Eina que millora el desenvolupament de les PV.

En la cursa per desenvolupar millors materials i dissenys per a les cel·les solars, sorgeixen moltes variables que permetrien millorar el rendiment, com seria el tipus de material, el gruix i la disposició geomètrica. El desenvolupament de noves cel·les solars, generalment ha estat un procés tediós que ha consistit en fer petits canvis. Tot i que els simuladors computacionals han permès avaluar aquests canvis sense haver de construir cap prototipus, el procés continua sent lent.

Investigadors del MIT, han desenvolupat un sistema que no només permet avaluar un sol disseny, sinó proporcionar informació sobre quins canvis aportaran les millores desitjades.  El nou sistema, anomenat simulador de cel·les solars diferenciables, es va presentar en un article de la revista Computer Physics Communications.

Els simuladors tradicionals de cel·les solars, aporten quin percentatge de l'energia de la llum solar entrant es converteix realment en un corrent elèctric. El nou simulador, prediu l'eficiència i mostra quin punts  es veuran afectats per qualsevol dels paràmetres d'entrada. Per tant, directament mostra què passa amb l'eficiència si es fa una capa una mica més gruixuda, o què passa amb l'eficiència si es canvien les propietats dels materials.

De fet, no s'ha descobert un dispositiu nou, però s'ha desenvolupat una eina que permetrà als altres descobrir més ràpidament altres dispositius de més rendiment. Amb aquest sistema, s'està disminuint el nombre de vegades que cal executar un simulador per donar accés més ràpid a un espai més ampli d'estructures optimitzades. A més, aquesta  eina pot identificar un únic conjunt de paràmetres dels materials que no es podien tenir en compte,  perquè és molt complex executar aquestes simulacions.

Mentre que els enfocaments tradicionals utilitzen essencialment una cerca aleatòria de possibles variacions, diu Mann, amb la seva eina "podem seguir una trajectòria de canvi perquè el simulador us indica en quina direcció voleu canviar el vostre dispositiu. Això fa que el procés sigui molt més ràpid perquè en lloc de explorant tot l'espai d'oportunitats, només podeu seguir un únic camí" que condueix directament a un rendiment millorat.

Com que sovint les avançades cel·les solars es componen de múltiples capes entrellaçades amb materials conductors per transportar càrrega elèctrica d'una a l'altra, aquesta eina computacional revela com el canvi dels gruixos relatius d'aquestes diferents capes afectarà la sortida del dispositiu. Això és molt important perquè el gruix és crític donat que hi ha una forta interacció entre la propagació de la llum i el gruix de cada capa i l'absorció de cada capa.

Altres variables que es poden avaluar, inclouen la quantitat de dopatge (la introducció d'àtoms d'un altre element) que rep cada capa, o la constant dielèctrica de les capes aïllants, o el bandgap, una mesura dels nivells d'energia dels fotons de llum que poden ser capturat pels diferents materials utilitzats en les capes.

Aquest simulador ja està disponible com a eina de codi obert que es pot utilitzar immediatament per ajudar a guiar la investigació en aquest camp.  Per fer-ne ús, els investigadors combinarien els càlculs d'aquest dispositiu amb un algorisme d'optimització, o fins i tot un sistema de machine learning, per avaluar ràpidament una gran varietat de possibles canvis i trobar ràpidament les alternatives més interessants.

Actualment,  el simulador es basa en una versió unidimensional de la cèl·lula solar, de manera que el següent pas serà ampliar les seves capacitats per incloure configuracions bidimensionals i tridimensionals. Però fins i tot aquesta versió 1D pot cobrir la majoria de les cel·les que actualment estan en producció. Algunes variacions, com les anomenades cel·les en tàndem que utilitzen diferents materials, encara no es poden simular directament amb aquesta eina, però hi ha maneres d'aproximar una cel·la solar en tàndem simulant cadascuna de les cèl·lules individuals.

Font:  Sean Mann et al, ∂PV: An end-to-end diferenciable solar-cell simulator, Computer Physics Communications (2021). DOI: 10.1016/j.cpc.2021.108232

Xarxes elèctriques mitjançant electrònica de potencia.

Les grans centrals elèctriques amb els seus grans generadors síncrons són els encarregats de proporcionar estabilitat a la xarxa elèctrica, però a  mida que vagin desacoblant-se per aturar-se successivament en el transcurs de la transició energètica, cal fer front per com resoldre l'estabilitat de la xarxa que ofereixen aquestes centrals. Una manera es veure com els convertidors basats en electrònica de potencia que formaran la xarxa, podran garantir un subministrament de corrent altern sinusoïdal i amb freqüència de xarxa estable.

Qualsevol electrodomèstic o dispositiu que s'utilitza a les llars es dona per suposat que les preses de corrent són una font d'energia fiable. Tanmateix, la xarxa elèctrica té un disseny molt complex i el seu nivell d'equilibri és una qüestió delicada. La forma ideal per què l'energia es transporti a través de les línies elèctriques a Europa és un corrent altern sinusoïdal amb una freqüència gairebé constant de 50 Hz. Això és possible gràcies a l'estabilitat de les propietats físiques dels generadors síncrons a les grans centrals elèctriques. Aquestes grans centrals elèctriques utilitzen la seva massa giratòria per aportar inèrcia al sistema i, per tant, reaccionar amb una resposta inercial a les pertorbacions de la xarxa. Llavors una potencial deficiència en la generació d'energia, es pot compensar utilitzant l'energia cinètica de curta durada que te emmagatzemada gràcies a la seva massa giratòria. D'aquesta manera, no hi ha pèrdues sobtades i de gran abast de potència en situacions crítiques com ara la interrupció no planificada de grans capacitats de generació o les anomenades divisions del sistema.

Llavors, com per fer possible la transició energètica cal desconnectar  les centrals nuclears, de carbó i de gas  per ser substituïdes per formes de generació renovable com una tendència què s'intensificarà en els propers anys. Això significa que els generadors síncrons, que tenen un paper central en el control de la xarxa, desapareixeran per ser substituïts  per convertidors basats en electrònica de potència per poder formar la xarxa elèctrica.

Aquest convertidors són dispositius electrònics de potència, amb la principal funció és convertir el corrent continu en corrent altern. Depenent de la classe de potència, poden variar en el seu aspecte des d'un equip molt petit, fins a una gran central elèctrica de MW. El seu comportament elèctric no està determinat físicament, sinó que primer s'ha de configurar mitjançant determinats algorismes de control. Actualment, els convertidors estan programats de manera que alimenten la quantitat d'energia desitjada a una xarxa elèctrica rígida, proporcionada per grans centrals elèctriques i fortes. Els convertidors que han de crear la xarxa, d'altra banda, estan programats per comportar-se com una font de tensió. De manera similar a la de les centrals elèctriques convencionals, de manera que responen a la demanda a curt termini de la xarxa i proporcionen resposta inercial.

Per exemple, és important que aquest dispositius, en casos especials com serien les situacions de sobrecàrrega, línies amb una falla o pèrdues de zones de consum o generació, responguin de manera que sigui possible mantenir la xarxa estable. Per aquest motiu, s'està investigant sobre el desenvolupament de dispositius i algorismes que permeten provar diversos escenaris d'aplicacions amb l'ajuda de simulacions.

Sembla que hi ha consens entre els gestors de la xarxa de transport en què els convertidors de xarxa són necessaris per a una gran part de les noves plantes que s'incorporen a la xarxa. Per això es treballa amb diferents operadors de xarxes elèctriques amb la finalitat d'aconseguir reunir una disposició única d'habilitats per els equips d'electrònica de potència i control, així com de la dinàmica de la xarxa i la integració de la xarxa, per obtenir una completa visió de l'ús i els requisits precisos per  formar aquesta xarxa amb convertidors a més gran escala. Inicialment,  cal definir els requisits de les futures xarxes elèctriques i també quines situacions crítiques.

Diferents treballs de recerca, mostren  que el canvi de generadors síncrons a convertidors electrònics són una solució viable. Per això, també cal establir  de forma clara el què requerirà la xarxa del futur.

Ramon Gallart

Microxarxes per la resiliència

Les averies provocades per les extremes condicions meteorològiques costen molts diners. De fet, hi han zones allunyades de la xarxa de distribució elèctrica que a avui dia encara funcionen amb generadors elèctrics. Llavors, una expansió de la xarxa no sempre és una opció ja que en la majoria dels casos, el seu cost no té sentit.

En les comunitats aïllades de les xarxes de distribució  o en les zones que hi ha molt mala qualitat de servei per  fenòmens meteorològics, les microxarxes són una solució. Aquests centres d' energia descentralitzats i autosuficients poden funcionar de manera independent o connectar-se a una xarxa de distribució. No obstant això, un obstacle que cal resoldre, és el disseny de microxarxes. Aconseguir la combinació correcta de fonts d'energia implica compromisos complexos entre la tolerància al risc, el cost i l'ecologisme.

Una investigació d'un equip del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) mostra que les microxarxes hiperlocals resistents proporcionen valor econòmic, si es dissenyen amb la combinació adequada de fonts d'energia. 

Lliçons de la microxarxa en una petita illa hawaiana

Impulsada per un mandat estatal, l'illa hawaiana de Moloka'i vol plantejar com passar al 100% d'energies renovables a l'any 2045. Sense accés a una xarxa de distribució més gran i amb la dependència del gasoil, els residents paguen gairebé tres vegades més que el cost mitjà dels EUA. Menys d'un terç d'aquesta potència prové de les energies renovables, mentre que la resta prové de generadors alimentats amb combustible.

Tot i això, les coses que fan que les illes hawaianes siguin especials són: la brisa de l'oceà, el sol i les onades, ja que esdevenen una prometedora oportunitat per fer possible deixar de cremar gas-oil aspecte, que pot ser una gran oportunitat  a moltes altres comunitats illenques o rurals.  El disseny de microxarxes és complicat. Moltes comunitats no estan dissenyades per desenvolupar alguna cosa així.

Les microxarxes solen ser alimentades per energia solar i/o eòlica, que utilitzen energia exedent per carregar bateries,  més, instal·len un generador com a (n-1). La substitució dels generadors per energia marina no només augmenta la resiliència, sinó que també redueix la dependència del combustible fòssil. Font: Vídeo de Sara Levine | Laboratori Nacional del Nord-oest del Pacífic

Igual que el risc es més reduït quan prové d'una cartera d'inversió diversificada, una varietat de fonts d'energia ajuda permet reduir el risc que una microxarxa no pugui cobrir la demanda d'energia.  Com que l'objectiu de Moloka'i era zero emissions, es va predir què passaria si els generadors dièsel existents, fossin substituïts amb energia marina. Quan s'afegeix a la combinació d'energia eòlica i solar, l'energia marina no només augmenta la resiliència, sinó que també redueix la dependència del combustible.

Per assolir l'objectiu de zero emissions, es va trobar que l'ús d'energia marina pot reduir la necessitat de construir solar i eòlica fins a un 50% en comparació amb no incloure l'energia marina a la cartera, a més de que es necessita menys emmagatzematge de la bateria. Això, és una bona notícia, ja que les bateries encara són cares. A més, menys èmfasi en l'energia solar significa una reducció de la petjada de l'ús del sòl. I l'espai és molt important en una illa petita.

Microxarxes resistents per recuperar-se més ràpidament

Quan l'huracà Sandy va colpejar la costa oriental el 2012, els danys van ser tan importants que algunes parts de Nova York i Nova Jersey van quedar sense electricitat durant mesos després de la tempesta. No obstant això, una microxarxa de la Universitat de Princeton a Nova Jersey va mantenir els llums encesos per als treballadors d'emergència i a les instal·lacions clau.

Hi ha un interès creixent en dissenyar microxarxes per alimentar coses com hospitals, refugis o comissaries de policia durant les emergències. No obstant això, el disseny de les microxarxes tendeix a centrar-se a minimitzar els costos en lloc de millorar la resiliència, però la solució més economia no sempre és la millor.

És difícil posar un preu a la resiliència, per exemple, un hospital donarà més valor a l'energia fiable, a diferència d'un particular que podria passar unes hores sense electricitat.

Les microxarxes solars solen funcionar amb energia solar combinada amb bateries, amb generadors alimentats amb gas-oil com a (n-1). Els generadors són fonamentals per resoldre situacions com quan les bateries no estan completament carregades, com ara els dies ennuvolats, o quan la demanda d'energia és alta i no es pot emmagatzemar l'excedent.

Modelització de microxarxes

El modelatge, pot ajudar la presa de decisions a sospesar els intercanvis i, finalment, dissenyar microxarxes que tinguin més probabilitats de mantenir el servei durant una emergència o zones d' alimentació sense accés a una xarxa de distribució. Com que s'espera que les condicions climàtiques, cada cop seran més severs com a conseqüència del canvi climàtic augmenti, el disseny de microxarxes resilients probablement  serà  més pertinent en el futur.

Font: Pacific Northwest National Laboratory