Generación solar
La generación solar es una de las direcciones de la energía alternativa , basada en la recepción de energía eléctrica a partir de la energía del sol . La generación solar se lleva a cabo mediante la conversión de la luz solar en electricidad , tanto directamente utilizando dispositivos fotovoltaicos ( fotovoltaica ) como indirectamente utilizando energía solar concentrada (energía solar térmica ). Los sistemas de concentración de energía solar utilizan lentes o espejos , así como sistemas de seguimiento que permiten al dispositivo maximizar el área de la mancha de luz solar. Los fotoconvertidores convierten la luz solar en corriente eléctrica mediante el efecto fotoeléctrico [1] .
La generación solar se considera como una forma de generar electricidad, cuya ventaja es la ausencia de emisiones nocivas durante la operación [2] .
En 2020, la capacidad instalada total de todos los paneles solares operativos en la Tierra fue de 760 GW . [3] En 2019, la capacidad instalada total de todos los paneles solares operativos en la Tierra fue de 635 GW . [4] En 2019, los paneles solares en funcionamiento en la Tierra produjeron el 2,7 % de la electricidad mundial. [5]
Direcciones de la investigación científica
Investigación básica
- Debido a las limitaciones teóricas en la conversión del espectro en energía útil (alrededor del 30%), las celdas fotovoltaicas de primera y segunda generación requieren el uso de grandes extensiones de terreno para las centrales eléctricas. Por ejemplo, para una planta de energía con una capacidad de 1 GW , esto puede ser varias decenas de kilómetros cuadrados (a modo de comparación, la energía hidroeléctrica , con la misma capacidad, deja fuera de uso áreas notablemente grandes de tierra), pero la construcción de energía solar las plantas de tal capacidad pueden provocar un cambio en el microclima en el área circundante y, por lo tanto, las estaciones fotovoltaicas con una capacidad de 1 - 2 MW cerca del consumidor, o incluso instalaciones individuales y móviles. Las células fotovoltaicas en las grandes plantas de energía solar se instalan a una altura de 1,8 a 2,5 metros, lo que permite que la tierra debajo de la planta de energía se utilice con fines agrícolas, por ejemplo, para el pastoreo. El problema de encontrar grandes extensiones de terreno para plantas de energía solar se resuelve en el caso del uso de plantas de energía solar con globos, adecuadas tanto para tierra como para el mar y como base a gran altura.
- El flujo de energía solar que cae sobre una fotocélula instalada en un ángulo óptimo depende de la latitud , la estación y el clima y puede variar en un factor de dos para la parte poblada de la tierra (hasta tres, teniendo en cuenta el desierto del Sahara ) [6 ] . Los fenómenos atmosféricos (nubes, niebla, polvo, etc.) no solo modifican el espectro y la intensidad de la radiación solar que incide sobre la superficie terrestre, sino que también modifican la relación entre radiación directa y dispersa, lo que tiene un impacto significativo en algunos tipos de energía solar plantas, por ejemplo, con concentradores o sobre elementos de una amplia gama de transformaciones.
Investigación aplicada
- Los convertidores fotovoltaicos funcionan durante el día y funcionan de manera menos eficiente durante el crepúsculo matutino y vespertino. Al mismo tiempo, el pico de consumo de energía cae en las horas de la tarde. Además, la electricidad que producen puede fluctuar dramática e inesperadamente debido a cambios en el clima. Para superar estas carencias, las plantas de energía solar utilizan baterías eléctricas eficientes (a día de hoy es un problema insuficientemente resuelto), o convierten a otro tipo de energías, por ejemplo, construyen plantas de almacenamiento por bombeo que ocupan una gran superficie, o el concepto de energía del hidrógeno . , que no es lo suficientemente rentable. Hoy en día, este problema se resuelve simplemente creando sistemas de energía unificados que redistribuyen la energía generada y consumida. El problema de una cierta dependencia de la potencia de una planta de energía solar con respecto a la hora del día y las condiciones climáticas también se resuelve con la ayuda de plantas de energía de globos solares.
- Precio relativamente alto de las células solares. Con los avances tecnológicos y el aumento de los precios de los combustibles fósiles, esta deficiencia se está superando. En 1990 - 2005 _ Los precios de las celdas solares han disminuido en un promedio del 4% por año.
- La superficie de los fotopaneles y espejos (para centrales térmicas) debe limpiarse de polvo y otros contaminantes. En el caso de las grandes plantas fotovoltaicas, con su superficie de varios kilómetros cuadrados, esto puede resultar complicado, pero el uso de vidrio pulido en los modernos paneles solares soluciona este problema.
- El uso de seguidores de uno y dos ejes (sistemas de seguimiento) y sistemas con ángulo de inclinación variable de los módulos fotovoltaicos permite optimizar el ángulo de incidencia de la luz solar sobre los módulos en función de la hora del día y la estación del año. Sin embargo, la práctica ha demostrado la baja eficiencia de estos sistemas debido a su alto costo (en relación con los fotomódulos que se vuelven rápidamente más baratos), costos de energía adicionales (para seguidores) o para trabajar en cambiar el ángulo de inclinación (para sistemas con un ángulo variable), baja confiabilidad, en particular, debido a las constantes influencias atmosféricas, la necesidad de mantenimiento y reparaciones regulares, así como daños a los módulos y equipos eléctricos causados por operaciones mecánicas regulares [7] .
- La eficiencia de las células fotovoltaicas disminuye cuando se calientan (principalmente para sistemas con concentradores), por lo que se hace necesario instalar sistemas de refrigeración, generalmente agua. Además, en los convertidores fotoeléctricos de tercera y cuarta generación, para enfriamiento, la conversión de radiación térmica en radiación es más consistente con el material absorbente de la celda fotovoltaica (la llamada conversión ascendente), que simultáneamente aumenta la eficiencia .
- Después de 30 años de operación, la eficiencia de las celdas fotovoltaicas comienza a disminuir. Las fotocélulas usadas, aunque una pequeña parte de ellas, principalmente para fines especiales, contienen un componente ( cadmio ), que es inaceptable para ser arrojado a un vertedero. Se necesita una expansión adicional de la industria para su disposición .
Cuestiones ambientales
En la producción de fotocélulas, el nivel de contaminación no excede el nivel permitido para las empresas de la industria microelectrónica. Las células solares modernas tienen una vida útil de 30 a 50 años. El uso de cadmio ligado en compuestos en la producción de algunos tipos de celdas fotovoltaicas con el fin de aumentar la eficiencia de conversión plantea el difícil problema de su eliminación , que además aún no tiene una solución ambientalmente aceptable, aunque tales elementos son de poca utilidad. y los compuestos de cadmio en la producción moderna ya han encontrado un reemplazo adecuado.
Recientemente, se ha desarrollado activamente la producción de fotocélulas de película delgada, que contienen solo alrededor del 1% de silicio , en relación con la masa del sustrato sobre el que se depositan las películas delgadas. Debido al bajo consumo de materiales para la capa absorbente, aquí las fotocélulas de silicio de película delgada son más baratas de fabricar, pero hasta ahora tienen una eficiencia menor y una degradación irreparable de las características con el tiempo. Además, se está desarrollando la producción de células fotovoltaicas de película delgada basadas en otros materiales semiconductores, en particular Smig , un digno competidor del silicio. Por ejemplo, en 2005, Shell decidió centrarse en la producción de celdas de película delgada y vendió su negocio fotovoltaico de silicio monocristalino (sin película delgada).
Los concentradores solares provocan grandes zonas de sombreado del terreno, lo que provoca fuertes cambios en las condiciones del suelo, vegetación, etc. Un efecto ambiental no deseado en la zona de la estación provoca el calentamiento del aire al atravesarlo la radiación solar, concentrada por reflectores de espejo Esto conduce a un cambio en el balance de calor, humedad, dirección del viento; en algunos casos, los sistemas que utilizan concentradores pueden sobrecalentarse e incendiarse, con todas las consecuencias consiguientes. El uso de líquidos de bajo punto de ebullición y sus inevitables fugas en los sistemas de energía solar durante el funcionamiento a largo plazo pueden provocar una contaminación significativa del agua potable. De particular peligro son los líquidos que contienen cromatos y nitritos, que son sustancias altamente tóxicas.
Caminos
Formas de generar electricidad a partir de la radiación solar:
- energía fotovoltaica : conversión directa de fotones en electricidad mediante células fotovoltaicas ;
- energía solar térmica : calentamiento de una superficie que absorbe los rayos del sol y la posterior distribución y uso del calor (enfocar la radiación solar en un recipiente con agua o sal para el uso posterior de agua calentada para calefacción, suministro de agua caliente o en generadores de energía de vapor) . Como un tipo especial de centrales de energía solar térmica, se suelen destacar los sistemas solares de tipo concentrador (CSP - Concentrated solar power). En estas instalaciones, la energía de los rayos del sol se concentra en un haz de luz concentrado mediante un sistema de lentes y espejos. Este haz se utiliza como fuente de energía térmica para calentar el fluido de trabajo, que se consume para la generación de energía por analogía con las centrales térmicas convencionales o se acumula para ahorrar energía. La conversión de la energía solar en electricidad se realiza mediante motores térmicos:
- centrales eléctricas de aire caliente (conversión de la energía solar en la energía de un flujo de aire dirigido a un turbogenerador).
- plantas de energía de globos solares (generación de vapor de agua en el interior del globo globo debido al calentamiento de la radiación solar en la superficie del globo, cubierta con una capa absorbente selectiva). La ventaja es que hay suficiente vapor en el cilindro para operar la planta de energía durante la noche y en condiciones climáticas adversas.
- combustible solar
Desarrollo
| Generación anual de electricidad en el mundo en SPP
|
| Año |
Energía TWh |
Crecimiento anual |
parte de todos
|
| 2004 |
2.6 |
― |
0.01%
|
| 2005 |
3.7 |
42% |
0,02%
|
| 2006 |
5.0 |
35% |
0,03%
|
| 2007 |
6.8 |
36% |
0,03%
|
| 2008 |
11.4 |
68% |
0,06%
|
| 2009 |
19.3 |
69% |
0,10%
|
| 2010 |
31.4 |
63% |
0,15%
|
| 2011 |
60.6 |
93% |
0,27%
|
| 2012 |
96.7 |
60% |
0,43%
|
| 2013 |
134.5 |
39% |
0,58%
|
| 2014 |
185.9 |
38% |
0.79%
|
| 2015 |
253.0 |
36% |
1,05%
|
| 2016 |
301.0 |
33% |
1,3%
|
| Fuente: Revisión estadística de BP sobre la energía mundial, 2015-2017 [8] [9]
|
En 1985, la capacidad instalada total del mundo era de 0,021 GW.
En 2005, la producción de celdas fotovoltaicas en el mundo fue de 1.656 GW.
A principios de 2010, la capacidad global total de energía solar fotovoltaica era solo alrededor del 0,1% de la generación de electricidad global [10] .
En 2012, la capacidad total de las plantas de energía solar del mundo aumentó en 31 GW, superando los 100 GW.
Los mayores fabricantes de células solares en 2012 [11] :
- Yingli - 2300MW
- Primera Solar - 1800 MW
- Trina Solar - 1600 MW
- Energía solar canadiense - 1550 MW
- Suntech - 1500MW
- Agudo - 1050 MW
- Jinko Solar - 900MW
- Energía solar - 850 MW
- Grupo REC - 750 MW
- Hanwha SolarOne - 750 MW
En 2013, se instalaron 39 GW de capacidad fotovoltaica a nivel mundial. Como resultado, la capacidad total de las instalaciones fotovoltaicas a principios de 2014 se estimó en 139 GW [12] .
El líder en términos de capacidad instalada es la Unión Europea [13] , entre países individuales - China: de enero a septiembre de 2017, se pusieron en funcionamiento 42 GW de nuevas instalaciones de generación fotovoltaica [14] en el país. En términos de capacidad total per cápita, el líder es Alemania.
La difusión de la energía solar
En 2010, el 2,7% de la electricidad de España procedía de la energía solar [15] .
En 2011, alrededor del 3 % de la electricidad de Italia procedía de instalaciones fotovoltaicas [16] .
En diciembre de 2011, se completó en Ucrania la construcción del último, quinto parque solar de 20 megavatios en Perovo , como resultado de lo cual su capacidad instalada total aumentó a 100 MW [17] . El parque solar de Perovo, compuesto por cinco fases, se ha convertido en el mayor parque del mundo en términos de capacidad instalada. Le siguen la central eléctrica canadiense Sarnia (97 MW), la italiana Montalto di Castro (84,2 MW) y la alemana Finsterwalde (80,7 MW). Cierra los cinco parques fotovoltaicos más grandes del mundo: la planta de energía de 80 megavatios " Ojotnikovo " en la región de Saki en Crimea [18] .
En 2018, Arabia Saudita anunció su intención de construir la planta de energía solar más grande del mundo con una capacidad de 200 GW [19] .
En 2018, la capacidad de todas las plantas de energía solar fotovoltaica en la UE fue de 115 GW, produjeron el 5% de toda la electricidad. En 2019, su capacidad aumentó en otros 17 GW. Los precios de los paneles solares han disminuido de 2010 a 2020. más de cuatro veces. [veinte]
Trabajos
A mediados de 2011, la industria fotovoltaica en Alemania empleaba a más de 100.000 personas. 93,5 mil personas trabajaron en energía solar en los EE.UU. [21] .
Perspectivas de la energía solar
En el mundo, el aumento anual de energía en los últimos cinco años ha promediado alrededor del 50% [22] . La energía derivada de la radiación solar hipotéticamente podrá satisfacer el 20-25% de las necesidades de electricidad de la humanidad para 2050 y reducir las emisiones de dióxido de carbono. Según expertos de la Agencia Internacional de Energía ( AIE ), la energía solar en 40 años, con el nivel adecuado de difusión de tecnologías avanzadas, generará alrededor de 9 mil teravatios-hora - o 20-25% de toda la electricidad necesaria, y esto reducir las emisiones de dióxido de carbono en 6 mil millones de toneladas anuales [10] .
El porcentaje de satisfacer las necesidades de la humanidad para 2050 con la electricidad recibida de las plantas de energía solar es una cuestión del costo de 1 kWh al instalar una planta de energía solar llave en mano y el desarrollo del sistema energético global, así como el atractivo comparativo de otros formas de generar electricidad. Hipotéticamente, esto puede ser del 1% al 80%. Uno de los números en este rango coincidirá exactamente con la verdad.
La recuperación de la energía de una planta de energía solar es mucho menos de 30 años. Para los EE. UU., con una potencia de radiación solar media de 1700 kWh por m² al año, la amortización energética de un módulo de silicio policristalino con una eficiencia del 12 % es inferior a 4 años (datos de enero de 2011) [23] .
Las perspectivas de usar el sol para generar electricidad se están deteriorando debido a los altos costos. Por ejemplo, el CHPP de Aiwonpa cuesta cuatro veces más y genera mucha menos electricidad que las centrales eléctricas de gas. Según los expertos, en el futuro, la electricidad generada por esta central costará el doble que la recibida de las fuentes de energía convencionales, y los costos obviamente se trasladarán a los consumidores [24] .
En Rusia, las perspectivas para el desarrollo de la energía solar siguen siendo inciertas, el país está muchas veces por detrás del nivel de generación de los países europeos. La participación de la generación solar es inferior al 0,001% en el balance energético total. Para 2020, está previsto poner en servicio entre 1,5 y 2 GW de capacidad. La capacidad total de generación solar puede multiplicarse por mil, pero será inferior al 1% en el balance energético. El director de la Asociación de Energía Solar de Rusia, Anton Usachev, identifica la República de Altai , la Región de Belgorod y el Territorio de Krasnodar como las regiones más desarrolladas en términos de energía solar. En el futuro, está previsto ubicar instalaciones en áreas aisladas de las redes eléctricas [22] .
Tipos de celdas fotovoltaicas
Estado sólido
En la actualidad, es costumbre distinguir tres generaciones de células solares [25] :
- Cristal (primera generación):
- silicio monocristalino;
- silicio policristalino (multicristalino);
- tecnologías para el crecimiento de espacios en blanco de pared delgada: EFG (técnica de crecimiento de cristal alimentado por película definida por bordes), S-web (Siemens), polisilicio de capa delgada (Apex).
- Película delgada (segunda generación):
- silicio: amorfo, microcristalino, nanocristalino, CSG (silicio cristalino sobre vidrio);
- a base de telururo de cadmio (CdTe);
- a base de seleniuro de cobre-indio-(galio) (CI(G)S);
- FEP de tercera generación:
- tinte fotosensibilizado (célula solar sensibilizada por tinte, DSC);
- FEP orgánico (polimérico) (OPV);
- células solares inorgánicas (CTZSS);
- FEP basado en estructuras en cascada.
En 2005, las células solares de película delgada representaron el 6% del mercado. En 2006, las células solares de película fina representaron el 7% de la cuota de mercado. En 2007, la participación de las tecnologías de película delgada aumentó al 8%. En 2009, la proporción de células solares de película delgada aumentó al 16,8 % [26] .
Durante el período de 1999 a 2006, el suministro de celdas solares de película delgada creció anualmente en un promedio del 80%.
Nanoantenas
Recientemente, se ha avanzado en la creación de células solares basadas en nanoantenas que convierten directamente la energía electromagnética de la radiación lumínica en corriente eléctrica. La promesa de las nanoantenas se debe a su alta eficiencia teórica (hasta un 85 %) y su costo potencialmente más bajo [27] .
Transporte solar
Las células fotovoltaicas se pueden instalar en varios vehículos: barcos, vehículos eléctricos e híbridos , aviones, dirigibles , etc.
Las células fotovoltaicas generan electricidad, que se utiliza para el suministro de energía a bordo del vehículo o para el motor eléctrico de los vehículos eléctricos.
En Italia y Japón, las células fotovoltaicas se instalan en los techos de los trenes. Producen electricidad para acondicionadores de aire, iluminación y sistemas de emergencia.
Solatec LLC vende células fotovoltaicas de película delgada para el techo del vehículo híbrido Toyota Prius . Las fotocélulas de película delgada tienen un grosor de 0,6 mm, lo que no afecta la aerodinámica del automóvil. Las fotocélulas están diseñadas para cargar baterías, lo que permite aumentar el kilometraje del coche en un 10%.
En 1981, el aviador Paul Beattie MacCready voló un Solar Challenger propulsado únicamente por energía solar, cubriendo una distancia de 258 kilómetros a una velocidad de 48 km/h [28] . En 2010, el avión solar tripulado Solar Impulse permaneció en el aire durante 24 horas. El ejército está muy interesado en los vehículos aéreos no tripulados ( UAV ) que funcionan con energía solar y que pueden permanecer en el aire durante períodos extremadamente largos de meses y años. Dichos sistemas podrían reemplazar o complementar los satélites.
Véase también
Notas
- ↑ Fuentes de energía: solar . Departamento de Energía . energía.gov. Consultado el 2 de abril de 2015. Archivado desde el original el 3 de agosto de 2011.
- ↑ Fomicheva, Anastasia. "La generación solar crecerá" - Sari Baldauf, presidente de la junta directiva del holding de energía Fortum . Vedomosti (3 de diciembre de 2013). Consultado el 3 de abril de 2015. Archivado desde el original el 7 de abril de 2015. (indefinido)
- ↑ Fuente . Consultado el 12 de agosto de 2021. Archivado desde el original el 15 de junio de 2021. (indefinido)
- ↑ INFORME FOTOVOLTAICO 4. Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (16 de septiembre de 2020). Consultado el 15 de julio de 2021. Archivado desde el original el 9 de agosto de 2014. (indefinido)
- ↑ BP Global: Energía solar . Consultado el 5 de abril de 2018. Archivado desde el original el 6 de diciembre de 2018. (indefinido)
- ↑ Sistema de Información Geográfica Fotovoltaica (PVGIS)
- ↑ Felipe Wolfe. Proyectos solares fotovoltaicos en el mercado de energía convencional // Oxford: Routledge. - 2012. - S. 240 . — ISSN 978-0-415-52048-5 .
- ↑ BP Statistical Review of World Energy, junio de 2015, sección de energías renovables , BP (junio de 2015). Archivado desde el original el 7 de julio de 2015. Consultado el 7 de febrero de 2017.
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- ↑ Gráfico del día: Los diez principales proveedores de energía solar fotovoltaica del mundo. 15 de abril de 2013 // RE nueva economía
- ↑ Fuente . Consultado el 7 de febrero de 2017. Archivado desde el original el 12 de noviembre de 2020. (indefinido)
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- ↑ Vladímir Sidorovich . Más de 50 GW de plantas de energía solar se pondrán en marcha en China este año , RenEn (17 de octubre de 2017). Archivado desde el original el 20 de septiembre de 2020. Consultado el 4 de mayo de 2020.
- ↑ Paul Gipe España generó el 3% de su electricidad a partir de energía solar en 2010 28 de enero de 2011 . Fecha de acceso: 7 de febrero de 2017. Archivado desde el original el 29 de diciembre de 2014. (indefinido)
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- ↑ Activ Solar aumentó la capacidad de SPP "Okhotnikovo" y "Perovo" - UA Energy . www.uaenergy.com.ua Consultado el 11 de octubre de 2017. Archivado desde el original el 11 de octubre de 2017. (Ruso)
- ↑ Deutsche Welle 30/03/2018 Arabia Saudita reemplazará el petróleo con paneles solares . Archivado el 3 de abril de 2018 en Wayback Machine .
- ↑ Gero Ruther, Vera Sosenkova ¿Ayudará
el auge solar de la UE a contener el cambio climático? Archivado el 16 de febrero de 2020 en Wayback Machine // Deutsche Welle , 11/02/2020
- ^ Stephen Lacey Los empleos verdes son reales: la industria solar alemana y estadounidense emplean a más personas que la producción de acero de EE. UU. 17 de junio de 2011 . Fecha de acceso: 7 de febrero de 2017. Archivado desde el original el 17 de junio de 2013. (indefinido)
- ↑ 1 2 Dmitri Nikitin. El camino difícil hacia el sol: ¿la energía solar calentará Rusia ? RBC (17 de junio de 2013). Consultado el 15 de junio de 2013. Archivado desde el original el 20 de junio de 2013. (indefinido)
- ↑ Recuperación de la energía fotovoltaica (eng) . Consultado el 7 de febrero de 2017. Archivado desde el original el 14 de mayo de 2011. (indefinido)
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Literatura
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- Halacy, Daniel. La próxima era de la energía solar. -Harper and Row , 1973. -ISBN 0-380-00233-7 . (Inglés)
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