utilització de cèl·lules amb concentració, centrals elèctriques fotovoltaiques.

La integració

La situació del camp fotovoltaic en relació amb l'entorn no és solament important per aconseguir una bona orientació, reduir les ombres, l'efecte del vent, etc.,
sinó per aconseguir una bona integració amb un entorn natural o arquitectònic.
Les situacions més habituals del camp fotovoltaic són:

Sobre el terra

Es una de les solucions més habituals, ja que permet decidir l'orientació i l'indret més favorable per a l'assolellament.
Habitualment es fixen els peus de l'estructura de suport sobre daus de formigó, o es claven directament al terra. El lligat dels diferents peus dóna la consistència necessària al conjunt del camp.
Per tal de donar seguretat a aquest sistema, s'ha d'elevar les plaques com a mínim a 1 m del terra, s'ha d'encerclar el camp fotovoltaic amb un sistema de protecció per evitar l'accés incontrolat.
En cas de més d'una renglera de plaques fotovoltaiques, cal mantenir la distància mínima entre elles per tal d'evitar les ombres en el període en què el sol és més baix.

Sobre màstil

Quan el nombre de plaques no és gaire gran es poden disposar al capdamunt d'un màstil, el qual ha de tenir el gruix adequat per al pes de les plaques, vents per donar-li estabilitat i una base proporcionada al pes, alçada i superfície del camp fotovoltaic.
L'avantatge principal és l'evitació d'ombres, la baixa ocupació de sòl, la protecció contra el vandalisme, el robatori o els accidents amb animals lliures. L'inconvenient és la dificultat d'accedir-hi, el risc de caiguda en cas de vents huracanats.

Sobre teulada plana

Es una estructura similar a la de sobre terra, amb la diferència que el sistema d'ancoratge prescindeix del bloc de formigó i es colla amb cargols a la coberta. En alguns casos, per respectar la impermeabilització de la coberta, s'utilitza la fixació per gravetat (materials pesants que fixen el conjunt del camp fotovoltaic).
La col·locació del camp fotovoltaic sobre teulada plana té els evidents avantatges de tenir més assolellament, passar més desapercebut, evitar el vandalisme, es troba a prop del punt de consum, i no ocupa una superfície útil.

Sobre teulada inclinada

La integració a una coberta inclinada sol ser més complexa: cal fixar l'estructura del camp fotovoltaic al bigam de l'edifici, normalment cal aixecar el pla del camp fotovoltaic per sobre el de la teulada, ja que la inclinació del primer sol ser superior al del segon, l'orientació del pla de la teulada marca la del camp fotovoltaic, que se sol posar perpendicular al pendent, pot distorsionar la imatge de l'edifici, ja que es fa molt visible, etc.

Fixat al mur

La fixació a una paret s'aconsegueix mitjançant ancoratges metàl·lics clavats a la paret i que subjecten el camp fotovoltaic tant per la part superior, com per als tirants inferiors que donen la inclinació desitjada a les plaques.

Formació de teulada o de façana

El conjunt del camp fotovoltaic pot arribar a ser un element constructiu i constituir una teulada o fins i tot una paret. La necessitat de refrigerar les plaques demana que existeixi ventilació per la cara inferior, per la qual cosa sovint se separen del tancament realment impermeable.

El cablejat

El cablejat d'interconnexió de les plaques d'un camp fotovoltaic, així com el que connecta el camp fotovoltaic amb les bateries, ha de reunir les condicions adequades d'aïllament i protecció, així com de secció, per evitar que les caigudes de tensió superin el 3%.

2. L’ondulador

El corrent generat per les plaques fotovoltaiques i el que acumulen les bateries és corrent continu, normalment a voltatges baixos, a 12, 24, 48 volts. Les cases servides per la xarxa elèctrica, però, fan servir corrent altern i a 220-230 volts, i la majoria d'aparells de consum estan pensats per aquesta mena de corrent i aquesta tensió. Per això en les instal·lacions fotovoltaiques cal utilitzar un altre aparell destinat a transformar el corrent continu (a 12, 24, 48 volts, etc.) en altern (a 220-230 V). Aquest aparell és l'ondulador (si produeix corrent altern amb ona sinusoïdal) o convertidor (si produeix ona quadrada). L'ona del corrent elèctric normal subministrat per la xarxa és sinusoïdal.

3. Aparells de protecció

Tot i que el corrent continu no produeix enrampades si es toquen les puntes pelades dels fils elèctrics, sí que cal evitar que els possibles curtcircuits que es puguin produir a la instal·lació, perjudiquin les bateries o iniciïn incendis. El mateix succeeix per al circuit a 220 V. Per això el circuit de consum ha de tenir els seus aparells de protecció, que tallen el pas de corrent si es produeix un curtcircuit. Es poden fer servir fusibles o bé magnetotèrmics, tant uns com els altres dimensionats per les intensitats previstes per cada circuit. Per al circuit a 220 V c.a. cal posar, a més, un diferencial per reduir el risc per a les persones en cas d'enrampades.

4. Comptadors i aparells de mesura

El que fan els comptadors és registrar l'energia que passa per un punt determinat. Si es col·loca entre el regulador i el consum, el que faran serà mesurar l'energia consumida per l'usuari en forma de corrent continu. Si es col·loca a la sortida de les plaques fotovoltaiques, mesurarà l'energia que es genera. Amb aquests aparells es pot saber si habitualment l'usuari disposa d'un excés d'energia, o bé, si en té poca. D'aquesta manera, es pot decidir de reduir la potència dels equips de generació o bé augmentar-la.

Instal·lacions solars amb connexió a la xarxa elèctrica

Si la zona on es fa una instal·lació solar disposa de xarxa elèctrica, s'hi pot interconnectar de manera que l'electricitat generada pugui accedir a altres consumidors. Així, al final de cada mes, l'usuari cobrarà de la companyia el resultat d'aquesta venda d'energia. Són sistemes que no disposen d'aparells d'emmagatzematge d'energia, sinó que envien l'electricitat generada (tota o bé l'excedent) a la xarxa elèctrica.

Actualment, al mercat hi ha aparells que permeten aquesta connexió, fins i tot per a instal·lacions molt petites, que poden ser ubicades a la terrassa d'un pis. Atès que en aquests casos no cal emmagatzemar l'energia, no hi ha bateries, el seu cost és més reduït, el manteniment pràcticament nul i el rendiment superior.

Instal·lacions solars fotovoltaiques autònomes

Un sistema de subministrament elèctric autònom basat en la transformació fotovoltaica de l'energia solar està format pels equips necessaris per tal de produir, regular, acumular i transformar i, de vegades, quantificar l'energia elèctrica. Les instal·lacions fotovoltaiques connectades a la xarxa poden prescindir d'alguns d'aquests components, ja que no cal regular la càrrega ni emmagatzemar l'electricitat.

Aplicacions de les instal·lacions autònomes:

Aparells de consum

Es tracta de petits sistemes fotovoltaics des d'uns pocs miliwatts, fins a 10 W, habitualment integrats en els mateixos aparells que han d'alimentar en electricitat, bé directament (calculadores) o bé carregant piles o bateries (llanternes). Existeix una gran quantitat d'aplicacions, només limitada per la imaginació dels fabricants.

Sistemes autònoms residencials

Per la seva elevada competitivitat amb els sistemes tradicionals d'electrificació de llocs allunyats de la xarxa elèctrica de distribució, els sistemes fotovoltaics estan àmpliament utilitzats per cobrir les necessitats d'habitatges, petites poblacions, explotacions agropecuàries, centres de turisme rural, refugis d'alta muntanya, bombaments d'aigua aïllats, etc., situats en zones aïllades, muntanyoses, illes, etc. Aquests sistemes poden anar des de sistemes d'una sola placa fotovoltaica (50 Wp, per exemple), fins a diversos KWp.

Sistemes autònoms professionals

Són tots aquells sistemes situats en zones allunyades de la xarxa elèctrica, destinats a garantir serveis comunitaris: telecomunicacions (repetidors, enllaços telefònics...), bombament d'aigua municipal, senyalització (marina, autopistes...), alarmes, sistemes de detecció remota, protecció catòdica, etc.
L’energia produïda per les plaques solars durant el dia ha d’ésser emmagatzemada fins que hagi de ser consumida i per això s’instal·len unes bateries especials per a les condicions de funcionament de les instal·lacions solars, que reben el nom d’estacionàries i que poden durar fins a 15 anys.
Perquè una instal·lació funcioni correctament durant molt de temps és bàsic que hagi estat dissenyada i muntada acuradament per professionals. Un dels aspectes clau per al bon funcionament és el regulador de càrrega, que és un aparell electrònic que s’encarrega de la regulació del procés de càrrega i descàrrega de les bateries.
Amb la tecnologia actual es poden fer instal·lacions solars amb prestacions equivalents a les que pot oferir la xarxa elèctrica, principalment gràcies a "l’ondulador" que fa possible el funcionament dels electrodomèstics convencionals.

Altres utilitzacions de l’energia fotovoltaica

A part de l’electrificació d’edificis, l’energia solar fotovoltaica pot ésser emprada en qualsevol utilització que necessiti consum d’electricitat, elements urbans d’il·luminació o de control, etc. Una de les més populars i estesa és el bombament d’aigua. Aquestes instal·lacions generalment treuen un cabal d’aigua variable, segons la radiació solar incident, que s’emmagatzema en un dipòsit o bassa a punt per quan calgui consumir-la. Aquest sistema no necessita l’acumulació de l’electricitat en bateries, funciona de manera automàtica i pràcticament no té cap manteniment ni cap necessitat de combustible.