¿Qué es la energía solar? Cómo se usa la energía solar Ejemplos de energía solar.
Las personas ya no pueden imaginar la vida sin electricidad, y cada año la necesidad de energía crece más y más, mientras que las reservas de recursos energéticos como el petróleo, el gas y el carbón disminuyen rápidamente. La humanidad no tiene más opciones que el uso de fuentes de energía alternativas. Una forma de generar electricidad es convertir la energía solar mediante células fotovoltaicas. La gente aprendió que es posible usar la energía del sol hace relativamente mucho tiempo, pero comenzaron a desarrollarla activamente solo en los últimos 20 años. Por últimos años gracias a la investigación continua, el uso de los últimos materiales y soluciones de diseño creativo, ha sido posible aumentar significativamente el rendimiento de los paneles solares. Muchos creen que en el futuro la humanidad podrá abandonar los métodos tradicionales de generación de electricidad en favor de la energía solar y recibirla mediante plantas de energía solar.
energía solar
La energía solar es una de las fuentes de generación de electricidad. manera tradicional, por lo tanto, se refiere a fuentes de energía alternativas. La energía solar utiliza la radiación solar y la convierte en electricidad u otras formas de energía. La energía solar no es sólo una fuente de energía respetuosa con el medio ambiente, porque no se liberan subproductos nocivos durante la conversión de la energía solar, pero la energía del sol sigue siendo una fuente de autorregeneración energía alternativa.
Cómo funciona la energía solar
Teóricamente no es difícil calcular cuánta energía se puede obtener del flujo de energía solar, desde hace tiempo se sabe que habiendo recorrido la distancia del Sol a la Tierra y cayendo sobre una superficie de 1 m² en un ángulo de 90 °, el flujo solar a la entrada de la atmósfera lleva una carga energética igual a 1367 W/m², esta es la llamada constante solar. Esto es ideal para condiciones ideales lo cual, como sabemos, es casi imposible de lograr. Así, tras su paso por la atmósfera, el flujo máximo que se podrá obtener en el ecuador será de 1020 W/m², pero el valor medio diario que podremos obtener será 3 veces menor debido al cambio de día y de noche y al cambio en el ángulo de incidencia del flujo solar. Y en latitudes templadas, al cambio de día y noche se suma el cambio de estaciones, y con ello el cambio en la duración de las horas de luz, por lo tanto, en latitudes templadas, la cantidad de energía recibida se reducirá otras 2 veces.
Desarrollo y distribución de energía solar.
Como todos sabemos, en los últimos años, el desarrollo de la energía solar ha ido ganando impulso cada año, pero tratemos de rastrear la dinámica del desarrollo. En 1985, la energía solar del mundo era de solo 0,021 GW. En 2005 ya eran 1.656 GW. El año 2005 se considera un punto de inflexión en el desarrollo de la energía solar, fue a partir de este año que las personas comenzaron a interesarse activamente en la investigación y desarrollo de sistemas eléctricos alimentados por energía solar. Además, la dinámica no deja lugar a dudas (2008-15,5 GW, 2009-22,8 GW, 2010-40 GW, 2011-70 GW, 2012-108 GW, 2013-150 GW, 2014-203 GW). Los países de la Unión Europea y los EE. UU. llevan la palma en el uso de la energía solar, más de 100 mil personas están empleadas en las esferas de producción y operación solo en los EE. UU. y Alemania. También Italia, España y, por supuesto, China pueden presumir de sus logros en el desarrollo de la energía solar, que, si no es líder en el funcionamiento de las células solares, es como el fabricante de células fotovoltaicas está aumentando año tras año los índices de producción. año.
Ventajas y desventajas del uso de la energía solar.
ventajas:
1) respeto al medio ambiente: no contamina el medio ambiente; 2) disponibilidad: las células solares están disponibles comercialmente no solo para uso industrial, sino también para crear mini plantas de energía solar privadas; 3) inagotabilidad y autorrenovación de la fuente de energía; 4) el costo constantemente decreciente de la producción de electricidad.
Defectos:
1) impacto en el rendimiento las condiciones climáticas y hora del día; 2) para ahorrar energía, es necesario acumular energía; 3) menor productividad en latitudes templadas por el cambio de estaciones; 4) calentamiento significativo del aire sobre la planta de energía solar; 5) la necesidad de limpiar periódicamente la superficie de las fotocélulas de contaminación, y esto es problemático debido a las grandes áreas ocupadas por la instalación de fotocélulas; 6) También podemos hablar del costo relativamente alto de los equipos, aunque el costo está disminuyendo cada año, hasta ahora no hay necesidad de hablar de energía solar barata.
Perspectivas para el desarrollo de la energía solar.
Hoy en día, se augura un gran futuro para el desarrollo de la energía solar, cada año se construyen más y más nuevas plantas de energía solar, que sorprenden con su escala y soluciones técnicas. Además, la investigación científica encaminada a aumentar la eficiencia de las fotocélulas no se detiene. Los científicos han calculado que si la tierra del planeta Tierra está cubierta en un 0,07%, con la eficiencia de las células fotovoltaicas en un 10%, entonces habrá energía suficiente para más del 100% de todas las necesidades de la humanidad. Hasta la fecha, ya se utilizan células solares con una eficiencia del 30%. Según los datos de la investigación, se sabe que las ambiciones de los científicos prometen llevarlo hasta el 85%.
Plantas de energía solar
Las plantas de energía solar son estructuras cuya tarea es convertir los flujos de energía solar en energía eléctrica. El tamaño de las plantas de energía solar puede ser diferente, desde minicentrales eléctricas privadas con varios paneles solares hasta enormes, que cubren áreas de más de 10 km².
¿Qué son las plantas de energía solar?
Ha pasado bastante tiempo desde la construcción de las primeras plantas de energía solar, durante el cual se han implementado muchos proyectos y se han aplicado muchas soluciones de diseño interesantes. Es costumbre dividir todas las plantas de energía solar en varios tipos:
1. Torres de energía solar.
2. Plantas de energía solar, donde los paneles solares son celdas solares.
3. Plantas de energía solar en forma de plato.
4. Plantas de energía solar parabólica.
5. Plantas de energía solar del tipo solar-vacío.
6. Plantas de energía solar de tipo mixto.
Torres de energía solar
Un tipo muy común de diseño de centrales eléctricas. Es una estructura de torre alta en la parte superior de la cual hay un depósito de agua, pintado de negro para atraer mejor la luz solar reflejada. Grandes espejos con un área de más de 2 m² están ubicados alrededor de la torre en un círculo, todos están conectados a un único sistema de control que monitorea el cambio en el ángulo de los espejos para que siempre reflejen luz de sol y lo envió directamente al tanque de agua ubicado en la parte superior de la torre. Así, la luz solar reflejada calienta el agua, que forma vapor, y luego este vapor se bombea a un turbogenerador donde se genera electricidad. La temperatura de calentamiento del tanque puede alcanzar los 700 °C. La altura de la torre depende del tamaño y la potencia de la planta de energía solar y, por regla general, comienza a partir de 15 m, y la altura de la más grande hoy en día es de 140 m.Este tipo de planta de energía solar es muy común y se prefiere por muchos países por su alta eficiencia del 20%.
Plantas de energía solar de tipo fotocélula
Las células fotovoltaicas (paneles solares) se utilizan para convertir la radiación solar en electricidad. Este tipo de central eléctrica se ha vuelto muy popular debido a la posibilidad de utilizar paneles solares en pequeños bloques, lo que permite el uso de paneles solares para proporcionar electricidad tanto a viviendas particulares como a grandes instalaciones industriales. Además, la eficiencia crece cada año y hoy ya existen fotocélulas con una eficiencia del 30%.
Plantas de energía solar parabólica
Este tipo de planta de energía solar se parece a enormes antenas parabólicas, cuyo interior está cubierto con placas de espejo. El principio por el que se produce la conversión de energía es similar al de las estaciones de torre con una ligera diferencia, la forma parabólica de los espejos determina que los rayos del sol, reflejados en toda la superficie del espejo, se concentren en el centro, donde se encuentra el receptor. con un líquido que se calienta, formando vapor, que a su vez es el motor de pequeños generadores.
Plantas de energía solar de disco
El principio de funcionamiento y el método de generación de electricidad es idéntico a las plantas de energía solar de tipo torre y parabólica. La única diferencia son las características de diseño. En una estructura estacionaria que se parece un poco a un árbol gigante de metal, en el que se cuelgan espejos redondos y planos, que concentran la energía solar en el receptor.
Plantas de energía solar de tipo solar-vacío
Esto es muy manera inusual aprovechamiento de la energía solar y diferencia de temperatura. La estructura de la central eléctrica consiste en un terreno cubierto con un techo de vidrio forma redonda con una torre en el centro. La torre es hueca por dentro, en su base hay varias turbinas que giran debido al flujo de aire que surge de la diferencia de temperatura. A través del techo de vidrio, el sol calienta el suelo y el aire dentro del edificio, y el edificio se comunica con el ambiente exterior por una tubería, y como la temperatura del aire exterior es mucho más baja, se crea una corriente de aire que aumenta con la temperatura. diferencia. Así, por la noche las turbinas generan más electricidad que durante el día.
Plantas de energía solar mixta
Es cuando se utilizan plantas de energía solar de cierto tipo como elementos auxiliares, por ejemplo, colectores solares para proporcionar agua caliente y calor a objetos, o es posible utilizar secciones de fotocélulas al mismo tiempo en una planta de energía tipo torre.
La energía solar se está desarrollando a un ritmo acelerado, la gente finalmente está pensando seriamente en fuentes de energía alternativas para prevenir la inevitable crisis energética inminente y la catástrofe ambiental. Aunque los líderes en energía solar siguen siendo Estados Unidos y la Unión Europea, todas las demás potencias mundiales están comenzando gradualmente a adoptar y utilizar la experiencia y las tecnologías para la producción y uso de plantas de energía solar. No hay duda de que tarde o temprano la energía solar se convertirá en la principal fuente de energía de la Tierra.
Opciones para el uso de la energía solar en actividades empresariales
La energía del sol es una corriente de fotones y es de gran importancia para toda la vida en nuestro planeta. El sol asegura la existencia de vida en la Tierra, influyendo en los procesos fundamentales de la biosfera. Gracias al sol, los mares, los ríos, la superficie del planeta se calientan, sopla el viento, etc. El hombre lleva mucho tiempo utilizando la luz del sol en sus actividades económicas. Pero la energía alternativa tomó forma como una industria independiente no hace mucho tiempo. Mientras tanto, la energía solar juega cada vez más papel importante en actividades empresariales. Como fuente de calor, el sol se ha utilizado durante mucho tiempo, y recientemente ha aparecido un gran número de dispositivos y sistemas para ello. Hoy hablaremos sobre cómo una persona usa la energía solar.
El uso de la energía solar aumenta cada año. No hace mucho tiempo, la energía del sol se utilizaba para calentar el agua de la casa de campo en la lluvia de verano. Y hoy, ya se utilizan varias instalaciones para calentar casas particulares, en torres de enfriamiento. Los paneles solares generan la electricidad necesaria para alimentar pequeños pueblos.
Actualmente, se pueden nombrar las siguientes áreas de uso de la energía solar:
- Industria aeronáutica y espacial;
- Agricultura. Calefacción y suministro de electricidad a invernaderos, hangares y otras dependencias;
- uso doméstico (calefacción y electrificación de edificios residenciales);
- Suministro de energía de instalaciones médicas y deportivas;
- El uso de energía solar para iluminar instalaciones urbanas;
- Electrificación de pequeños asentamientos.
El uso de las primeras muestras de módulos solares confirmó que la energía solar tiene ventajas significativas en comparación con las fuentes tradicionales. Las principales ventajas de los sistemas solares son un suministro casi ilimitado, ningún daño al medio ambiente y uso gratuito.
Esta lista de ventajas conviene ampliarla:
- Fuente de alimentación estable, ya que la corriente de las células solares no tiene sobretensiones;
- Operación autónoma de sistemas solares. No requieren infraestructura externa;
- Vida útil de más de 20 años;
- Los sistemas solares son prácticos y fáciles de usar. Las principales inversiones se realizan durante la instalación.
Las desventajas incluyen la fuerte dependencia de la eficiencia del trabajo de la intensidad de los rayos del sol y la falta de generación de electricidad durante la noche. Para resolver este problema, dichos sistemas funcionan en conjunto con baterías.
Características del uso de la energía solar.
La fotoenergía de la radiación solar se convierte en células fotovoltaicas. Esta es una estructura de dos capas que consta de 2 semiconductores de diferentes tipos. El semiconductor de abajo es de tipo p y el de arriba es de tipo n. El primero tiene una falta de electrones, y el segundo tiene un exceso.
Los electrones en un semiconductor de tipo n absorben la radiación solar, lo que hace que los electrones queden fuera de órbita. La fuerza del pulso es suficiente para transformarse en un semiconductor de tipo p. Como resultado, se produce un flujo de electrones dirigido y se genera electricidad. El silicio se utiliza en la producción de células solares.
Hasta la fecha, se producen varios tipos de fotocélulas:
- Monocristalino. Se producen a partir de monocristales de silicio y tienen una estructura cristalina uniforme. Entre otros tipos, se destacan con la mayor eficiencia (alrededor del 20 por ciento) y mayor costo;
- Policristalino. La estructura es policristalina, menos uniforme. Son más baratos y tienen una eficiencia del 15 al 18 por ciento;
- Película delgada. Estas células solares se fabrican pulverizando silicio amorfo sobre un sustrato flexible. Estas fotocélulas son las más económicas, pero su eficiencia deja mucho que desear. Se utilizan en la producción.
Colectores térmicos
Estos dispositivos utilizan la radiación del sol para convertirla en calor. Se pueden distinguir los siguientes tipos principales de colectores:
Plano. Son los más comunes. Se utilizan tanto para calefacción como para suministro de agua caliente. Por lo general, estos colectores se usan solo en verano, ya que en invierno su eficiencia cae bruscamente. Puede leer sobre la fabricación de estos en el enlace;
- Vacío. El alcance de su uso, como en plano. Pero se usan cuando se requiere agua caliente a una temperatura más alta. En ellos, los tubos intercambiadores de calor se encuentran al vacío dentro de los tubos de vidrio. El refrigerante circula por el interior. Como regla general, tales instalaciones se realizan en producción y no en el hogar. Funcionan todo el año, incluso en el clima ruso;
- Aire. El ámbito de aplicación de tales dispositivos son las instalaciones de calefacción y deshumidificación del aire. Se puede utilizar a temperaturas exteriores no inferiores a 5-10 grados centígrados;
- Colectores integrados. El diseño más simple. Estos son tanques especiales con aislamiento térmico, donde se calienta el agua. En el futuro, se utiliza para necesidades económicas.
En la mayoría de los casos, todas estas unidades se instalan en los techos o fachadas de los edificios. A veces se les asigna una plataforma, donde hay máxima luz solar.
Vivimos en el mundo del futuro, aunque esto no se nota en todas las regiones. En cualquier caso, la posibilidad de desarrollar nuevas fuentes de energía se está discutiendo seriamente hoy en los círculos progresistas. Una de las áreas más prometedoras es la energía solar.
Actualmente, alrededor del 1% de la electricidad en la Tierra se obtiene del procesamiento de la radiación solar. Entonces, ¿por qué todavía no hemos abandonado otros métodos "dañinos" y nos negaremos en absoluto? Le sugerimos que lea nuestro artículo e intente responder a esta pregunta usted mismo.
Cómo se convierte la energía solar en electricidad
Comencemos con lo más importante: cómo los rayos del sol se procesan en electricidad.
El proceso en sí se llama "Generación Solar" . Las formas más efectivas de asegurarlo son las siguientes:
- fotovoltaica;
- energía solar térmica;
- Plantas de energía solar con globos.
Consideremos cada uno de ellos.
fotovoltaica
En este caso, la corriente eléctrica aparece debido a efecto fotovoltaico. El principio es este: la luz del sol golpea una fotocélula, los electrones absorben la energía de los fotones (partículas de luz) y se ponen en movimiento. Como resultado, obtenemos voltaje eléctrico.
Es este proceso el que se da en los paneles solares, que se basan en elementos que convierten la radiación solar en electricidad.
El propio diseño de los paneles fotovoltaicos es bastante flexible y puede tener diferentes tamaños. Por lo tanto, son muy prácticos de usar. Además, los paneles tienen propiedades de alto rendimiento: son resistentes a las precipitaciones y temperaturas extremas.
Y así es como está configurado módulo de panel solar separado:
Puede leer sobre el uso de paneles solares como cargadores, fuentes de energía para hogares privados, para ennoblecer ciudades y con fines médicos en.
Modernos paneles solares y centrales eléctricas.
Ejemplos recientes incluyen los paneles solares de la compañía SixtinaSolar. Pueden ser de cualquier tono y textura a diferencia de los tradicionales paneles azul oscuro. Y esto significa que pueden "decorar" el techo de la casa a su gusto.
Los desarrolladores de Tesla propusieron otra solución. Pusieron a la venta no solo paneles, sino también un material para techos completo que procesa la energía solar. contiene módulos solares incorporados y también puede tener una amplia variedad de diseños. Al mismo tiempo, el material en sí es mucho más resistente que las tejas ordinarias; Solar Roof incluso tiene una garantía infinita.
Como ejemplo de una planta de energía solar completa, podemos citar una estación construida recientemente en Europa con paneles de doble cara. Estos últimos recogen tanto la radiación solar directa como la reflexiva. Esto le permite aumentar la eficiencia de la generación solar en un 30%. Esta central debería producir unos 400 MWh al año.
El interés también la planta de energía solar flotante más grande de China. Su capacidad es de 40 MW. Tales soluciones tienen 3 ventajas importantes:
- no hay necesidad de ocupar grandes territorios terrestres, lo cual es importante para China;
- en los embalses disminuye la evaporación del agua;
- las propias fotocélulas se calientan menos y funcionan de forma más eficiente.
Por cierto, esta planta de energía solar flotante se construyó en el sitio de una empresa minera de carbón abandonada.
La tecnología basada en el efecto fotovoltaico es la más prometedora en la actualidad y, según los expertos, los paneles solares podrán producir alrededor del 20% de la demanda mundial de electricidad en los próximos 30-40 años.
energía solar térmica
Aquí el enfoque es ligeramente diferente, porque. la radiación solar se utiliza para calentar un recipiente con líquido. Esto lo convierte en vapor, que hace girar una turbina, lo que resulta en la generación de electricidad.
Las centrales térmicas funcionan según el mismo principio, solo el líquido se calienta al quemar carbón.
El ejemplo más evidente del uso de esta tecnología es estación Ivanpa Solar en el desierto de Mojave. Es la mayor central solar termosolar del mundo.
Ha estado en funcionamiento desde 2014 y no utiliza ningún combustible para producir electricidad, solo energía solar respetuosa con el medio ambiente.
El caldero de agua está ubicado en las torres, que puedes ver en el centro de la estructura. Alrededor hay un campo de espejos que dirigen los rayos del sol hacia la parte superior de la torre. Al mismo tiempo, la computadora gira constantemente estos espejos según la ubicación del sol.
La luz del sol se concentra en la torre. Bajo la influencia de la energía solar concentrada, el agua de la torre se calienta y se convierte en vapor. Esto crea presión y el vapor comienza a hacer girar la turbina, como resultado de lo cual se libera electricidad. La potencia de esta estación es de 392 megavatios, que se puede comparar con el CHPP promedio en Moscú.
Curiosamente, tales estaciones pueden operar de noche. Esto es posible debido a la colocación de parte del vapor calentado en almacenamiento y su uso gradual para hacer girar la turbina.
Plantas de energía solar con globos
eso solución original Aunque no se usa mucho, todavía tiene un lugar para estar.
La instalación en sí consta de 4 partes principales:
- Un globo se encuentra en el cielo, recogiendo la radiación solar. El agua ingresa a la bola, que se calienta rápidamente y se convierte en vapor.
- Tubería de vapor: el vapor a presión desciende a través de ella hasta la turbina, lo que hace que gire.
- Turbina: bajo la influencia del flujo de vapor, gira y genera energía eléctrica.
- Condensador y bomba: el vapor que ha pasado a través de la turbina se condensa en agua y sube al globo con la ayuda de una bomba, donde se calienta nuevamente hasta el estado de vapor.
¿Cuáles son las ventajas de la energía solar?
- El sol nos dará su energía durante varios miles de millones de años más. Al mismo tiempo, las personas no necesitan gastar dinero y recursos para su extracción.
- La generación de energía solar es un proceso totalmente respetuoso con el medio ambiente y sin riesgos para la naturaleza.
- autonomía del proceso. La recolección de luz solar y la generación de electricidad se lleva a cabo con una mínima intervención humana. Lo único que debe hacer es mantener limpias las superficies de trabajo o los espejos.
- Los paneles solares al final de su vida útil se pueden reciclar y reutilizar en la producción.
Problemas de desarrollo de la energía solar.
A pesar de la implementación de ideas para mantener el funcionamiento de las plantas de energía solar durante la noche, nadie es inmune a los caprichos de la naturaleza. Los cielos nublados durante varios días reducen significativamente la generación de electricidad, y de hecho la población y las empresas necesitan su suministro ininterrumpido.
Construir una planta de energía solar no es un placer barato. Esto se debe a la necesidad de utilizar elementos raros en su diseño. No todos los países están dispuestos a gastar sus presupuestos en centrales eléctricas menos potentes cuando hay TPP y centrales nucleares en funcionamiento.
Para albergar este tipo de instalaciones se requieren grandes superficies, y en lugares donde la radiación solar tenga un nivel suficiente.
Cómo se desarrolla la energía solar en Rusia
Desafortunadamente, en nuestro país, el carbón, el gas y el petróleo todavía se queman al máximo, y seguramente Rusia será de los últimos en cambiar completamente a energías alternativas.
Hasta la fecha la generación solar representa solo el 0,03% del balance energético de la Federación Rusa. A modo de comparación, en la misma Alemania, esta cifra es más del 20%. Los empresarios privados no están interesados en invertir en energía solar debido a la larga recuperación y la rentabilidad no tan alta, porque nuestro gas es mucho más barato.
En las regiones económicamente desarrolladas de Moscú y Leningrado, la actividad solar se encuentra en un nivel bajo. Allí, la construcción de plantas de energía solar es simplemente poco práctica. Pero las regiones del sur son bastante prometedoras.
La energía del sol es solo una corriente de fotones. Y al mismo tiempo, es uno de los factores fundamentales que aseguran la existencia misma de la vida en nuestra biosfera. Por lo tanto, es bastante natural que la luz solar sea utilizada activamente por el hombre no solo en el aspecto climático, sino también como fuente alternativa de energía.
¿Dónde se utiliza la energía solar?
El alcance de la energía solar es muy extenso, y cada año se vuelve más y más. Así, hasta hace muy poco, una ducha campestre con calentador solar se percibía como algo extraordinario, y la posibilidad de aprovechar la luz del sol para las redes eléctricas domésticas parecía del todo fantástica. Hoy en día, no sorprenderá a nadie no solo con una estación solar autónoma, sino también con cargadores móviles alimentados por energía solar e incluso pequeños electrodomésticos (por ejemplo, relojes) que funcionan con el efecto fotovoltaico.
En general, el uso de la energía solar tiene mucha demanda en áreas tales como:
- Agricultura;
- Suministro de energía de sanatorios y pensiones;
- industria espacial;
- Protección del medio ambiente y ecoturismo;
- Electrificación de regiones remotas y de difícil acceso;
- Iluminación vial, de jardín y decorativa;
- Vivienda y servicios comunales (ACS, iluminación de la vivienda);
- Tecnología móvil (gadgets y módulos de carga con energía solar).
Anteriormente, la energía solar se usaba principalmente en la industria espacial (suministro de energía para satélites, estaciones, etc.) y en la industria, pero con el tiempo, las energías alternativas comenzaron a desarrollarse activamente en la vida cotidiana. Uno de los primeros objetos equipados con instalaciones solares fueron las pensiones y sanatorios del sur, especialmente los ubicados en áreas apartadas.
Instalaciones solares y sus ventajas
La aplicación exitosa de los primeros módulos solares demostró que la energía solar tiene muchas ventajas sobre las fuentes tradicionales. Anteriormente, las principales ventajas de las plantas solares eran solo el respeto al medio ambiente y la inagotabilidad (así como la ausencia) de la luz solar.
Pero, de hecho, la lista de ventajas es mucho más amplia:
- Autonomía, ya que no se requieren comunicaciones de alimentación externa;
- La estabilidad de la fuente de alimentación, debido a las características específicas de la corriente solar, no está sujeta a picos de tensión;
- Rentabilidad, ya que los fondos se gastan una sola vez, durante la instalación de la instalación;
- Vida útil sólida (más de 20 años);
- Uso en todo tipo de clima, las instalaciones solares funcionan de manera efectiva incluso en clima helado y nublado (con una ligera disminución en la eficiencia);
- Simplicidad y conveniencia de servicio, ya que solo ocasionalmente se requiere limpiar los lados frontales de los paneles para evitar la contaminación.
El único inconveniente es la dependencia del sol y el hecho de que tales instalaciones no funcionan por la noche. Pero este problema se soluciona conectando baterías especiales, que acumulan la energía de la luz solar generada durante el día.
energía de la foto
La energía fotovoltaica es una de las dos formas de utilizar la radiación solar. Se trata de una corriente continua generada por la acción de la luz solar. Tal transformación tiene lugar en las llamadas fotocélulas, que, de hecho, son una estructura de dos capas de dos semiconductores. diferente tipo. El semiconductor inferior es de tipo p (con falta de electrones), el superior es de tipo n con exceso de electrones.
Los electrones del conductor n absorben la energía de los rayos del sol que inciden sobre ellos y abandonan sus órbitas, y el impulso de energía es suficiente para que pasen a la zona del conductor p. En este caso, se forma un flujo de electrones dirigido, llamado fotocorriente. En otras palabras, toda la estructura funciona como una especie de electrodos, en los que se genera electricidad bajo la influencia del sol.
El silicio se utiliza para la producción de dichas fotocélulas. Esto se explica por el hecho de que, en primer lugar, el silicio está muy extendido y, en segundo lugar, su procesamiento industrial no requiere grandes gastos.
Las fotocélulas de silicio son:
- Monocristalino. Están hechos de monocristales y tienen una estructura uniforme con una eficiencia ligeramente superior (alrededor del 20%), pero al mismo tiempo son más caros.
- Policristalino. Tienen una estructura desigual debido al uso de policristales y una eficiencia ligeramente inferior (15-18%), pero son mucho más baratos que los monovariantes.
- Película delgada. Se fabrican pulverizando silicio amorfo sobre un sustrato de película delgada. Se caracterizan por una estructura flexible y el menor costo de producción, pero tienen el doble de dimensiones en comparación con sus contrapartes cristalinas de la misma potencia.
Los campos de aplicación de cada tipo de celdas son muy amplios y vienen determinados por sus características operativas.
Colectores solares
Los colectores solares también se utilizan como convertidores de energía solar, pero el principio de funcionamiento es completamente diferente. Convierten la luz incidente no en energía eléctrica, sino en energía térmica al calentar el refrigerante líquido. Se utilizan tanto para el suministro de agua caliente como para la calefacción de viviendas. El elemento principal de cualquier colector es un absorbedor, que también es un disipador de calor. El absorbedor es una placa plana o un sistema de vacío tubular, dentro del cual circula un refrigerante (esto puede ser agua corriente o anticongelante). Además, el absorbedor debe estar pintado de negro. pintura especial para aumentar los coeficientes de absorción.
Es por el tipo de absorbentes que los colectores se dividen en planos y de vacío. Para los disipadores de calor planos, el disipador de calor tiene la forma de una placa de metal, a la que se suelda una bobina de metal con refrigerante desde abajo. Los absorbedores de vacío están hechos de varios tubos de vidrio conectados entre sí en los extremos. Los tubos se hacen dobles, se crea un vacío entre las paredes y se coloca una varilla con refrigerante en el interior. Todas las varillas se comunican entre sí por medio de conectores especiales en las uniones de las tuberías.
Los absorbentes de ambos tipos se colocan en una carcasa liviana y duradera (generalmente hecha de aluminio o plástico resistente a los impactos) y están aislados de manera confiable de las paredes. La parte frontal del cuerpo está cubierta con vidrio transparente resistente a los impactos con la máxima permeabilidad a los fotones. Esto asegura una mejor absorción de la energía solar.
caracteristicas de funcionamiento
El principio de funcionamiento de ambos tipos de colectores es similar. Calentamiento en el colector altas temperaturas, el refrigerante pasa a través de las mangueras de conexión al tanque de intercambio de calor, que está lleno de agua. A través del tanque, pasa a través de un tubo serpenteante, cediendo su calor al agua. El refrigerante enfriado sale del tanque y regresa al colector. De hecho, este es un tipo de caldera "solar", solo que en lugar de una bobina de calentamiento, se usa una bobina en el tanque y, en lugar de la red eléctrica, se usa la luz solar.
Las diferencias estructurales determinan la diferencia en el uso de colectores planos y de vacío. El uso de la radiación solar con la ayuda de modelos de vacío es posible durante todo el año, incluso en invierno y fuera de temporada. Las opciones planas funcionan mejor en período de verano. Sin embargo, son más baratos y sencillos que los de vacío, por lo que son ideales para fines estacionales.
Energía solar en las ciudades (ecocasas)
La energía solar se usa activamente no solo para casas privadas, sino también para edificios urbanos. No es difícil adivinar cómo una persona usa la energía solar en las megaciudades. También se utiliza para el suministro de agua caliente y calefacción de edificios y, a menudo, de bloques enteros.
En los últimos años, el concepto de eco-casas, totalmente alimentadas por fuentes de energía alternativas, se ha desarrollado e implementado activamente. Utilizan sistemas combinados que proporcionan una producción eficiente de la energía solar, eólica y térmica de la tierra. A menudo, estas casas no solo cubren completamente sus necesidades energéticas, sino que también transfieren el excedente a las redes de la ciudad. Y más recientemente, han aparecido proyectos de tales edificios ecológicos en Rusia.
Heliostaciones y sus tipos
En las regiones del sur con alta insolación, no solo se están construyendo plantas solares individuales, sino estaciones completas que generan energía a escala industrial. La cantidad de energía solar que producen es muy grande, y muchos países con un clima adecuado ya han comenzado la transición gradual de todo el sistema energético a dicha alternativa. Según el principio, el funcionamiento de la central se divide en fototérmico y fotovoltaico. Los primeros funcionan según el método de colectores y suministran agua caliente para el abastecimiento de agua caliente a las viviendas, mientras que los segundos generan electricidad directamente.
Hay varios tipos de estaciones solares:
- Torre. Permiten recibir vapor de agua sobrecalentado suministrado a generadores. Una torre con un tanque de agua se basa en el centro de la estación, alrededor de ella se colocan helióstatos (espejos), que enfocan los rayos en el tanque. Estas son estaciones bastante eficientes, su principal inconveniente es la dificultad de posicionar con precisión los espejos.
- En forma de disco. Se componen de un receptor de energía solar y un reflector. Reflector: un espejo en forma de plato que concentra la radiación en el receptor. Dichos concentradores de energía solar están ubicados a poca distancia del receptor, y su número está determinado por la potencia requerida de la instalación.
- Parabólico. Se colocan tubos con refrigerante (generalmente aceite) en el foco de un espejo parabólico largo. El aceite calentado cede calor al agua, que hierve y hace girar los generadores.
- Globo. De hecho, estas son las estaciones solares más eficientes y móviles de la Tierra. A ellos elemento principal- un globo con una capa fotovoltaica llena de vapor de agua. Se eleva alto en la atmósfera (generalmente por encima de las nubes). El vapor calentado de la bola se alimenta a través de una tubería de vapor flexible a la turbina, en la salida de la misma se condensa y el agua vuelve a subir a la bola con una bomba. Una vez en la bola, el agua se evapora y el ciclo continúa.
- Sobre fotobaterías. Estas son instalaciones de energía solar que ya son familiares para todos, que se utilizan para casas particulares. Proporcionan electricidad y calentamiento de agua en los volúmenes requeridos.
Hoy en día, varios tipos de estaciones solares (incluidas las combinadas, que combinan varios tipos) desempeñan un papel cada vez mayor en la producción de energía de muchos países. Y algunos estados están reestructurando su energía de tal manera que en unos años cambiarán casi por completo a sistemas alternativos.
El principio de conversión de energía solar, su aplicación y perspectivas.
Hay menos fuentes de energía tradicionales en el mundo. Las reservas de petróleo, gas, carbón se agotan y todo apunta a que tarde o temprano se acabarán. Si en ese momento no se encuentran fuentes de energía alternativas, entonces una catástrofe le espera a la humanidad. Por ello, en todos los países desarrollados se está investigando para descubrir y desarrollar nuevas fuentes de energía. La primera es la energía solar. Desde la antigüedad, esta energía ha sido utilizada por las personas para iluminar sus hogares, secar alimentos, ropa, etc. Hoy en día, la energía solar es una de las fuentes de energía alternativa más prometedoras. Actualmente, ya existen bastantes diseños que permiten convertir la energía del sol en energía eléctrica o térmica. La industria está creciendo y desarrollándose gradualmente, pero, como en todas partes, hay problemas. Todo esto será discutido en este artículo.
La energía solar es una de las fuentes renovables más asequibles de la Tierra. El uso de la energía solar en la economía nacional tiene un efecto positivo en el estado del medio ambiente, ya que no requiere perforar pozos ni desarrollar minas para obtenerla. Además, este tipo de energía es gratuita y no cuesta nada. Naturalmente, se requieren los costos para la compra e instalación de equipos.
El problema es que el sol es una fuente intermitente de energía. Entonces, lo que se requiere es la acumulación de energía y su uso en conjunto con otras fuentes de energía. El principal problema hoy en día es que los equipos modernos tienen una baja eficiencia para convertir la energía solar en energía eléctrica y térmica. Por lo tanto, todos los desarrollos están destinados a aumentar la eficiencia de dichos sistemas y reducir su costo.
Por cierto, muchos recursos del planeta se derivan de la energía solar. Por ejemplo, el viento, que es otra fuente renovable, no soplaría sin el sol. La evaporación del agua y su acumulación en los ríos también se produce bajo la acción del sol. Y el agua, como saben, es utilizada por la energía hidroeléctrica. Los biocombustibles tampoco existirían sin el sol. Por lo tanto, además de una fuente directa de energía, el sol afecta otras áreas de energía.
El sol envía radiación a la superficie de nuestro planeta. Del amplio espectro de radiación procedente de la superficie terrestre, llegan 3 tipos de ondas:
- Luz. En el espectro de emisión, son aproximadamente el 49 por ciento;
- infrarrojo. Su participación es también del 49 por ciento. Gracias a estas ondas, nuestro planeta se está calentando;
- Ultravioleta. En el espectro de la radiación solar, son aproximadamente el 2 por ciento. Son invisibles a nuestros ojos.
Excursión a la historia
¿Cómo ha evolucionado la energía solar hasta nuestros días? El hombre ha pensado en el uso del sol en sus actividades desde la antigüedad. Todo el mundo conoce la leyenda según la cual Arquímedes quemó la flota enemiga cerca de su ciudad de Siracusa. Usó espejos incendiarios para esto. Hace varios miles de años, en el Medio Oriente, los palacios de los gobernantes se calentaban con agua, que calentaba el sol. En algunos países nos evaporamos agua de mar la sal se obtenía del sol. Los científicos a menudo realizaban experimentos con dispositivos de calefacción alimentados por energía solar.
Los primeros modelos de tales calentadores se produjeron en los siglos XVII-XVII. En particular, el investigador N. Saussure presentó su versión del calentador de agua. Es una caja de madera con tapa de cristal. El agua en este dispositivo se calentó a 88 grados centígrados. En 1774, A. Lavoisier usó lentes para concentrar el calor del sol. Y también han aparecido lentes que permiten fundir localmente el hierro fundido en pocos segundos.
Científicos franceses crearon baterías que convierten la energía del sol en energía mecánica. A finales del siglo XIX, el investigador O. Musho desarrolló un aislador que enfocaba rayos en una caldera de vapor usando una lente. Esta caldera se utilizó para hacer funcionar la imprenta. En los Estados Unidos en ese momento, era posible crear una unidad impulsada por el sol con una capacidad de 15 "caballos".
Durante mucho tiempo, los aisladores se produjeron de acuerdo con un esquema que utiliza la energía del sol para convertir el agua en vapor. Y la energía convertida se usó para hacer algún trabajo. El primer dispositivo que convierte la energía solar en energía eléctrica fue creado en 1953 en los Estados Unidos. Se convirtió en el prototipo de los paneles solares modernos. El efecto fotoeléctrico en el que se basa su trabajo fue descubierto allá por los años 70 del siglo XIX.
En los años treinta del siglo pasado, el académico de la URSS A.F. Ioffe propuso el uso de fotocélulas semiconductoras para convertir la energía solar. La eficiencia de la batería en ese momento era inferior al 1%. Pasaron muchos años antes de que se desarrollaran las células solares con una eficiencia del 10 al 15 por ciento. Luego, los estadounidenses construyeron paneles solares de tipo moderno.
Para más poder sistemas solares la baja eficiencia se compensa con el aumento del área de las fotocélulas. Pero esta no es una opción, ya que los semiconductores de silicio en las células fotovoltaicas son bastante caros. Con un aumento en la eficiencia, aumenta el costo de los materiales. Este es el principal obstáculo para el uso masivo de paneles solares. Pero a medida que se agoten los recursos, su uso será cada vez más rentable. Además, la investigación para aumentar la eficiencia de las células solares no se detiene.
Vale la pena decir que las baterías basadas en semiconductores son bastante duraderas y no requieren calificaciones para cuidarlas. Por lo tanto, se utilizan con mayor frecuencia en la vida cotidiana. También hay plantas enteras de energía solar. Por regla general, se crean en países con una gran cantidad de días soleados al año. Estos son Israel, Arabia Saudita, el sur de los EE. UU., India, España. Ahora hay proyectos absolutamente fantásticos. Por ejemplo, plantas de energía solar fuera de la atmósfera. Allí la luz del sol aún no ha perdido energía. Es decir, se propone que la radiación sea capturada en órbita y luego convertida en microondas. Entonces, de esta forma, la energía será enviada a la Tierra.
Conversión de energía solar
En primer lugar, vale la pena decir cómo se puede expresar y evaluar la energía solar.
¿Cómo se puede estimar la cantidad de energía solar?
Los expertos utilizan para evaluar un valor como la constante solar. Es igual a 1367 vatios. Esta es la cantidad de energía solar por metro cuadrado del planeta. Alrededor de una cuarta parte se pierde en la atmósfera. El valor máximo en el ecuador es de 1020 vatios por metro cuadrado. Teniendo en cuenta el día y la noche, los cambios en el ángulo de incidencia de los rayos, este valor debe reducirse otras tres veces.
Las versiones sobre las fuentes de energía solar eran muy diferentes. Por el momento, los expertos aseguran que la energía se libera como resultado de la transformación de cuatro átomos de H2 en un núcleo de He. El proceso continúa con la liberación de una cantidad significativa de energía. A modo de comparación, imagine que la energía de conversión de 1 gramo de H2 es comparable a la que se libera al quemar 15 toneladas de hidrocarburos.
Métodos de conversión
Dado que la ciencia hoy en día no tiene dispositivos alimentados por energía solar en forma pura, debe convertirse a otro tipo. Para ello se crearon dispositivos como paneles solares y un colector. Las baterías convierten la energía solar en energía eléctrica. Y el colector genera energía térmica. También hay modelos que combinan estos dos tipos. Se llaman híbridos.
Las principales formas de convertir la energía solar se presentan a continuación:
- fotoeléctrico;
- solar térmica;
- aire caliente;
- Plantas de energía solar con globos.
La primera forma es la más común. Utiliza paneles fotovoltaicos que generan electricidad bajo la influencia del sol. En la mayoría de los casos, están hechos de silicona. El grosor de tales paneles es décimas de milímetro. Dichos paneles se combinan en módulos fotovoltaicos (baterías) y se instalan al sol. La mayoría de las veces se colocan en los techos de las casas. En principio, nada impide que se coloquen en el suelo. Solo es necesario que no haya objetos grandes a su alrededor, otros edificios y árboles que puedan proyectar sombra.
Además de las fotocélulas, las de película fina o se utilizan para generar energía eléctrica. Su ventaja es un espesor pequeño, y la desventaja es una eficiencia reducida. Dichos modelos a menudo se usan en cargadores portátiles para varios dispositivos.
El método de conversión de aire caliente consiste en obtener la energía de un flujo de aire. Este flujo se dirige al turbogenerador. En las centrales eléctricas de globos, bajo la influencia de la energía solar, se genera vapor de agua en un globo aerostático. La superficie del globo está cubierta. recubrimiento especial absorbiendo los rayos del sol. Tales plantas de energía pueden operar en tiempo nublado y de noche debido al suministro de vapor en el globo.
La energía solar se basa en calentar la superficie del portador de energía en un colector especial. Por ejemplo, podría calentar agua para un sistema de calefacción doméstico. No solo se puede usar agua, sino también aire como portador de calor. Puede calentarse en el colector y alimentarse al sistema de ventilación de la casa.
Todos estos sistemas son bastante caros, pero su desarrollo y mejora continúa gradualmente.
Ventajas y desventajas de la energía solar.
Ventajas
- Está libre. Una de las principales ventajas de la energía solar es que no se cobra por ella. Los paneles solares están hechos de silicio, que es bastante abundante;
- No efectos secundarios. El proceso de conversión de energía se lleva a cabo sin ruido, emisiones nocivas y residuos, impacto ambiental. Esto no se puede decir de la energía térmica, hidráulica y nuclear. Todas las fuentes tradicionales dañan el sistema operativo de una forma u otra;
- Seguridad y fiabilidad. El equipo es duradero (sirve hasta 30 años). Después de 20 a 25 años de uso, las celdas solares entregan hasta el 80 por ciento de su valor nominal;
- Reciclaje. Los paneles solares son completamente reciclables y se pueden reutilizar en la producción;
- Facilidad de mantenimiento. El equipo es bastante simple de implementar y trabajar fuera de línea;
- Bien adaptado para uso en casas particulares;
- Estética. Se puede instalar en el techo o fachada del edificio sin comprometer la apariencia;
- Bien integrados como sistemas auxiliares de suministro de energía.
