Joan Fonts Gómez
Premi Eduard Saavedra
Ciències, Enginyeries i Arquitectura
Construcció i control del model d'una central fotovoltaica
RESUM
La dependència humana en transport, il·luminació, indústria i altres necessitats com ara calefacció i refrigeració han provocat una gran necessitat de combustibles fòssils. Entre aquests combustibles hi ha el carbó, el petroli, el gas natural i l'urani, els quals no solament són limitats, sinó que també contaminen l'atmosfera del planeta a causa de les emissions de diòxid de carboni (CO2) i altres gasos.
Com a possible alternativa als combustibles fòssils, s'han desenvolupat les energies renovables. A diferència de les anteriors, no contaminen, són il·limitades i pràcticament inesgotables, ja que es renoven de manera contínua. Una d'aquestes energies és el Sol i la manera d'aprofitar aquesta energia és mitjançant panells fotovoltaics.
La part teòrica del treball es va centrar a estudiar el procés que segueixen aquests panells fotovoltaics per produir energia elèctrica i quin és el mètode més adient per fer-ho, per incorporar-lo posteriorment al model a escala.
Un panell solar està constituït per cèl·lules fotovoltaiques formades per un material semiconductor, generalment silici. A cadascuna d'aquestes cèl·lules s'hi produeix la conversió d'energia lluminosa (fotons) en energia elèctrica (electrons en moviment) mitjançant l'efecte fotoelèctric o fotovoltaic. En aquest procés, els fotons incidents a les cèl·lules fotovoltaiques energitzen els electrons de valència dels àtoms de silici. Si aquesta energia és prou forta per vèncer la força d'atracció del nucli de l'àtom, els electrons aconsegueixen “escapar-se”. Un cop alliberats, es fan passar per un fil conductor (generalment de coure) i es genera corrent elèctric.
Hi ha diversos tipus de panells fotovoltaics: els monocristal·lins, que són més cars però amb un rendiment més elevat; els policristal·lins, més barats però amb un rendiment més baix, i els de silici amorf, silici Ribboni microsilici, de menys durabilitat i preu reduït. A més a més dels panells fotovoltaics, cal destacar que en una instal·lació solar també hi trobem altres elements. Aquests són: l'inversor, els acumuladors, el regulador de càrrega i els onduladors i comptadors.
Més enllà de la part teòrica, la meva recerca té com a intenció millorar l'aprofitament de l'energia solar. Per tal de mostrar aquest aprofitament, la part pràctica s'ha basat en la construcció del model d'una central fotovoltaica i, en concret, una central amb panells fotovoltaics mòbils.
Aquest model consisteix en una maqueta que inclou quatre seguidors solars, que simularan l'orientació òptima al Sol per obtenir una producció d'energia elèctrica màxima. El control d'aquesta central es farà mitjançant una aplicació del mòbil que està dissenyada pròpiament amb el programa App Inventor.El funcionament del model és el següent:
L'usuari utilitzarà l'aplicació creada amb App Inventorper orientar un, dos, tres o quatre panells solars en l'eix horitzontal i l'eix vertical o per modificar altres paràmetres (il·luminació i producció). Aquesta aplicació es connectarà mitjançant Bluetootha un dispositiu HC-06 (és l'encarregat de rebre les ordres de l'aplicació i enviar-les a l'Arduino amb comunicació serial). Posteriorment, l'Arduino executarà unes certes ordres en funció dels paràmetres que rep des del dispositiu HC-06i també en funció del programarique porta carregat en el microprocessador. Aquestes ordres seran utilitzades pels vuit servomotors (quatre per al moviment horitzontal i quatre per al vertical) per orientar els seguidors solars activats en la posició desitjada per l'usuari. A més a més, el model a escala inclou quatre LED verds que indicaran quins panells solars estan activats i quins no. Els vuit servomotors reben energia directament d'una font d'alimentació connectada al corrent però, tot i així, les ordres de la posició les rebran de l'Arduino (que també rep energia directa de la font d'alimentació).
Cada seguidor solar està format per sis peces independents, cadascuna de les quals està dissenyada pròpiament i impresa en tres dimensions. El programa utilitzat per al disseny rep el nom de SketchUp.
L'abast de funcions que el model inclou en la seva totalitat és: la possibilitat d'activar, un per un, els diferents panells solars; la capacitat d'orientar-los a una posició horitzontal i vertical en concret, i, finalment, la possibilitat d'observar la producció de la central a temps real. Mitjançant l'aplicació, l'usuari podrà controlar tota la central, ja sigui amb ordres manuals (a través de la pantalla del mòbil) o, si ho desitja, amb ordres de veu.
La construcció del model no va ser una tasca fàcil, ja que es van presentar força problemes relacionats amb la programació de l'Arduino, la impressió dels panells i l'alimentació de tota l'electrònica. El primer pas va ser la programació i el muntatge del circuit electrònic en una placa de proves per poder comprovar que tot funcionés correctament. Durant aquest pas, vaig soldar alguns cables i vaig dissenyar i també soldar una placa electrònica pròpia. A continuació, vaig construir l'estructura de fusta que subjectaria tots els elements. Un cop acabat aquest pas, vaig dissenyar i imprimir les peces en tres dimensions. Un cop impreses, les vaig muntar i incorporar a la maqueta. Paral·lelament a aquest procés, vaig dissenyar l'aplicació que fa funcionar tot el model a escala.
Acabar aquest projecte de recerca i observar el funcionament de la maqueta m'ha ajudat a extreure algunes conclusions de les parts principals del treball. Entre aquestes parts concloents, hi ha les millors alternatives a l'hora d'escollir un tipus d'instal·lació solar fotovoltaica i el resultat pràctic del model a escala, juntament amb el bon funcionament amb tots els components electrònics. En primer lloc, cal destacar les grans capacitats que tenen els panells fotovoltaics mòbils per augmentar la producció d'energia elèctrica amb un espai molt més reduït que les grans extensions de terreny utilitzades pels panells fixos. A més a més, si un panell no es vol utilitzar, es pot orientar d'esquena al Sol per augmentar-ne la vida útil. Malgrat que el preu de d'aquest tipus d'instal·lacions continua sent elevat, al llarg del temps es veurà reduït, principalment a causa de l'abaratiment del cost de producció de les cèl·lules fotovoltaiques.
Per acabar, vull donar les gràcies a totes les persones que m'han acompanyat durant la realització d'aquest treball. Aquestes persones, juntament amb el treball constant, la perseverança i l'esforç, han esdevingut clau per finalitzar aquest treball amb un resultat molt positiu, del qual estic molt orgullós. També vull agrair al Consell Social de la URV la convocatòria i realització dels premis als millors treballs de recerca de secundària 2018 i 2019.
MATERIALS
